专利名称：磁性微纳织构表面的摩擦控制方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种表面结构摩擦磨损控制方法及其装置，特别是一种磁性微纳织构表面的摩擦控制方法及装置。
背景技术：
随着科学技术及人类社会的发展，摩擦学材料的服役条件越来越极端化、复杂化，这对材料的耐磨性、减摩性等提出了越来越高的要求；同样，有些情况甚至还要求增大摩擦。在传统摩擦学材料的基础上，通过表面工程技术研发，表面摩擦控制为优化机械系统摩擦学性能、解决材料磨损提供了一条有效、也是极具生命力的方案和途径。在微观领域，微系统突飞猛进的发展也出现了大量的磁场环境下的微观摩擦学问 题。纳米科技的发展引发了器件微型化的一场革命，使得各种微系统大量涌现，如微机电系统(MEMS)、微光机电系统(M0EMS)、微流体与生物芯片系统等。但是，在其快速发展和产业化进程的背后也凸显出了很多亟待探索和解决的问题，如磁场条件下新规律、新现象的出现、摩擦磨损问题的解决、微结构粘附问题的解决、外场调控下的摩擦粘附问题。
发明内容
本发明的目的是要提供一种磁性微纳织构表面的摩擦控制方法及装置，解决磁场条件下的摩擦磨损、微结构粘附以及外场调控下的摩擦粘附的问题。本发明的目的是这样实现的摩擦控制方法的具体步骤为
1、制备出带有微纳织构的表面通过激光光刻及电化学沉积结合使用。首先对样品实施激光光刻，在衬底材料表面光刻胶的旋涂，匀胶机进行旋涂、然后烘干，在7(Tll(TC下烘干20min ;调节激光的平均功率，范围在设在5 100mW，使激光在样品表面形成干涉条纹；关闭脉冲激光系统，取出样品，在8(T10(TC下烘干20min;最后将样品放入显影液中，当光刻胶上曝光的部分被显影液溶解后，取出样品，以去离子水冲洗净显影液，自然干燥；完成之后再对样品进行电化学沉积；电化学沉积参数正反向脉冲工作时间Smsls、频率(T200Hz、电流密度l(T50mA/cm2、工作比I 10，保持镀液温度30°C 60°C、ph值3 5、搅拌速度3(T90r/min，制备出规则的微纳织构镀层；
2、磁化处理对样品进行磁化处理，磁场强度为2.25X10^4. 5XlOVm ；
3、摩擦磨损测试将样品固定在摩擦磨损试验机上,对摩擦磨损试验机的线圈通电，对样品施加磁场，进行磁化，同时开启摩擦磨损试验机进行摩擦磨损实验，实验完成后，得到摩擦系数。所述的磁化处理为预先磁化法将制备好的样品放在永磁体磁场中或者通电线圈产生的磁场中，使样品具有磁性，磁场强度为2. 25X IO4UX 104A/m;然后在摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损实验，采用销盘磨损的工作模式，设定转速5(T300r/min、时间l(T30min、施加载荷0. 1 50N，之后便可开始实验，最后得出实验结果。或者所述的磁化处理为实时调控磁场强度法将直流电源、线圈与摩擦磨损试验机依次连接，线圈缠绕在摩擦磨损试验机上，样品置于线圈内，施加可调电压，使线圈产生的磁场强度控制在2. 25X10^4. 5X 10Vm ;采用销盘磨损的工作模式，设定转速5(T300r/min、时间l(T30min、施加载荷0. 1 50N，销盘工作时，保持线圈通电，使线圈产生的磁场强度控制在2. 25X10^4. 5X104A/m ;对样品实施摩擦磨损的实验测试，实验完成后，得出实
验结果。控制装置包括有样品、销、载荷、摩擦磨损试验机和线圈；样品位于摩擦磨损试验机的下方，摩擦磨损试验机下端为销，上端为载荷，中间缠绕线圈，销与样品接触。有益效果，由于采用了上述方案，对磁化之后样品的摩擦学特性与未经磁化的样品的摩擦学特性进行控制比较。通过脉冲激光光刻和电化学沉积制备样品，摩擦磨损实验之前对样品进行预先磁化；或者在实验过程中利用通电线圈所产生的磁场对样品进行磁 化，以达到实时调控的目的。根据不同的实际需要，通过磁场的改变实现摩擦学性能的最优化。复合镀层的结构、成分可控。通过调节激光光刻与电化学沉积过程中的各项参数，可以有效的制备结构、成分可控的复合镀层，从而在材料表面形成规则的织构。从而减少镀层内应力，有效抑制摩擦裂纹的扩展和蔓延，提高镀层的强度和抗塑性变形性能。磁场强度的实时调控。当采用在改进之后的摩擦磨损试验机上进行的摩擦磨损实验时，由于使用的是通电线圈产生外加磁场，因此可以随时通过改变电流大小来改变施加的磁场强度，而不必将样品取下，这便实现了对材料表面施加磁场强度的实时调控。研究方式的多样化。预先磁化的样品可研究施加不同磁场方向时材料的摩擦学性能；而在改进之后的摩擦磨损试验机上进行的摩擦磨损实验则可以实时调节施加的磁场强度，侧重于研究不同磁场强度对摩擦学性能的影响。应用范围广。激光光刻耦合电化学沉积可以制备多种不同结构、不同金属含量的复合镀层；同时，磁场条件下的摩擦磨损适用于所有的磁性材料，无论其是否带有织构。优点复合镀层的结构、成分可控。磁场强度的实时调控。应用范围广。将表面结构化的摩擦控制技术、复合镀层的摩擦控制技术以及磁场对摩擦的控制效应有效集成、协同耦合，对材料表面根据实际工况进行减摩抗磨或增摩。在磁场环境下磁性材料摩擦副实现在磁场条件对摩擦磨损的精确控制。
图I为样品表面结构化镀层制备过程原理图。图2a显示的是对无织构的普通样品一进行摩擦磨损实验的原理图。图2b显示的是对带有微纳织构的样品二进行摩擦磨损实验的原理图。图3a显示的是对无织构的普通样品一进行摩擦磨损实验的原理图。图3b显示的是对带有微纳织构的样品二进行摩擦磨损实验的原理图。
具体实施例方式结合图I、图2和图3示例的制备过程原理图、两种摩擦磨损实验原理图SHAPE\* MERGEF0RMAT对本发明的具体细节和实施情况作如下说明
实施例I :摩擦控制方法的具体步骤为1、制备出带有微纳织构的表面通过激光光刻及电化学沉积结合使用。首先对样品实施激光光刻，在衬底材料表面光刻胶的旋涂，匀胶机进行旋涂、然后烘干，在7(TllO°C下烘干20min ;调节激光的平均功率，范围在设在5 100mW，使激光在样品表面形成干涉条纹；关闭脉冲激光系统，取出样品，在8(T10(TC下烘干20min;最后将样品放入显影液中，当光刻胶上曝光的部分被显影液溶解后，取出样品，以去离子水冲洗净显影液，自然干燥；完成之后再对样品进行电化学沉积；电化学沉积参数正反向脉冲工作时间Smsls、频率(T200Hz、电流密度l(T50mA/cm2、工作比I 10，保持镀液温度30°C 60°C、ph值3 5、搅拌速度3(T90r/min，制备出规则的微纳织构镀层；
2、磁化处理对样品进行磁化处理，磁场强度为2.25X10^4. 5XlOVm ；
3、摩擦磨损测试将样品固定在摩擦磨损试验机上，对摩擦磨损试验机的线圈通电，对样品施加磁场，进行磁化，同时开启摩擦磨损试验机进行摩擦磨损实验，实验完成后，得到摩擦系数。所述的磁化处理为预先磁化法将制备好的样品放在永磁体产生的磁场中，或者放在通电线圈产生的磁场中，使样品具有磁性，磁场强度为2. 25X IO4UX 104A/m;此时的磁化参数在摩擦磨损实验过程中无法改变，然后在摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损实验，采用销盘磨损的工作模式，设定转速5(T300r/min、时间l(T30min、施加载荷0. 1 50N，之后便可开始实验，最后得出实验结果； 或者所述的磁化处理为实时调控磁场强度法将直流电源、线圈与摩擦磨损试验机依次连接，线圈缠绕在摩擦磨损试验机上，样品置于线圈内，施加可调电压，使线圈产生的磁场强度控制在2. 25 X IO4 4. 5 X104A/m ;采用销盘磨损的工作模式，设定转速5(T300r/min、时间l(T30min、施加载荷0. 1 50N，销盘工作时，保持线圈通电，使线圈产生的磁场强度控制在2. 25X10^4. 5X 10Vm ;对样品实施摩擦磨损的实验测试，实验完成后，得出实验结果。控制装置包括有样品、销3、载荷4和摩擦磨损试验机5 ;样品位于摩擦磨损试验机的下方，摩擦磨损试验机下端为销，上端为载荷，销与样品接触。图Ia为在普通样品I表面旋涂了光刻胶之后的样品；图Ib为激光多光束干涉在光刻胶上所产生的干涉条纹；图Ic为经过显影液清洗之后的样品；图Id为电化学沉积后得到的表面带有光刻胶的复合镀层；图Ie为除去未曝光的光刻胶之后具有表面微纳织构的复合镀层。SHAPE \* MERGEFORMAT
图2a显示的是对无织构的普通样品I进行摩擦磨损实验的原理图。首先，将普通样品I预先进行磁化，然后建立如图2a所示的实验装置，摩擦磨损试验机5的工作模式为销盘磨损，将样品I固定在摩擦磨损试验机5的底座上，其表面与销3接触，设定摩擦磨损试验机5的转速《和转动时间，施加载荷4，然后启动摩擦磨损试验机5开始实验。实验结束后便可得到样品I的摩擦系数；图2b显示的是对带有微纳织构的样品2进行摩擦磨损实验的原理图，具体步骤与图2a相同，不再复述。图3a显示的是对无织构的普通样品I进行摩擦磨损实验的原理图。首先，建立如图3a所示的装置，将线圈8缠绕在摩擦磨损试验机上，并且外接直流电源，这便是改进之后的摩擦磨损试验机5，其工作模式为销盘磨损，将样品I固定在摩擦磨损试验机5的底座上，其表面与销3接触，设定摩擦磨损试验机5的转速《和转动时间，施加载荷4，然后启动摩擦磨损试验机5并对线圈8通电，电压为U，线圈中的电流为I，由通电线圈8所产生的磁场7，方向垂直于样品I表面。实验结束后便可得到样品I的摩擦系数；图3b显示的是对带有微纳织构的样品2进行摩擦磨损实验的原理图，具体步骤与图3a相同，不再复述。实施例2 :或者所述的磁化处理为实时调控磁场强度法将直流电源、线圈与摩擦磨损试验机依次连接，线圈缠绕在摩擦磨损试验机上，样品置于线圈内，施加可调电压，使线圈产生的磁场强度控制在2. 25X10^4. 5X 10Vm ;采用销盘磨损的工作模式，设定转速5(T300r/min、时间l(T30min、施加载荷0. I 50N，销盘工作时，保持线圈通电，使线圈产生的磁场强度控制在2. 25X IO4I. 5X104A/m ;对样品实施摩擦磨损的实验测试，实验完成后，得出实验结果。控制装置包括有样品、销3、载荷4、摩擦磨损试验机5和线圈8 ;样品位于摩擦磨 损试验机的下方，摩擦磨损试验机下端为销，上端为载荷，中间缠绕线圈，销与样品接触。 其它与实施例I同。
权利要求
1.一种磁性微纳织构表面的摩擦控制方法，摩擦控制方法的具体步骤为 一、制备出带有微纳织构的表面通过激光光刻及电化学沉积结合使用；首先对样品实施激光光刻，在衬底材料表面进行光刻胶的旋涂，匀胶机进行旋涂、然后烘干，在7(Γ 11 (TC下烘干20min ;调节激光的平均功率，范围在设在5 I OOmW，使激光在样品表面形成干涉条纹；关闭脉冲激光系统，取出样品，在8(TlO(rC下烘干20min;最后将样品放入显影液中，当光刻胶上曝光的部分被显影液溶解后，取出样品，以去离子水冲洗净显影液，自然干燥；完成之后再对样品进行电化学沉积，电化学沉积参数正反向脉冲工作时间5ms Is、频率(Γ200Ηζ、电流密度l(T50mA/cm2、工作比I 10，保持镀液温度30°C 60°C、ph值3 5、搅拌速度3(T90r/min，制备出规则的微纳织构镀层； 二、磁化处理对样品进行磁化处理，磁场强度为2.25X10^4. 5XlOVm ； 三、摩擦磨损测试将样品固定在摩擦磨损试验机上,对摩擦磨损试验机的线圈通电，对样品施加磁场，进行磁化，同时开启摩擦磨损试验机进行摩擦磨损实验，实验完成后，得到摩擦系数。
2.根据权利要求I所述的磁性微纳织构表面的摩擦控制方法，其特征是所述的磁化处理为预先磁化法将制备好的样品放置在永磁体产生的磁场中，或者放置在通电线圈产生的磁场中，使样品具有磁性，磁场强度为2. 25X IO4UX 104A/m;然后在摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损实验，采用销盘磨损的工作模式，设定转速5(T300r/min、时间l(T30min、施加载荷O. 1 50Ν，之后便可开始实验，最后得出实验结果。
3.根据权利要求I所述的磁性微纳织构表面的摩擦控制方法，其特征是所述的磁化处理为实时调控磁场强度法将直流电源、线圈与摩擦磨损试验机依次连接，线圈缠绕在摩擦磨损试验机上，样品置于线圈内，施加可调电压，使线圈产生的磁场强度控制在2. 25 X IO4 4. 5 X 104A/m ;采用销盘磨损的工作模式，设定转速5(T300r/min、时间l(T30min、施加载荷O. 1 50N，销盘工作时，保持线圈通电，使线圈产生的磁场强度控制在2.25X10^4. 5X104A/m ;对样品实施摩擦磨损的实验测试，实验完成后，得出实验结果。
4.一种磁性微纳织构表面的摩擦控制装置，其特征是控制装置包括有样品、销、载荷、摩擦磨损试验机和线圈；样品位于摩擦磨损试验机的下方，摩擦磨损试验机下端为销，上端为载荷，中间缠绕线圈，销与样品接触。
全文摘要
一种磁性微纳织构表面的摩擦控制方法及装置，属于表面结构摩擦磨损控制领域。摩擦控制方法为一、制备出带有微纳织构的表面首先对样品实施激光光刻，激光功率参数范围设在5~100mW；激光光刻完成之后再对样品进行电化学沉积；电化学沉积参数正反向脉冲工作时间5ms~1s、频率0~200Hz、电流密度10~50mA/cm2，保持镀液温度30℃~60℃、ph值3~5、搅拌速度30~90r/min，制备出规则的微纳织构镀层；二、磁化处理对样品进行磁化处理，磁场强度为2.25×104~4.5×104A/m；三、摩擦磨损测试将样品固定在摩擦磨损试验机上对样品施加磁场，进行磁化，同时开启摩擦磨损试验机进行摩擦磨损实验，得到摩擦系数。优点复合镀层的结构、成分可控。磁场强度的实时调控。应用范围广。
文档编号G01N19/02GK102636429SQ20121013125
公开日2012年8月15日 申请日期2012年5月2日 优先权日2012年5月2日
发明者刘磊, 朱华, 杨海峰, 郝敬斌 申请人:中国矿业大学