基于DMT模型的金刚石表面纳米摩擦学研究.pdf
《基于DMT模型的金刚石表面纳米摩擦学研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于DMT模型的金刚石表面纳米摩擦学研究.pdf(9页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、 年 月第 卷 第 期润滑与密封 :文献引用:杨欣,杨宁基于 模型的金刚石表面纳米摩擦学研究润滑与密封,():,():基金项目:四川省科技计划项目();装备技术基础项目()收稿日期:;修回日期:作者简介:杨欣(),男,硕士研究生,研究方向为金刚石纳米摩擦。:。通信作者:杨宁(),男,工学博士,高级工程师,研究方向 为 金 刚 石 及 超 硬 材 料 加 工。:。基于 模型的金刚石表面纳米摩擦学研究杨 欣 杨 宁(中国工程物理研究院机械制造工艺研究所 四川成都)摘要:基于 接触模型,在理论上计算金刚石表面纳米摩擦的摩擦力和摩擦因数;采用原子力显微镜,以金刚石探针和片状金刚石试件作为摩擦副,在大气
2、环境下分别研究机械抛光和聚焦离子束()刻蚀的金刚石试件的摩擦学特性,并比较实验结果和 接触模型计算结果。结果表明:金刚石试件的摩擦因数均随着载荷的增加而减小,这与以往对金刚石微观摩擦的研究结果相符合;接触模型计算结果与机械抛光表面试验结果吻合较好,而略高于 刻蚀表面试验结果,验证了 模型在金刚石纳米摩擦研究中的适用性。通过表面粗糙度和碳原子化学状态分析,得出粗糙表面对探针滑动的阻碍作用和 刻蚀过程中生产的非晶碳的减摩作用是 模型应用于上述 种加工表面产生差异的原因。关键词:接触模型;金刚石;纳米摩擦;聚焦离子束刻蚀中图分类号:(,):,(),:;金刚石晶体具有高硬度、高耐磨性和强化学惰性等优点
3、,在高端制造领域得到了广泛的应用,如超精密加工、高性能轴承。然而金刚石工具 工件摩擦学问题凸显,引起了众多学者的关注。许多学者通过实验手段研究了金刚石摩擦特性的影响因素,如温度、摩擦速度和表面润滑等。然而实验研究难以揭示其不易观测的摩擦学本质,需应用理论建模方法。研究表明,金刚石工具 工件在应用过程中产生的纳米级的金刚石微粒,在金刚石表面发生刻划与犁耕造成金刚石的磨损现象,涉及到纳米尺度的黏着现象和表面接触。因而在金刚石摩擦磨损过程中,有必要考虑接触界面的表面粗糙度和非晶化层的影响。传统的 接触模型没有考虑 个表面间表面力的影响,在微纳米尺度下,表面力的影响已经不能被忽略。年,等给出了 黏着接
4、触模型,认为黏着力作用发生在接触区域内,这一模型适用于硬度相对较小,黏附力和接触半径较大的情况,与金刚石磨粒的接触情况并不一致。年,等从理论上提出了 模型,假定黏附力作用在 接触区域之外,这一模型适用于硬度相对较大,黏附力和接触半径较小的情况,这与金刚石磨粒的接触条件较为接近。以往的基于模型的金刚石摩擦磨损研究大多针对金刚石材料的性能参数,如不同晶面的剪切强度,摩擦方向与不同晶面的夹角等,较少关注接触表面粗糙度和金刚石的非晶化等表界面因素的影响。例如,年 等在 模型的基础上,考虑晶面和晶向对摩擦力的影响,对模型进行了修正,并采用实验和分子动力学模拟进行验证,但未关注接触界面金刚石非晶化的现象。
5、本文作者采用原子力显微镜,利用曲率半径为()的金刚石针尖,在 的载荷条件下,对比研究了机械研磨和聚焦离子束()刻蚀的金刚石试件在纳米尺度下的摩擦力和摩擦因数,进而分析了不同表面的摩擦力和摩擦因数的差异,验证了 模型在金刚石纳米摩擦研究中的适用性,对金刚石工具 工件制造和使用提供了理论支撑。试验部分 试验材料为获得在表面形貌和表层组织材料上具有差异的金刚石表面,分别采用机械抛光和 刻蚀的方法制备金刚石试件。金刚石试件采用镓()离子源,加速电压为 ,束流为 ,加工区域 。机械抛光和 刻蚀试件如图 所示。原子力显微镜探针采用 全金刚石探针,图 所示为探针的电镜照片,探针尖端如图()所示,标称刚度为
6、,标称针尖半径为()。图 金刚石试样及刻蚀区域显微照片 :();();()图 原子力显微镜探针的 图 年第 期杨 欣等:基于 模型的金刚石表面纳米摩擦学研究 试验方法文中所有的纳米摩擦试验以及表面形貌扫描均在同一台原子力显微镜上完成,为避免金刚石针尖的磨损对试验结果的影响,试验中分别采用两根针尖曲率半径为()的球形金刚石探针作为摩擦副,该针尖的悬臂梁刚度通过热噪声法进行标定,其刚度分别为 和 。此外,为了得到准确的摩擦力数值,采用渐变力楔形法对探针的侧向力灵敏度进行标定,结果分别为 和 。图 所示为采用 刻蚀加工的标定用斜坡试样,坡面角 。表 给出了探针的具体参数。图 加工斜坡的电镜照片();
7、斜坡的 扫描照片();机械抛光表面摩擦力信号()及 刻蚀表面摩擦力信号()();();();()表 探针参数 ()()试验前,首先用超声波清洗机将 种金刚石试件分别在无水乙醇和去离子水中清洗 ,待其表面干燥后备用。所有的纳米摩擦试验均在一个矩形区域内完成,通过形貌扫描后计算获得表面粗糙度。摩擦区域为 ,速度为 ,在这一区域进行 道划痕,每道划痕选取 个采样点测量摩擦力,法向载荷为 ,试验环境大气相对湿度,环境温度为()。对单次刻划的数据,为了避免零点漂移对摩擦力数值的影响,将 信号和 信号按式()处理,作为单次刻划的摩擦力信号。()式中:和 分别为 采集的单次刻划的往、返摩擦力信号数值;为处理
8、后的摩擦力信号,乘以探针的侧向力灵敏度即为摩擦力。对摩擦试验中采集到的摩擦力和法向力信号,在 道划痕中等间距地选取 组数据的平均值,再分别乘以标定的探针法向灵敏度和侧向力灵敏度,即为摩擦试验的法向力和侧向力,摩擦因数为摩擦力与法向力之比。结果与讨论在上述条件下,分别在机械抛光和 刻蚀的金润滑与密封第 卷刚石试件上进行了一系列摩擦试验。理论模型与试验结果对比利用 测量金刚石探针与金刚石试样的 曲线,如图 所示,横坐标为探针竖直位置,纵坐标为探针悬臂的法向形变量。结合金刚石探针的法向刚度得到的黏附力约为 ,这一黏附力与外加载荷的比值大于 ,因此不能忽略摩擦中的黏附力,在模型选择的过程中需要考虑黏附
9、力的影响。图 曲线 由于 模型和 模型之间的差异,对于处在 和 模型之间的情形,提出了过渡参数 数,用来描述不同接触模型之间的转化,定义为 ()式中:为黏着应力,为碳原子的平衡距离,即金刚石晶格中共价键的长度,;为等效半径,在探针和平面接触情况下,为探针半径;为复合模量,文中 个表面都是金刚石,因此复合模量 (),为金刚石表面的弹性模量;为两表面的黏着功,金刚石的黏着功 。和 绘制了黏着图,采用力参数 ()与弹性参数 数,作为判断接触模型适用范围的依据。把上述金刚石摩擦副的物理参数代入式()计算可知,力参数约为,弹性参数 ,在上述黏着图中落在接近 模型的区域,因此在金刚石纳米摩擦中利用 模型来
10、计算。在微米纳米的尺度下,宏观的摩擦定律不再适用,为此,等提出了以金属材料摩擦试验为基础的黏着理论。该理论认为,在相对滑动过程中,摩擦力 是由材料在界面上的屈服引起的,其值与摩擦副之间的实际接触面积 成正比,可以表达为 ()式中:为材料的剪切屈服强度,对于金刚石等脆性材料,在变形过程中不发生屈服,剪切屈服强度等于动态剪切强度。接触模型表示的接触半径与载荷的关系可以表达为()()式中:为实际接触半径;为外加载荷;为等效半径,、分别为两曲面的曲率半径;为复合模量;、分别为两表面的弹性模量;为两表面的黏着功,金刚石的黏着功 。接触面分离时最大的黏附力为 ()将金刚石的材料参数代入式()计算,黏附力约
11、为 ,与试验测得的实际黏附力相近。文中,摩擦副的 种材料都是金刚石,因此式()的第二个公式可以改写为()()其中,金刚石的弹性模量 ,泊松比。将式()代入式()中重新整理,得到摩擦力关系式:()()由式()可以看到,摩擦力随着外加载荷和接触半径的增大而增大。摩擦因数可由式()给出:()()()对于各向同性的材料来说,力学性能与内部构型的取向无关,即式()中的剪切屈服强度为常数。然而,由于特殊的原子构型,单晶金刚石晶体的性能表现出显著的各向异性。、等,发现金刚石的强度严格地取决于晶面和取向,并建立了单晶金刚石定向动态剪切强度计算公式,其表达式为()()()()()年第 期杨 欣等:基于 模型的金
12、刚石表面纳米摩擦学研究 式中:为修正因子;为金刚石的表面能;为单一粗糙面的楔角;和 分别为单个粗糙面的综合系数和几何系数;是与表面状态相关的系数;为金刚石的解理角;是金刚石的努普硬度;是决定表面粗糙度的抛光痕深度。机械抛光后的金刚石表面粗糙度源于其表面抛光痕迹。表面粗糙度与抛光痕深度呈正相关。主要由塑性变形引起的抛光痕深度计算如下:()其中:为解理角 相关的系数,解理角 定义为解理面与抛光后的小面之间的角度;是由取向角 决定的系数,取向角 是摩擦方向与“软”取向之间的角度。将式()代入式()中,整理得到:()()可以看出金刚石动态剪切强度与金刚石物理参数、晶面和晶向有关。根据 等的计算结果,文
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 DMT 模型 金刚石 表面 纳米 摩擦 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。