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如何為通用摩擦計選擇輪廓儀?
沃爾夫岡·保利(Wolfgang Pauli )表示:“上帝創造了主體,表面是由魔鬼創造的”,暗示了表面相互作用的復雜性。
在具有運動部件的系統中耗散的能量可能會受到表面粗糙度,硬度,張力,分布和接觸凹凸結構(塑性指數)的影響。這些表面參數在系統中由于運動中的組件的壓力,溫度和速度而變化。必須就地或以其自然狀態監視表面參數的動態變化,這可能會弄清表面參數,能量耗散和系統故障之間的自然關系。這可以通過掌握原位摩擦學的科學儀器來實現。
對于原位摩擦學,必須將用于表面表征的科學儀器(如輪廓測定法,光譜法)集成到用于摩擦和磨損測量的平臺中。
Ducom Unitest是具有原位表征技術的通用摩擦計,這是一個高度先進的開放平臺,能夠與多種表面表征探針(例如機械測試,表面成像和光譜學)“共生整合”。摩擦計為多種研究提供了多種可互換的載荷和運動組合,從刮擦和壓痕模塊到旋轉,線性往復運動和微動模塊一直到先進的多方向,動態載荷生物摩擦學模塊。(見圖1)
圖1.最開放的平臺,帶有可配置的負載,運動,環境和成像模塊
高精度工作臺可以無縫地將樣品放置在多個診斷探針下。圖2代表了許多可能的配置中的一種,其特征在于帶有3D非接觸輪廓儀頭的線性運動模塊,該探頭安裝在移動的Z軸光束上以進行原位輪廓測量。
圖2.帶有線性運動平臺的往復運動磨損單元,與表面成像頭(非接觸輪廓儀)集成在一起。該輪廓儀可以測量樣品的粗糙度及其磨損量。
在本指南中,我們將深入研究已建立的技術,從表面表征和摩擦學研究的角度總結其功能并強調其局限性。非接觸式光學輪廓測量法最常用的三種技術是焦點變化,共聚焦顯微鏡和白光干涉測量法,它們依賴于不同的工作原理,即通用摩擦計提供了幾種輪廓儀,對于摩擦學家來說,選擇正確的技術可能是艱巨的。
焦距變化是一種常規的光學顯微鏡技術,它依賴于Z方向的垂直掃描以及對多個對焦圖像的整合,以獲得真實的色彩和3D表面形貌。它提供幾毫米/秒的快速掃描速度。
共聚焦顯微鏡也是一種常規的光學顯微鏡技術,它使用一個小針孔來阻擋散焦光,以實現高達1 nm的高垂直分辨率。
干涉測量法依賴于兩束光束(一個參考,另一個從樣品反射回來)產生的干涉圖樣,這兩個光束的光程差或相位差都不同,以實現亞納米分辨率。
請查看表4,該表總結了這些功能在表面表征和摩擦學方面的相關性。
圖3.不同輪廓分析技術的垂直高度能力和橫向分辨率的二維圖
圖3顯示了易于理解的不同技術的橫向和垂直分辨率能力的2D映射。請注意,垂直分辨率的對數標度跨越空間分辨率的幾個數量級。垂直分辨率受到系統噪聲的限制,與數字掃描技術相比,諸如旋轉盤和振鏡之類的移動組件具有更高的噪聲。
表4.對于具有廣泛表面紋理,粗糙度和磨損率的樣品,選擇不同的技術。(請注意-NA-表示不適用,無法使用該技術)
顯然,沒有“通用”技術用于表面形貌表征來了解其對摩擦學的影響。例如,由于潤滑機理的轉變,具有特定形狀和幾何形狀的微織構表面顯示出超低的磨損率,該研究將需要諸如焦點變化和干涉法之類的技術的組合(參見表4)。由于不可接受的本底噪聲,在通用摩擦計中使用常規的輪廓儀會產生較差的結果。
但是,Ducom輪廓儀具有高度的通用性,因為它在一個頭部中具有三合一,焦點變化,共焦和干涉測量技術,因此可以連接不同的長度標度 和空間分辨率,并且可以適應任何摩擦學應用要求。此外,在較大區域上進行XY掃描時,使用的是數字光柵方法,而不是傳統的旋轉圓盤方法。人們可以在傳統的硬盤驅動器(HDD)與固態驅動器(SSD)之間進行類比。
原位輪廓儀(Ducom Unitest)沒有活動部件,該系統保證了行業領先的精度,低噪聲本底,更快的響應時間和幾乎零維護(請參閱表5)。
表5. Ducom輪廓儀與通用摩擦儀中提供的其他技術的比較
我們的客戶經驗表明,帶有原位輪廓儀的Ducom Unitest開放式平臺為各種摩擦學研究和表面表征提供了最高標準,可將亞微米至幾毫米的多種長度尺度的表面形貌聯系起來。