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机械工程学报 2013年第1期49卷 108-115页

作者：徐相杰余丙军陈磊钱林茂西南交通大学牵引动力国家重点实验室成都610031

利用纳米划痕仪和液压伺服磨损试验机研究不同接触尺度下滑动速度对单晶硅磨损性能的影响。结果表明:单晶硅在不同接触尺度条件下表现出不同的损伤特征,同时滑动速度对其损伤有很大影响。微观单点接触条件下,单晶硅在低载下的损伤表现... 详细信息

利用纳米划痕仪和液压伺服磨损试验机研究不同接触尺度下滑动速度对单晶硅磨损性能的影响。结果表明:单晶硅在不同接触尺度条件下表现出不同的损伤特征,同时滑动速度对其损伤有很大影响。微观单点接触条件下,单晶硅在低载下的损伤表现为凸起;速度越高,摩擦诱导的非晶层越薄,形成的凸结构越低。随着载荷增加,当接触压力高于单晶硅的硬度时,单晶硅的损伤逐渐转变为沟槽;滑动速度越高,接触区材料的加工硬化越剧烈,沟槽越浅。宏观多点接触条件下,较低的名义接触压力即会在单晶硅表面产生磨损,磨损过程中同时发生犁沟、疲劳和氧化磨损;滑动速度越高,单晶硅表面裂纹萌生得越多,产生的磨屑越细,磨损量越低。该研究结果有助于单晶硅超光滑表面制造的工艺改进以及硅基微机电系统的摩擦学优化设计。

关键词：单晶硅接触尺度滑动速度磨损性能

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间隙和接触尺度对运动副自由度影响的研究

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机械设计 2002年第12期19卷 35-37页

作者：秦伟黄茂林重庆大学机械工程学院重庆400044

结合自调机构的设计 ,研究了间隙和接触尺度对运动副自由度的影响 ,将机构结构理论与工程实际相结合 ,对运动副自由度的确定进行了修正。

关键词：间隙接触尺度运动副自由度机构

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不同接触尺度下单晶硅的摩擦磨损性能研究

不同接触尺度下单晶硅的摩擦磨损性能研究

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作者：徐相杰西南交通大学

学位级别：硕士

随着纳米科技的发展,微机电系统(Microelectromechanical system, MEMS)在汽车、航空航天、通讯、医疗、环境保护等方面具有越来越广阔的应用前景。由于尺寸效应,MEMS存在的摩擦学问题不容忽视。基于其优异的物理与机械性能,单晶硅已成... 详细信息

随着纳米科技的发展,微机电系统(Microelectromechanical system, MEMS)在汽车、航空航天、通讯、医疗、环境保护等方面具有越来越广阔的应用前景。由于尺寸效应,MEMS存在的摩擦学问题不容忽视。基于其优异的物理与机械性能,单晶硅已成为制造MEMS的典型结构材料。因此,研究晶面取向和滑动速度对单晶硅的摩擦磨损规律对于MEMS的摩擦学设计具有重要的指导意义。此外,单晶硅的超光滑表面制造在超大规模集成电路、光传输、信息存储、国防等领域具有重要的应用。该制造过程主要涉及切削、研磨和抛光等,而加工速度对加工质量和加工效率有很大影响。因此,开展单晶硅磨损的基础研究,无论对于指导MEMS的摩擦学优化设计,以及提高单晶硅超光滑表面的加工效率,都有十分重要的意义。本文分别采用纳米划痕仪和液压伺服磨损实验机,系统地研究了不同接触尺度下晶面取向和滑动速度对单晶硅损伤的影响;结合原子力显微镜(AFM)、激光共聚焦显微镜(LCSM)、光学显微镜(OM)和双模式3D形貌仪(AEP, NanoMap-D)等仪器,深入地分析了单晶硅在不同阶段的损伤特征。最后,对宏微观下单晶硅的损伤特征进行比较。所得出的主要结论如下： (1)在微观单点接触条件下,三种不同晶面取向的单晶硅在低载下的损伤均表现为隆起,其中Si(100)的隆起高度最高,Si(111)隆起最低。随着载荷增加,单晶硅的损伤逐渐转变为凹槽,晶面取向对于单晶硅的损伤影响不大。 (2)单晶硅在不同接触尺度下的损伤强烈地依赖于滑动速度。在微观单点接触条件下,滑动速度越高,低载下单晶硅表面所形成的凸结构越低;高载下接触区材料的塑性变形更加困难,划痕深度越浅。在宏观多点接触的摩擦过程中,单晶硅的磨损过程同时伴随犁沟、疲劳和氧化。滑动速度越高,单晶硅表面裂纹萌生得越多,扩展地越长,产生的磨屑越细,单晶硅表面的磨损量越少。 (3)单晶硅在不同接触尺度下表现出不同的磨损特征。在微观的单点接触条件下,单晶硅的损伤随载荷的增加主要表现为隆起向沟槽的转变;在宏观的多点接触条件下,即使在较低的名义接触应力下,单晶硅表面就会产生不同程度的磨损,损伤主要表现为材料的去除和裂纹的萌生。

关键词：单晶硅摩擦磨损滑动速度接触尺度晶面取向微机电系统

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探针尺寸对Si-DLC薄膜表面粘附和摩擦的影响

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材料导报 2012年第2期26卷 107-111页

作者：范真刘翊丁建宁程广贵陈修祥江苏技术师范学院机械与汽车工程学院常州213001 江苏大学微纳米科学技术研究中心镇江212013 常州大学低维材料微纳器件与系统研究中心常州213164

采用AFM尖头探针、球头探针和平头探针对Si-DLC膜进行摩擦实验,研究了薄膜的微观摩擦力学性能,探讨了不同接触尺度下薄膜表面粘附力及摩擦产生的机理,建立了不同探针与薄膜表面粗糙峰的接触模型,推导了表面粘附力与接触面积的关系表达式... 详细信息

采用AFM尖头探针、球头探针和平头探针对Si-DLC膜进行摩擦实验,研究了薄膜的微观摩擦力学性能,探讨了不同接触尺度下薄膜表面粘附力及摩擦产生的机理,建立了不同探针与薄膜表面粗糙峰的接触模型,推导了表面粘附力与接触面积的关系表达式,表明在微观接触中,接触面积对粘附力起着主导作用。尖头探针与薄膜表面的微观摩擦系数取决于表面粗糙峰的斜率,与粗糙峰的高度相关不大;球头探针与薄膜表面的摩擦力主要取决于单位面积接触粗糙峰密度;平头探针与薄膜表面的摩擦力主要取决于外加载荷,表面形貌的微观尺寸效应可忽略。

关键词： Si—DLC膜接触尺度摩擦机理接触模型

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表观形貌作用下典型固体润滑物相的多尺度摩擦行为研究

表观形貌作用下典型固体润滑物相的多尺度摩擦行为研究

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作者：王辰青岛理工大学

学位级别：硕士

固体润滑剂常用于复杂且苛刻工况环境下的机械表面防护,如宏观尺度下空间薄膜润滑到微机电器件的微观润滑,其均能提供优异的减摩耐磨效果。在其中,表观形貌是影响基底与固体润滑剂的摩擦学性能的重要因素。在微观尺度下,由于接触尺寸和... 详细信息

固体润滑剂常用于复杂且苛刻工况环境下的机械表面防护,如宏观尺度下空间薄膜润滑到微机电器件的微观润滑,其均能提供优异的减摩耐磨效果。在其中,表观形貌是影响基底与固体润滑剂的摩擦学性能的重要因素。在微观尺度下,由于接触尺寸和加载载荷的减小,实际接触将从宏观尺度下的数百万个粗糙峰减小到只有数个,表面粗糙度和实际接触形貌将在微观摩擦中发挥更大的影响作用,因此,有必要探究多尺度下基底表观形貌对典型固体润滑剂摩擦学性能的影响。本研究通过电泳沉积方法在不同粗糙度的304不锈钢基底表面制备Mo S固体润滑涂层,采用自研的往复式微摩擦试验机,在微观和宏观尺度下进行摩擦考核,考核Mo S涂层在不同粗糙度基底上的摩擦学性能,并对磨痕进行形貌和成分分析。通过ANSYS有限元仿真软件,模拟动态滑动过程,进而探讨基底的表观形貌对Mo S涂层摩擦学性能的影响机制。主要研究内容如下:(1)针对微小载荷、短行程的考核工况需求,合理选用高精度、高可靠性的组成元件,并基于Lab VIEW开发了一套数据处理系统。通过将软硬件整合调试,搭建一台可灵活应用于宏观和微观尺度下摩擦磨损试验的往复式微摩擦试验机,为揭示表面形貌对固体润滑剂的摩擦学行为的影响作用提供重要的实验基础。(2)通过抛光的方式对304不锈钢基底表面沟槽化处理,制备出表观形貌具有显著差异的基底,并且采用电泳沉积方法在304不锈钢基底表面制备Mo S涂层。对基底表面与涂层表征发现,电泳沉积的Mo S涂层在基底表面铺展均匀且疏松多孔,并且将基底表面的沟槽轮廓完全覆盖。(3)使用自研往复式微摩擦试验机,在微观和宏观尺度下进行往复摩擦试验,考核Mo S涂层在不同表观形貌基底上的摩擦学性能,并使用扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)、能量色散谱仪(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy,EDS)、三维轮廓仪等仪器对磨痕表面进行形貌和成分分析,研究基底表观形貌对固体润滑剂的摩擦学行为的影响机制。结果表明,表面沟槽化处理的基底可以显著提高Mo S涂层的摩擦学性能,这是由于表观形貌粗糙的基底具有更好的抵抗切向变形的能力,在摩擦过程中能够维持更多的初始形貌并有效储存Mo S润滑剂,表现出优异的耐磨寿命。(4)构建具有不同表观形貌的基底模型,通过ANSYS有限元仿真软件,模拟在微观和宏观接触尺度下滑动过程中不同表观形貌基底的实际接触面积、切向刚度和切向变形,研究滑动过程中不同表观形貌基底的接触行为。结果表明,在滑动过程中,表观形貌更粗糙的基底的切向刚度更高,切向变形更小。进一步探讨了基底的表观形貌对表面固体润滑物相的摩擦学行为的影响。

关键词：固体润滑表观形貌接触尺度摩擦学行为摩擦试验机

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