專利名稱：磁性微納織構(gòu)表面的摩擦控制方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種表面結(jié)構(gòu)摩擦磨損控制方法及其裝置，特別是一種磁性微納織構(gòu)表面的摩擦控制方法及裝置。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)及人類社會(huì)的發(fā)展，摩擦學(xué)材料的服役條件越來(lái)越極端化、復(fù)雜化，這對(duì)材料的耐磨性、減摩性等提出了越來(lái)越高的要求；同樣，有些情況甚至還要求增大摩擦。在傳統(tǒng)摩擦學(xué)材料的基礎(chǔ)上，通過(guò)表面工程技術(shù)研發(fā)，表面摩擦控制為優(yōu)化機(jī)械系統(tǒng)摩擦學(xué)性能、解決材料磨損提供了一條有效、也是極具生命力的方案和途徑。在微觀領(lǐng)域，微系統(tǒng)突飛猛進(jìn)的發(fā)展也出現(xiàn)了大量的磁場(chǎng)環(huán)境下的微觀摩擦學(xué)問(wèn) 題。納米科技的發(fā)展引發(fā)了器件微型化的一場(chǎng)革命，使得各種微系統(tǒng)大量涌現(xiàn)，如微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、微光機(jī)電系統(tǒng)(M0EMS)、微流體與生物芯片系統(tǒng)等。但是，在其快速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的背后也凸顯出了很多亟待探索和解決的問(wèn)題，如磁場(chǎng)條件下新規(guī)律、新現(xiàn)象的出現(xiàn)、摩擦磨損問(wèn)題的解決、微結(jié)構(gòu)粘附問(wèn)題的解決、外場(chǎng)調(diào)控下的摩擦粘附問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要提供一種磁性微納織構(gòu)表面的摩擦控制方法及裝置，解決磁場(chǎng)條件下的摩擦磨損、微結(jié)構(gòu)粘附以及外場(chǎng)調(diào)控下的摩擦粘附的問(wèn)題。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的摩擦控制方法的具體步驟為
1、制備出帶有微納織構(gòu)的表面通過(guò)激光光刻及電化學(xué)沉積結(jié)合使用。首先對(duì)樣品實(shí)施激光光刻，在襯底材料表面光刻膠的旋涂，勻膠機(jī)進(jìn)行旋涂、然后烘干，在7(Tll(TC下烘干20min ;調(diào)節(jié)激光的平均功率，范圍在設(shè)在5 100mW，使激光在樣品表面形成干涉條紋；關(guān)閉脈沖激光系統(tǒng)，取出樣品，在8(T10(TC下烘干20min;最后將樣品放入顯影液中，當(dāng)光刻膠上曝光的部分被顯影液溶解后，取出樣品，以去離子水沖洗凈顯影液，自然干燥；完成之后再對(duì)樣品進(jìn)行電化學(xué)沉積；電化學(xué)沉積參數(shù)正反向脈沖工作時(shí)間Smsls、頻率(T200Hz、電流密度l(T50mA/cm2、工作比I 10，保持鍍液溫度30°C 60°C、ph值3 5、攪拌速度3(T90r/min，制備出規(guī)則的微納織構(gòu)鍍層；
2、磁化處理對(duì)樣品進(jìn)行磁化處理，磁場(chǎng)強(qiáng)度為2.25X10^4. 5XlOVm ；
3、摩擦磨損測(cè)試將樣品固定在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上,對(duì)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的線圈通電，對(duì)樣品施加磁場(chǎng)，進(jìn)行磁化，同時(shí)開啟摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)完成后，得到摩擦系數(shù)。所述的磁化處理為預(yù)先磁化法將制備好的樣品放在永磁體磁場(chǎng)中或者通電線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)中，使樣品具有磁性，磁場(chǎng)強(qiáng)度為2. 25X IO4UX 104A/m;然后在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，采用銷盤磨損的工作模式，設(shè)定轉(zhuǎn)速5(T300r/min、時(shí)間l(T30min、施加載荷0. 1 50N，之后便可開始實(shí)驗(yàn)，最后得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果?；蛘咚龅拇呕幚頌閷?shí)時(shí)調(diào)控磁場(chǎng)強(qiáng)度法將直流電源、線圈與摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)依次連接，線圈纏繞在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上，樣品置于線圈內(nèi)，施加可調(diào)電壓，使線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度控制在2. 25X10^4. 5X 10Vm ;采用銷盤磨損的工作模式，設(shè)定轉(zhuǎn)速5(T300r/min、時(shí)間l(T30min、施加載荷0. 1 50N，銷盤工作時(shí)，保持線圈通電，使線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度控制在2. 25X10^4. 5X104A/m ;對(duì)樣品實(shí)施摩擦磨損的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)完成后，得出實(shí)
驗(yàn)結(jié)果?？刂蒲b置包括有樣品、銷、載荷、摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)和線圈；樣品位于摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的下方，摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)下端為銷，上端為載荷，中間纏繞線圈，銷與樣品接觸。有益效果，由于采用了上述方案，對(duì)磁化之后樣品的摩擦學(xué)特性與未經(jīng)磁化的樣品的摩擦學(xué)特性進(jìn)行控制比較。通過(guò)脈沖激光光刻和電化學(xué)沉積制備樣品，摩擦磨損實(shí)驗(yàn)之前對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)先磁化；或者在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中利用通電線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)樣品進(jìn)行磁 化，以達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)控的目的。根據(jù)不同的實(shí)際需要，通過(guò)磁場(chǎng)的改變實(shí)現(xiàn)摩擦學(xué)性能的最優(yōu)化。復(fù)合鍍層的結(jié)構(gòu)、成分可控。通過(guò)調(diào)節(jié)激光光刻與電化學(xué)沉積過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)，可以有效的制備結(jié)構(gòu)、成分可控的復(fù)合鍍層，從而在材料表面形成規(guī)則的織構(gòu)。從而減少鍍層內(nèi)應(yīng)力，有效抑制摩擦裂紋的擴(kuò)展和蔓延，提高鍍層的強(qiáng)度和抗塑性變形性能。磁場(chǎng)強(qiáng)度的實(shí)時(shí)調(diào)控。當(dāng)采用在改進(jìn)之后的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于使用的是通電線圈產(chǎn)生外加磁場(chǎng)，因此可以隨時(shí)通過(guò)改變電流大小來(lái)改變施加的磁場(chǎng)強(qiáng)度，而不必將樣品取下，這便實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料表面施加磁場(chǎng)強(qiáng)度的實(shí)時(shí)調(diào)控。研究方式的多樣化。預(yù)先磁化的樣品可研究施加不同磁場(chǎng)方向時(shí)材料的摩擦學(xué)性能；而在改進(jìn)之后的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)則可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)施加的磁場(chǎng)強(qiáng)度，側(cè)重于研究不同磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)摩擦學(xué)性能的影響。應(yīng)用范圍廣。激光光刻耦合電化學(xué)沉積可以制備多種不同結(jié)構(gòu)、不同金屬含量的復(fù)合鍍層；同時(shí)，磁場(chǎng)條件下的摩擦磨損適用于所有的磁性材料，無(wú)論其是否帶有織構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)復(fù)合鍍層的結(jié)構(gòu)、成分可控。磁場(chǎng)強(qiáng)度的實(shí)時(shí)調(diào)控。應(yīng)用范圍廣。將表面結(jié)構(gòu)化的摩擦控制技術(shù)、復(fù)合鍍層的摩擦控制技術(shù)以及磁場(chǎng)對(duì)摩擦的控制效應(yīng)有效集成、協(xié)同耦合，對(duì)材料表面根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行減摩抗磨或增摩。在磁場(chǎng)環(huán)境下磁性材料摩擦副實(shí)現(xiàn)在磁場(chǎng)條件對(duì)摩擦磨損的精確控制。


圖I為樣品表面結(jié)構(gòu)化鍍層制備過(guò)程原理圖。圖2a顯示的是對(duì)無(wú)織構(gòu)的普通樣品一進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)的原理圖。圖2b顯示的是對(duì)帶有微納織構(gòu)的樣品二進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)的原理圖。圖3a顯示的是對(duì)無(wú)織構(gòu)的普通樣品一進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)的原理圖。圖3b顯示的是對(duì)帶有微納織構(gòu)的樣品二進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)的原理圖。
具體實(shí)施例方式結(jié)合圖I、圖2和圖3示例的制備過(guò)程原理圖、兩種摩擦磨損實(shí)驗(yàn)原理圖SHAPE\* MERGEF0RMAT對(duì)本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)和實(shí)施情況作如下說(shuō)明
實(shí)施例I :摩擦控制方法的具體步驟為1、制備出帶有微納織構(gòu)的表面通過(guò)激光光刻及電化學(xué)沉積結(jié)合使用。首先對(duì)樣品實(shí)施激光光刻，在襯底材料表面光刻膠的旋涂，勻膠機(jī)進(jìn)行旋涂、然后烘干，在7(TllO°C下烘干20min ;調(diào)節(jié)激光的平均功率，范圍在設(shè)在5 100mW，使激光在樣品表面形成干涉條紋；關(guān)閉脈沖激光系統(tǒng)，取出樣品，在8(T10(TC下烘干20min;最后將樣品放入顯影液中，當(dāng)光刻膠上曝光的部分被顯影液溶解后，取出樣品，以去離子水沖洗凈顯影液，自然干燥；完成之后再對(duì)樣品進(jìn)行電化學(xué)沉積；電化學(xué)沉積參數(shù)正反向脈沖工作時(shí)間Smsls、頻率(T200Hz、電流密度l(T50mA/cm2、工作比I 10，保持鍍液溫度30°C 60°C、ph值3 5、攪拌速度3(T90r/min，制備出規(guī)則的微納織構(gòu)鍍層；
2、磁化處理對(duì)樣品進(jìn)行磁化處理，磁場(chǎng)強(qiáng)度為2.25X10^4. 5XlOVm ；
3、摩擦磨損測(cè)試將樣品固定在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上，對(duì)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的線圈通電，對(duì)樣品施加磁場(chǎng)，進(jìn)行磁化，同時(shí)開啟摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)完成后，得到摩擦系數(shù)。所述的磁化處理為預(yù)先磁化法將制備好的樣品放在永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)中，或者放在通電線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)中，使樣品具有磁性，磁場(chǎng)強(qiáng)度為2. 25X IO4UX 104A/m;此時(shí)的磁化參數(shù)在摩擦磨損實(shí)驗(yàn)過(guò)程中無(wú)法改變，然后在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，采用銷盤磨損的工作模式，設(shè)定轉(zhuǎn)速5(T300r/min、時(shí)間l(T30min、施加載荷0. 1 50N，之后便可開始實(shí)驗(yàn)，最后得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果； 或者所述的磁化處理為實(shí)時(shí)調(diào)控磁場(chǎng)強(qiáng)度法將直流電源、線圈與摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)依次連接，線圈纏繞在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上，樣品置于線圈內(nèi)，施加可調(diào)電壓，使線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度控制在2. 25 X IO4 4. 5 X104A/m ;采用銷盤磨損的工作模式，設(shè)定轉(zhuǎn)速5(T300r/min、時(shí)間l(T30min、施加載荷0. 1 50N，銷盤工作時(shí)，保持線圈通電，使線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度控制在2. 25X10^4. 5X 10Vm ;對(duì)樣品實(shí)施摩擦磨損的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)完成后，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。控制裝置包括有樣品、銷3、載荷4和摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)5 ;樣品位于摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的下方，摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)下端為銷，上端為載荷，銷與樣品接觸。圖Ia為在普通樣品I表面旋涂了光刻膠之后的樣品；圖Ib為激光多光束干涉在光刻膠上所產(chǎn)生的干涉條紋；圖Ic為經(jīng)過(guò)顯影液清洗之后的樣品；圖Id為電化學(xué)沉積后得到的表面帶有光刻膠的復(fù)合鍍層；圖Ie為除去未曝光的光刻膠之后具有表面微納織構(gòu)的復(fù)合鍍層。SHAPE \* MERGEFORMAT
圖2a顯示的是對(duì)無(wú)織構(gòu)的普通樣品I進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)的原理圖。首先，將普通樣品I預(yù)先進(jìn)行磁化，然后建立如圖2a所示的實(shí)驗(yàn)裝置，摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)5的工作模式為銷盤磨損，將樣品I固定在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)5的底座上，其表面與銷3接觸，設(shè)定摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)5的轉(zhuǎn)速《和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，施加載荷4，然后啟動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)5開始實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后便可得到樣品I的摩擦系數(shù)；圖2b顯示的是對(duì)帶有微納織構(gòu)的樣品2進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)的原理圖，具體步驟與圖2a相同，不再?gòu)?fù)述。圖3a顯示的是對(duì)無(wú)織構(gòu)的普通樣品I進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)的原理圖。首先，建立如圖3a所示的裝置，將線圈8纏繞在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上，并且外接直流電源，這便是改進(jìn)之后的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)5，其工作模式為銷盤磨損，將樣品I固定在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)5的底座上，其表面與銷3接觸，設(shè)定摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)5的轉(zhuǎn)速《和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，施加載荷4，然后啟動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)5并對(duì)線圈8通電，電壓為U，線圈中的電流為I，由通電線圈8所產(chǎn)生的磁場(chǎng)7，方向垂直于樣品I表面。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后便可得到樣品I的摩擦系數(shù)；圖3b顯示的是對(duì)帶有微納織構(gòu)的樣品2進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)的原理圖，具體步驟與圖3a相同，不再?gòu)?fù)述。實(shí)施例2 :或者所述的磁化處理為實(shí)時(shí)調(diào)控磁場(chǎng)強(qiáng)度法將直流電源、線圈與摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)依次連接，線圈纏繞在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上，樣品置于線圈內(nèi)，施加可調(diào)電壓，使線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度控制在2. 25X10^4. 5X 10Vm ;采用銷盤磨損的工作模式，設(shè)定轉(zhuǎn)速5(T300r/min、時(shí)間l(T30min、施加載荷0. I 50N，銷盤工作時(shí)，保持線圈通電，使線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度控制在2. 25X IO4I. 5X104A/m ;對(duì)樣品實(shí)施摩擦磨損的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)完成后，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？刂蒲b置包括有樣品、銷3、載荷4、摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)5和線圈8 ;樣品位于摩擦磨 損試驗(yàn)機(jī)的下方，摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)下端為銷，上端為載荷，中間纏繞線圈，銷與樣品接觸。 其它與實(shí)施例I同。
權(quán)利要求
1.一種磁性微納織構(gòu)表面的摩擦控制方法，摩擦控制方法的具體步驟為 一、制備出帶有微納織構(gòu)的表面通過(guò)激光光刻及電化學(xué)沉積結(jié)合使用；首先對(duì)樣品實(shí)施激光光刻，在襯底材料表面進(jìn)行光刻膠的旋涂，勻膠機(jī)進(jìn)行旋涂、然后烘干，在7(Γ 11 (TC下烘干20min ;調(diào)節(jié)激光的平均功率，范圍在設(shè)在5 I OOmW，使激光在樣品表面形成干涉條紋；關(guān)閉脈沖激光系統(tǒng)，取出樣品，在8(TlO(rC下烘干20min;最后將樣品放入顯影液中，當(dāng)光刻膠上曝光的部分被顯影液溶解后，取出樣品，以去離子水沖洗凈顯影液，自然干燥；完成之后再對(duì)樣品進(jìn)行電化學(xué)沉積，電化學(xué)沉積參數(shù)正反向脈沖工作時(shí)間5ms Is、頻率(Γ200Ηζ、電流密度l(T50mA/cm2、工作比I 10，保持鍍液溫度30°C 60°C、ph值3 5、攪拌速度3(T90r/min，制備出規(guī)則的微納織構(gòu)鍍層； 二、磁化處理對(duì)樣品進(jìn)行磁化處理，磁場(chǎng)強(qiáng)度為2.25X10^4. 5XlOVm ； 三、摩擦磨損測(cè)試將樣品固定在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上,對(duì)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的線圈通電，對(duì)樣品施加磁場(chǎng)，進(jìn)行磁化，同時(shí)開啟摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)完成后，得到摩擦系數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁性微納織構(gòu)表面的摩擦控制方法，其特征是所述的磁化處理為預(yù)先磁化法將制備好的樣品放置在永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)中，或者放置在通電線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)中，使樣品具有磁性，磁場(chǎng)強(qiáng)度為2. 25X IO4UX 104A/m;然后在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，采用銷盤磨損的工作模式，設(shè)定轉(zhuǎn)速5(T300r/min、時(shí)間l(T30min、施加載荷O. 1 50Ν，之后便可開始實(shí)驗(yàn)，最后得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁性微納織構(gòu)表面的摩擦控制方法，其特征是所述的磁化處理為實(shí)時(shí)調(diào)控磁場(chǎng)強(qiáng)度法將直流電源、線圈與摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)依次連接，線圈纏繞在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上，樣品置于線圈內(nèi)，施加可調(diào)電壓，使線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度控制在2. 25 X IO4 4. 5 X 104A/m ;采用銷盤磨損的工作模式，設(shè)定轉(zhuǎn)速5(T300r/min、時(shí)間l(T30min、施加載荷O. 1 50N，銷盤工作時(shí)，保持線圈通電，使線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度控制在2.25X10^4. 5X104A/m ;對(duì)樣品實(shí)施摩擦磨損的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)完成后，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
4.一種磁性微納織構(gòu)表面的摩擦控制裝置，其特征是控制裝置包括有樣品、銷、載荷、摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)和線圈；樣品位于摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的下方，摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)下端為銷，上端為載荷，中間纏繞線圈，銷與樣品接觸。
全文摘要
一種磁性微納織構(gòu)表面的摩擦控制方法及裝置，屬于表面結(jié)構(gòu)摩擦磨損控制領(lǐng)域。摩擦控制方法為一、制備出帶有微納織構(gòu)的表面首先對(duì)樣品實(shí)施激光光刻，激光功率參數(shù)范圍設(shè)在5~100mW；激光光刻完成之后再對(duì)樣品進(jìn)行電化學(xué)沉積；電化學(xué)沉積參數(shù)正反向脈沖工作時(shí)間5ms~1s、頻率0~200Hz、電流密度10~50mA/cm2，保持鍍液溫度30℃~60℃、ph值3~5、攪拌速度30~90r/min，制備出規(guī)則的微納織構(gòu)鍍層；二、磁化處理對(duì)樣品進(jìn)行磁化處理，磁場(chǎng)強(qiáng)度為2.25×104~4.5×104A/m；三、摩擦磨損測(cè)試將樣品固定在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上對(duì)樣品施加磁場(chǎng)，進(jìn)行磁化，同時(shí)開啟摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，得到摩擦系數(shù)。優(yōu)點(diǎn)復(fù)合鍍層的結(jié)構(gòu)、成分可控。磁場(chǎng)強(qiáng)度的實(shí)時(shí)調(diào)控。應(yīng)用范圍廣。
文檔編號(hào)G01N19/02GK102636429SQ20121013125
公開日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2012年5月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月2日
發(fā)明者劉磊, 朱華, 楊海峰, 郝敬斌 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)