一种光控摩擦实验装置及摩擦系数控制方法

技术领域

本发明涉及摩擦装置技术领域，特别是涉及一种光控摩擦实验装置。

背景技术

主动调控摩擦一直是人们追寻和探索的技术。目前有些应用场景需要进行主动调控摩擦。人们已经对于各种固体润滑材料在不同电场、热场以及磁场下的摩擦特性有了广泛研究。

然而，在光场下对固体润滑材料的摩擦特性研究仍然较少，特别是对于激光在摩擦过程直接参与照射摩擦接触点对摩擦行为的影响研究缺乏探索。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种光控摩擦实验装置及摩擦系数控制方法，本发明结构简单，易于装配，本发明通过在摩擦过程中利用激光透过对磨球对摩擦接触点照射可实现控制激光对摩擦行为的主动调控。

本发明的技术方案如下：

一种光控摩擦实验装置，其中，包括：

用于支撑放置待摩擦样品并控制待摩擦样品根据需要旋转的下摩擦单元，设置在下摩擦单元上方的用于对待摩擦样品进行摩擦的上摩擦单元，以及设置上摩擦单元上用于对待摩擦样品进行摩擦系数控制的可实时调控的激光器；

所述上摩擦单元固定设置有用于对待摩擦样品进行摩擦的透明摩擦件；

所述下摩擦单元包括：通过驱动电机驱动旋转的旋转台，所述旋转台用于放置待摩擦样品，并根据驱动电机驱动带动待摩擦样品根据需要旋转；通过驱动电机驱动旋转台带动待摩擦样品旋转实现与透明摩擦件对磨，通过控制激光器焦距、功率大小、照射时间实现对摩擦系数的主动调控。

所述的光控摩擦实验装置，其中，所述旋转台上设置有用于固定待摩擦样品的固定夹具；所述旋转台通过所述固定夹具固定待摩擦样品；所述待摩擦样品为薄膜或块体样品。

所述的光控摩擦实验装置，其中，所述透明摩擦件为硬质透明对磨球；

所述上摩擦单元包括：用于与待摩擦样品接触摩擦的硬质透明对磨球、以及与所述对磨球连接的用于固定对磨球的磨球帽、与所述磨球帽连接用于固定所述磨球帽固定杆，以及与所述固定杆固定连接的悬臂梁。

所述的光控摩擦实验装置，其中，所述上摩擦单元还包括：

在所述悬臂梁上对应所述固定杆上方设置的砝码托盘，以及可拆卸设置在所述砝码托盘上方的加载砝码。

所述的光控摩擦实验装置，其中，所述砝码托盘与所述固定杆通过螺钉固定在所述悬臂梁上。

所述固定杆内部设置有一螺纹通孔，通过一螺钉将所述固定杆固定连接在所述悬臂梁一端；

所述磨球帽的顶部设置有与固定杆下端螺纹连接的内螺纹，所述磨球帽底部设置有用于固定安装对磨球的凹槽通孔。

所述的光控摩擦实验装置，其中，其还包括：在所述悬臂梁另一端设置的用于监测摩擦系数的应变片。

所述的光控摩擦实验装置，其中，所述激光器设置于所述加载砝码上方，所述加载砝码中部中空设置、砝码托盘中间中空设置，螺钉中间中空设置有中空，固定杆中间中空设置；所述激光器的激光依次穿过加载砝码的中空、砝码托盘的中空、螺钉的中空、固定杆的中空以及透明对磨球、最终透过对磨球照射到待摩擦样品表面，用于控制待摩擦样品表面与对磨球之间的摩擦系数。

一种基于上述任一项所述光控摩擦实验装置的摩擦系数控制方法，其中，包括步骤：

制备待摩擦样品，并将制备的待摩擦样品放置在光控摩擦实验装置的旋转台上、对应所述透明摩擦件下方；

在砝码托盘上放置空心砝码，利用砝码质量向下方摩擦单元施加载荷；

控制启动摩擦操作，上摩擦单元保持静止，下摩擦单元的旋转台由驱动电机驱动进行圆周转动，且待摩擦样品固定在旋转台上，通过旋转台的圆周转动带动待摩擦样品旋转与透明摩擦件实现对磨操作；

控制打开激光器，通过控制激光器焦距、功率大小、照射时间实现对摩擦系数的主动调控。

所述的摩擦系数控制方法，其中，所述制备待摩擦样品的步骤包括：制备样品碳膜作为待摩擦样品，所述样品碳膜的制备步骤包括：

利用ECR等离子体纳米表面加工系统沉积所需要的样品碳膜；

所述将制备的待摩擦样品放置在光控摩擦实验装置的旋转台上、对应所述透明摩擦件下方的步骤还包括：

样品碳膜与对磨球接触并且保证悬臂梁水平状态。

所述的摩擦系数控制方法，其中，

所述控制打开激光器，通过控制激光器焦距、功率大小、照射时间实现对摩擦系数的主动调控的步骤包括：

控制对待摩擦样品施加一个2～20N的法向载荷，用所述透明摩擦件在所述待摩擦样品表面进行摩擦运动；

在摩擦运动过程中，对所述透明摩擦件施加一个功率为0～50W的激光，以控制透明摩擦件与待摩擦样品之间的摩擦系数。

与现有技术相比，本发明实施例具有以下优点：

本发明提供了一种实现激光光控摩擦的实验装置及方法，本发明结构简单，易于装配，通过在摩擦过程中利用激光透过对磨球对摩擦接触点照射可实现控制激光对摩擦行为的主动调控；本发明该方法直接、高效。在样品与透明对磨球摩擦的过程中，激光透过对磨球仅照射样品表面摩擦接触点且不会对样品表面其他非摩擦区域产生影响。相比于在所述透明对磨球与样品摩擦的摩擦接触点未施加激光来说，本发明能显著降低所述透明摩擦件与样品摩擦时的摩擦系数，实现低摩擦。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中实施例1的光控摩擦实验装置的结构示意图。

图2为本发明中实施例2的光控摩擦实验装置的结构示意图。

图3为本发明中实施例3的光控摩擦实验装置的结构示意图。

图4为本发明实施例的光控摩擦实验装置的摩擦系数控制方法实施例1的流程示意图。

图5为本发明实施例的光控摩擦实验装置的摩擦系数控制方法实施例2的流程示意图。

图6a和图6b为本发明实施例的光控摩擦实验装置的摩擦系数控制方法的法向载荷2N时石英球与碳膜摩擦有无激光照射的摩擦系数曲线对比图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

主动调控摩擦一直是人们追寻和探索的技术。目前有些应用场景需要进行主动调控摩擦。人们已经对于各种固体润滑材料在不同电场、热场以及磁场下的摩擦特性有了广泛研究。

发明人研究发现，激光由于其高定向性、高单色性以及高能量性对于不同物质会产生不同的热效应、光化学效应以及电磁场效应。这些效应耦合作用会使物质表面结构发生变化并对摩擦特性产生影响。然而，目前激光诱导的物质表面结构变化对摩擦影响方面的研究仍然较少，特别是对于激光在摩擦过程直接参与照射摩擦接触点对摩擦行为的影响研究缺乏探索。

因此，本发明提供了一种实现激光光控摩擦的实验装置及方法，本发明通过在摩擦过程中利用激光透过对磨球对摩擦接触点照射可实现控制激光对摩擦行为的主动调控；本发明该方法直接、高效。在样品与透明对磨球摩擦的过程中，激光透过对磨球仅照射样品表面摩擦接触点且不会对样品表面其他非摩擦区域产生影响。相比于在所述透明对磨球与样品摩擦的摩擦接触点未施加激光来说，本发明能显著降低所述透明摩擦件与样品摩擦时的摩擦系数，实现低摩擦。

具体地，如图1所示，图1为本发明实施例1的光控摩擦实验装置结构示意图，本发明申请的一实施例中，公开了一种光控摩擦实验装置，其中，所述光控摩擦实验装置包括：用于支撑放置待摩擦样品并控制待摩擦样品根据需要旋转的下摩擦单元200，以及设置在下摩擦单元上方的用于对待摩擦样品进行摩擦的上摩擦单元100；以及设置上摩擦单元上用于对待摩擦样品进行摩擦系数控制的可实时调控的激光器11。所述上摩擦单元100固定设置有用于对待摩擦样品2进行摩擦的透明摩擦件，较佳地，本实施例中所述透明摩擦件为硬质透明对磨球3；所述硬质透明对磨球3可以为石英(硅酸盐类非金属材料)、蓝宝石(氧化铝)的一种。所述待摩擦样品2为薄膜或块体样品。

其中，所述下摩擦单元200包括：旋转台1、以及放置在旋转台上方的待摩擦样品2。所述旋转台1的作用是带动待摩擦样品2根据需要旋转；所述待摩擦样品2可以为薄膜或块体样品。所述旋转台1通过设置在旋转台下面的驱动电机驱动实现旋转。

本发明实施例中通过设置所述下摩擦单元包括：通过驱动电机驱动旋转的旋转台，所述旋转台用于放置待摩擦样品，并根据驱动电机驱动带动待摩擦样品根据需要旋转；通过驱动电机驱动旋转台带动待摩擦样品旋转实现与透明摩擦件对磨，通过控制激光器焦距、功率大小、照射时间实现对摩擦系数的主动调控。

进一步地，如图1所示，所述上摩擦单元100包括：用于与待摩擦样品2接触摩擦的硬质透明对磨球3、以及与所述对磨球3连接的用于固定对磨球3的磨球帽4、与所述磨球帽4连接用于固定所述磨球帽4固定杆5，以及与所述固定杆5固定连接的悬臂梁10。

所述固定杆5内部设置有一螺纹通孔，通过一螺钉将所述固定杆5固定连接在所述悬臂梁10一端。

所述固定杆5下端设置有外螺纹，所述磨球帽4的顶部设置有与固定杆5下端螺纹连接的内螺纹，所述磨球帽4底部设置有用于固定安装对磨球3的凹槽通孔。所述对磨球帽4通过对磨球帽4内部的内螺纹与所述固定杆5下端的外螺纹螺接、对磨球3固定在固定杆5下方。

本发明实施例中，进一步地所述上摩擦单元还包括：在所述悬臂梁上对应所述固定杆上方设置的砝码托盘，以及可拆卸设置在所述砝码托盘上方的加载砝码。即如图1所示，在所述悬臂梁10上对应所述固定杆5上方设置有砝码托盘6和中空的加载砝码7；砝码托盘6上可以根据需要放置质量确定的加载砝码7向待摩擦样品提供法向载荷。

本发明实施例中将砝码托盘6与固定杆5通过螺钉固定在悬臂梁10上、对应所述固定杆5上端。螺钉作用就是将托盘6与固定杆5与和悬臂梁10固定上。

进一步地，本发明实施例的光控摩擦实验装置，其还包括：在所述悬臂梁另一端设置的用于监测摩擦系数的应变片。如图1所示，在所述悬臂梁10另一端设置有应变片9。本发明采用所述应变片9连接信号处理系统，通过应变片9的力信号转化为电信号实现对摩擦系数的监测，可以实现很方便监测摩擦系数。应变片是由敏感栅等构成用于测量应变的元件。电阻应变片的工作原理是基于应变效应制作的，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应的发生变化，这种现象称为“应变效应”。

进一步地，本发明实施例的光控摩擦实验装置，在所述光控摩擦实验装置上还设置有一可实时调控的激光器11，用于通过激光照射待摩擦样品进行摩擦系数控制。较佳地，激光器11可以设置对准待摩擦样品可以根据需要启动。例如将所述激光器11设置于加载砝码7上方，所述加载砝码7中部设置中空、砝码托盘6中间也设置有中空，螺钉中间也设置有中空，固定杆5中间也设置有中空；所述激光器11的激光依次穿过加载砝码7的中空、砝码托盘6的中空、螺钉的中空、固定杆5的中空以及透明对磨球3最终透过对磨球照3射到待摩擦样品2表面。用于控制待摩擦样品表面与对磨球之间的摩擦系数；通过激光器11照射可对待摩擦样品表面的地方减小摩擦。具体实施时，本发明的激光器11可实时调控，包括改变激光器焦距(mm)、功率大小(W)、照射时间(s)、光照密度(J/mm^2)、波长(nm)等。

本发明实施例中所述固定杆5内部有一螺纹通孔，用以透光及与螺钉连接。对于硬质透明对磨球3，所述通孔宽度小于对磨球3直径，通过对磨球帽4与固定杆4的通孔双重限位保持对磨球静止固定，使得对磨球3摩擦操作更牢靠。

本发明实施例的光控摩擦实验装置，如图1所示，在摩擦过程中，上摩擦单元100保持静止，下摩擦单元200的旋转台1由驱动电机201驱动进行圆周转动，且待摩擦样品2固定在旋转台1上，通过旋转台1的圆周转动带动待摩擦样品2旋转与对磨球3实现摩擦。待摩擦样品2与对磨球3的摩擦速度由驱动电机201转速进行控制。

本发明中，所述对磨球3与所述待摩擦样品2表面接触，且接触界面为点与面接触，该接触点为摩擦接触点，以实现对所述待摩擦样品2表面进行摩擦。

所述磨球帽4通过内螺纹与固定杆连接、将对磨球3固定在固定杆5下方。

本发明实施例中，通过将所述激光器11放置于加载砝码7上方，激光依次穿过加载砝码7的中空、砝码托盘6的中空、螺钉的中空、固定杆5的中空以及透明对磨球3最终透过对磨球照射到样品表面。通过对激光器实时调控，例如改变激光器焦距(mm)、功率大小(W)、照射时间(s)、光照密度(J/mm^2)、波长(nm)等，可对待摩擦样品的摩擦地方进行摩擦系数控制。

进一步地，本发明实施例，所述应变片9贴于悬臂梁10两侧用于采集侧向摩擦力信号。由下摩擦单元200旋转运动与上摩擦单元摩擦，引发悬臂梁应变变形并利用所述应变片连接的摩擦信号放大装置对摩擦力信号进行分析和记录。

由上可见，本发明公开了一种光控摩擦实验装置，该装置在摩擦过程中利用激光透过对磨球对摩擦接触点照射可实现摩擦系数的主动调控，即实现光控摩擦。

本发明实施例中所述悬臂梁10通过一平衡装置支撑，平衡装置可以有多种，如图2所示，为其中一种实施例。

本发明进一步较佳地实施例，如图2所示，图2为本发明实施例2提供的光控摩擦实验装置的结构示意图。图2所示的实施例与图1所示的实施例结构基本相同，所谓不同在于，本发明实施例的光控摩擦实验装置将所述悬臂梁10安装在一平衡支架装置300上，如图2所示，在所述悬臂梁10右端，连接着平衡支架装置，用以在不同载荷下悬臂梁保持水平状态。

进一步地实施例中，本发明实施例3的光控摩擦实验装置，如图3所示，还可以在所述旋转台1上设置有用于固定待摩擦样品2的固定夹具209；所述旋转台1通过所述固定夹具209固定待摩擦样品2。这样，可以很方便将待摩擦样品2固定在所述旋转台1上进行摩擦操作。

基于上述光控摩擦实验装置的实施例，本发明实施例还提供了一种如上任一项所述光控摩擦实验装置的摩擦系数控制方法，如图4所示，本发明方法实施例1提供的光控摩擦实验装置的摩擦系数控制方法，包括以下步骤：

步骤S10、制备待摩擦样品，并将制备的待摩擦样品放置在光控摩擦实验装置的旋转台上、对应所述透明摩擦件下方；

本发明实施例中，其中，所述制备待摩擦样品的步骤包括：制备样品碳膜作为待摩擦样品，所述样品碳膜的制备步骤包括：利用ECR等离子体纳米表面加工系统沉积所需要的样品碳膜。

本发明实施例，如图1和图2所示，将样品碳膜与对磨球接触并且保证悬臂梁水平状态。

步骤S20、在砝码托盘上放置空心砝码，利用砝码质量向下方摩擦单元施加载荷；

步骤S30、控制启动摩擦操作，上摩擦单元保持静止，下摩擦单元的旋转台由驱动电机驱动进行圆周转动，且待摩擦样品固定在旋转台上，通过旋转台的圆周转动带动待摩擦样品旋转与透明摩擦件实现对磨操作；

本发明实施例中，如图2所示，所述旋转台1由驱动电机驱动，且待摩擦样品2固定在旋转台1上，通过旋转台1的圆周转动带动待摩擦样品2例如薄膜样品旋转与对磨球3实现摩擦；

步骤S40、控制打开激光器，通过控制激光器焦距、功率大小、照射时间实现对摩擦系数的主动调控。

本发明中，所述控制打开激光器，通过控制激光器焦距、功率大小、照射时间实现对摩擦系数的主动调控的步骤包括：

控制向所述砝码托盘6加载所述加载砝码7，以对待摩擦样品施加一个2～20N的法向载荷，用所述透明摩擦件在所述待摩擦样品表面进行摩擦运动；

在摩擦运动过程中，对所述透明摩擦件施加一个功率为0～50W的激光，以控制透明摩擦件与待摩擦样品之间的摩擦系数。

以下通过一具体应用实施例对本发明方法实施例做进一步详细说明：如图4所示，本发明具体应用实施例提供的一种如上述光控摩擦实验装置的摩擦系数控制方法，包括以下步骤：

S100、碳膜的制备；

本发明实施例中待摩擦样品2采用为碳膜，本步骤制备样品碳膜；碳膜样品的制备本发明利用ECR等离子体纳米表面加工系统沉积所需要的碳膜。安装好实验装置，使碳膜样品与对磨球接触并且保证悬臂梁水平状态。

S200、对碳膜施加一个2～20N的法向载荷，用所述透明摩擦件在所述碳膜表面进行摩擦运动；

具体地可以在砝码托盘上放置空心砝码，利用砝码质量向下方摩擦单元施加载荷。然后驱动电机启动，旋转台带动碳膜样品旋转实现与对磨球对磨。S300、摩擦过程中，在砝码上方放置一个激光，透过透明对磨球照射到碳膜表面摩擦接触点，激光率为0-50W。

例如可以打开激光器，通过控制激光器焦距、功率大小、照射时间实现对摩擦系数的主动调控。

本具体应用实施例中，在所述摩擦运动过程中，对所述透明摩擦件施加一个功率为0～50W的激光，有效的降低了透明摩擦件与碳膜的摩擦系数。

在一种实施方式中，所述步骤S100中关于待摩擦样品2碳膜的制备具体包括：

S101，准备好长和宽规格为25×25mm的硅片基底，清洁干净后固定于电子回旋共振(ECR)等离子体纳米表面加工系统的基片架上，并对预真空腔室抽真空再打开插板阀将基片架送入主真空腔室内；

其中ECR等离子体纳米表面加工系统为薄膜制造设备，能够提供所需碳膜。

S102，待主真空腔室的气体降至8×10

进一步地，所述步骤S200具体包括：

S201,安装好本发明实施例的光控摩擦实验装置，使碳膜样品与对磨球3接触并且保证悬臂梁水平状态；

S202,在砝码托盘上放置空心砝码，利用砝码质量向下方摩擦单元施加载荷；

S203,驱动电机启动，旋转台带动碳膜样品旋转实现与对磨球对磨；

在一种实施方式中，步骤S300具体包括：

S301，将激光器11置于砝码上方，对准用于固定砝码盘与固定杆5的螺钉中孔。开启激光器11，激光透过透明对磨球3照射到碳膜样品(待摩擦样品2)表面。

下面通过具体数据的举例对本发明进行详细说明：例如：确定好摩擦参数：透明石英摩擦件法向载荷2N，摩擦半径1.4μm、滑动速度180转/分钟、激光波长450nm、激光为功率10W。

安装好本发明实施例的光控摩擦实验装置,将制备好的待摩擦样品2例如类金刚石碳膜(DLC)样品固定放置于旋转台1上方。将透明石英对磨球(即对磨球3)清洁干净放置在所述固定杆5下方，并用对磨球帽4夹紧。利用螺钉连接好固定杆5、悬臂梁9、砝码盘6。将质量为200g加载砝码7放置在砝码盘6上，使对磨球3与碳膜样品(待摩擦样品)接触。进一步，开启驱动电机使旋转台1开始旋转，开启激光器11，使碳膜样品(待摩擦样品)与对磨球3在激光照射下开始摩擦。

本发明摩擦测试结果如图6a和图6b所示，图6a和图6b为摩擦系数曲线对比图(图6b为10W激光照射)，在无激光照射情况下，类金刚石碳膜与石英对磨球摩擦的摩擦系数为0.15左右。在激光照射下，类金刚石碳膜与石英对磨球摩擦的摩擦系数为0.06左右。说明在大气环境下可通过激光控制减小类金刚石碳膜与石英之间的摩擦系数。所以，通过本发明实施例的方法，可以控制降低类金刚石碳膜摩擦系数，本发明提供了一种实现激光实时控制摩擦系数方法，可实现控制激光对摩擦行为的主动调控，本发明方法可使类金刚石碳膜与石英对磨摩擦系数降低60％。

与现有技术相比，本发明实施例具有以下优点：

本发明提供了一种实现激光光控摩擦的实验装置及方法，本发明结构简单，易于装配，通过在摩擦过程中利用激光透过对磨球对摩擦接触点照射可实现控制激光对摩擦行为的主动调控；本发明该方法直接、高效。在样品与透明对磨球摩擦的过程中，激光透过对磨球仅照射样品表面摩擦接触点且不会对样品表面其他非摩擦区域产生影响。相比于在所述透明对磨球与样品摩擦的摩擦接触点未施加激光来说，本发明能显著降低所述透明摩擦件与样品摩擦时的摩擦系数，实现低摩擦。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。