應用介紹

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。