原始研究的文章

前面。动力机械。Eng。,2023年3月02
秒。摩擦学
卷9 - 2023 | https://doi.org/10.3389/fmech.2023.1019979

一个力控制摩擦计pre-sliding在纳米尺度测量

Junxiao杜 ¹

史蒂夫·富兰克林 ^1、2

巴特·韦伯 ^1、3*

¹先进的纳米研究中心(ARCNL),荷兰阿姆斯特丹
²材料科学与工程系,谢菲尔德大学,英国谢菲尔德
³Van der Waals-Zeeman研究院物理研究所,大学阿姆斯特丹,荷兰阿姆斯特丹

pre-sliding摩擦政权,接口部分和部分滑动。pre-slip认为是在本地启动在区域的界面剪切应力的比值正常压力超过临界值。所涉及的位移pre-slip可以限制在纳米尺度上,尤其是对僵硬的接口。此外,所知甚少对表面形貌之间的相互作用实验,pre-sliding行为和磨损。在这项工作中,我们引入一个pre-sliding摩擦计,使pre-sliding摩擦如何研究各种类型的ball-on-flat发展穿的函数接口。Polytetrafluoroethylene-on-silicon (PTFE-on-Si) pre-sliding测量覆盖50纳米界面位移,进行新仪器,显示良好的协议与Mindlin理论预测,没有可调参数。

1介绍

的快速收缩特征尺寸在微机电系统(MEMS),光学设备和集成电路(IC)转化为越来越高要求的性能定位系统用于生产。在这样的系统中,当样品及其载体并不像这些表面完全平坦和并行厮守在一起,摩擦表面之间的相对运动将被拒绝的接口。的摩擦应力引起应变可以阻碍定位精度和可重复性(加西亚和Sniegowski, 1995年;Kolesar et al ., 2004;Iwasaki et al ., 2012;金正日et al ., 2012)。MEMS和IC产业定位精度和可重复性是至关重要的,而广泛使用的硅基材料有高刚度这意味着从静态到动态的转变摩擦涉及小变形。随着器件特征尺寸减小到纳米尺度,摩擦行为在这个规模会导致控制错误和不稳定。要解决这些问题,更好地理解宏观multi-asperity界面的摩擦行为受到纳米尺度变形是必需的。

pre-sliding,应用切向力趋于最大静态或动态摩擦力、接触面积进行滑动的一部分(Parlitz et al ., 2004)。有趣的是,这逐渐出现滑动中观察到的各种实验(沙利et al ., 2018;韦伯et al ., 2019;Willemet et al ., 2021;Farain波恩,2022)与控制滑动的观察到的不稳定(Ben-David et al ., 2010 a;Ben-David et al ., 2010 b)和预测(彭et al ., 2019;Schar et al ., 2021)在较大的系统中,如在地震,大部分弹性相互作用发挥更主要的作用。Pre-sliding摩擦行为被达尔模型描述经验,切向力和位移之间的关系从弹性坚持耗散滑动平稳过渡作用力的方法动态摩擦力。后来达尔模型的方法,如LuGre模型,鲁汶模型和GMS模型,包括多个参数捕获速度依赖性和滞后的摩擦力(薄和Pavelescu, 1982;Canudas-de-Wit 1998;Swevers et al ., 2000;痈Mangialardi, 2008;Lukovic 2019)。

通过分析,Mindlin (1949)发现正常和切向刚度的比值的线性弹性和理想光滑sphere-on-flat接触相同的材料间的关系如下: $k_{⊥} ∕ k_{∥} = (2 - v) ∕ (2 - 2 v)$ ,在那里 $v$ 材料的泊松比。这个关系可以扩展到multi-asperity佩尔森联系人通过理论和计算机模拟(Berthoud Baumberger, 1998;坎帕纳et al ., 2011;Yastrebov et al ., 2015)。以外的弹性响应multi-asperity联系人,pre-slip也被调查分析(均,1938;约翰逊,1985)和数值。边界元法计算已经发展的pre-slip使计算结果从一个外部作用力下假设当地的摩擦系数等于全球摩擦系数(Mishra et al ., 2019)。这种假设最近被验证实验通过使用剪切应力敏感的荧光分子探针(许et al ., 2022)。

它一直在挑战调查pre-sliding小位移尺度实验。科文et al。(2004)观察pre-sliding位移为多晶硅接口300海里,这取决于表面处理。Al-Bender和德Moerlooze (2010)开发了一种位移控制摩擦计pre-sliding pre-sliding距离测量,即。,距离可以变形前的界面发生滑动,总值大约是40µm。也观察到类似的pre-sliding距离黄和Zum•加尔(2003)。

在精密定位的背景下,pre-sliding硬材料在sub-Newton负载下的行为导致纳米尺度位移是感兴趣的。然而,纳米尺度位移实验很难研究,因为大多数商业摩擦计缺乏所需的精密观测到纳米级pre-sliding multi-asperity接口(Dion et al ., 2013)。此外,pre-sliding行为预计将显著影响穿:在制造MEMS和IC的定位设备的表面遇到新鲜,以前没有样品表面制造的产品。因此,是一个伟大的需要之间的相互作用非线性pre-sliding行为的实验研究在纳米尺度上,穿引起的接触以前没有表面(夏朝et al ., 2020)。

在这项工作中,力控制摩擦计,介绍了可测量非线性,pre-sliding摩擦行为与切向刚度高达10接口⁵纳米⁻¹。摩擦计雇佣了一个干涉仪测量界面位移与纳米精度。摩擦计也旨在使“non-repeated”穿滑块接触一个新的实验,还没穿破的柜台面在每个pre-sliding周期通过自动定位系统。

因此提出了摩擦计使pre-sliding行为的深入研究及其地形和穿在工业相关条件下的依赖。我们提出PTFE-on-Si pre-sliding测量和实验证实Mindlin预测的法向力相关的切向界面刚度理论,没有可调参数。

2的概念和设计pre-sliding摩擦计

图1显示了一个示意图的pre-sliding摩擦计。摩擦计可以分为四个单元:1)提供正常和切向载荷的加载阶段通过柔性弹簧的接口。2)定位阶段之间移动平面试样容器pre-sliding周期,以便non-repeated摩擦实验(见上图)。3)一个干涉仪测量滑块的位移对试样容器在pre-sliding和4)一个滑块,主机三种固定化小球形成一个平面平行试样容器表面。

图1

图1。的pre-sliding摩擦计。(一)安装的示意图。(B)设置的照片。

摩擦计的加载单元由三部分组成:一个切向执行机构(第1部分),一个正常的致动器(第2部分)和一组三个平行弹簧(3)部分的总设计刚度是150海里⁻¹(50海里⁻¹每年春天的刚度)。所有执行机构由粘滑运动驱动压电单元。切向执行机构可以提供一个横向位移在一系列18毫米和正常的致动器可以提供一个正常的位移在一系列21毫米。这两个驱动器都有1纳米的分辨率(转化为0.15µN通过三个平行弹簧的刚度)和可重复性的50 nm(7.5µN当增加平行弹簧刚度)。这种设计使同时侧向加载和正常的界面。三个弹簧固定铰链支持连接到平台的正常和切向执行机构和固定在滑块单元。弹簧均匀分布在滑块与60°角点之间的依恋。这种设计保证正常和切向载荷均匀地转移通过致动器的位移。基于兴趣的滑动距离是在纳米尺度,而加载阶段在毫米范围内旅行,它是合理的治疗的滑块一端固定弹簧。通过控制致动器的位置平台,支持力F_N和切向力F_T施加在接口可以控制的范围F_N= 7.5 -2000 mN和F_T=−30 - 30 mN,分别。

定位单元包括三个执行机构,控制样品的运动载体在X(第4部分)和Z(第5部分)方向以及旋转试样容器的Z设在(第6部分)。试样容器(10)部分放置直径300毫米的执行机构。这三个自由度使滑块与承运人联系在任何期望的位置pre-sliding non-repeated时尚如上所述,在实验(夏朝et al ., 2020;夏朝et al ., 2022)。101326独特的点在一个示例可以访问。1公斤的重量放在样品的中心,避免样品之间的相对位移和动平台。

干涉仪单元包含一个传感器执行器(第7部分)和激光头(8)部分照亮一个retro-reflector(9)一部分。激光头安装在一个兼容和内在站(11)部分刚度X方向K_X= 5∙10³纳米⁻¹。在测量期间,站(11)部分被带入接触试样容器(10)部分的预装大约1 N通过移动传感器执行器。这种接触是确保激光头之前样品的运动载体,可以记录滑块之间的相对位移和示例。激光头是迈克耳孙干涉仪嵌入一个分束器。retro-reflector夹在滑块,延伸向传感器头缩短干涉仪工作距离,提高信号振幅。3毫米直径retro-reflector角落多维数据集几何,镀上了一层银提高反射。

滑块单元包含一个冰球持有者(12)部分哪些主机三个球,一个干涉仪retro-reflector(9)部分和一个冰球夹(14)。这三个球持有人是嵌入式的+X设在60、180和300°x - y平面上的位置。三个球的顶端形成一个平面平行的冰球finish。冰球然后对齐是平行于样品表面。一致的冰球夹样品平行,三个相同的调整针(15)部分指向- z方向位于相同的角度对冰球夹球。在框架上,三个V-grooves(13)部分是相同的X- - - - - -Y主办别针。每个v型槽包含两个单独的铜块,形成一个90°槽。总共为每个块(6),一个独特的正电压0.15 V至4.98 V(详细:0.15 V;0.31 V;0.62 V;1.24 V;2.49 V;4.98 V)应用和冰球夹停飞。通过测量总系列电压,调整针和v型槽块之间的所有可能的联系组合可以破译。

控制软件开发操作系统完全自动化的方式。正常和切向载荷作为时间的函数和测试周期可以应用在pre-sliding实验通过自动化控制的加载阶段的运动。在pre-sliding周期之间,软件自动分离tribopairs和取代试样容器,这样下一个pre-sliding周期由以前的样本上没有位置。软件也同步数据收到阶段和干涉仪的内部时钟(5 kHz)这样可以获得同步的力-位移数据。

3材料和方法

本研究中使用的滑块样品3.18毫米直径聚四氟乙烯球体(格拉汉姆·古德费勒,fp30 - sp - 000120)。均方根(rms)球体的表面粗糙度是大约0.46µm,通过衡量光学轮廓测定法(日本基恩士VK-X1100) 30μm²×30μm²球面曲率区域后删除。样品是一个直径300毫米的双面抛光硅片(UniveristyWafer,测试成绩)。rms晶片的表面粗糙度小于5纳米的AFM 30μm(力量维度图标)²×30μm²区域。聚四氟乙烯球模量减少592±47 MPa来衡量通过nanoindentation (FemtoTools FT-I04)。这转化为203±16 MPa的剪切模量(朗道et al ., 1960使用聚四氟乙烯泊松比)ν₁= 0.46提供的供应商(格拉汉姆·古德费勒)。< 100 >硅晶片的模量减少151±17 GPa来衡量通过nanoindentation (FemtoTools FT-I04)和计算剪切模量使用泊松比59±7的GPaν₂= 0.278 (氮化镓et al ., 1996)。

三个聚四氟乙烯球体被夹进了球持有者在冰球(12)对硅晶片,滑。首先,正常的致动器(第2部分)将补偿重力作用在滑块。当电子联系在V-grooves冰球夹表明,重力作用于冰球(几乎完全)是由弹簧加载,正常执行机构停止了。接下来,Z定位装置提高了试样容器创建接触形成的平面3分极点和硅晶片。这种接触再次检测通过V-grooves。通过进一步的试样容器,法向力施加在PTFE-on-Si界面增加。当正常负载施加在接口增加到7.5 mN, Z定位驱动器停止移动,恢复正常负载致动器向下移动直到达成预期的正常负载。通过这个加载序列,产生的振动Z定位执行机构运动被最小化,只允许影响联系在小正常加载。随后通过移动的切向载荷横向荷载阶段因此倾斜的三个加载弹簧在x z平面上。最大倾斜角度为0.5°导致0.88%的正常负载变化而被忽略。

Pre-sliding non-repeated滑动的方式进行实验,因为穿的行为可以强烈影响滑块磨损碎片如果滑动重复在同一地点(夏朝et al ., 2020)。的3分球就从每个pre-sliding测量后样品表面。随后样品载体旋转了0.18°之间再次联系了前3分球和硅晶片区域之前没有样品。此外,增加“着陆地点”的总数长磨损实验中,样品的3分球可以放置在不同径向距离的中心圆片样品。毕竟网站在一个圆周探访,X定位装置将试样容器0.35毫米的X方向的滑块可以在晶片接触先前从未接触过的地区样本。晶片上的两个接触点之间的最小距离因此在轴向方向和0.32毫米0.35毫米在径向方向。样品的倾斜表面的3分球是最小化,以确保所有三个球接触到样品表面在50µm Z的正常位移定位装置。3分冰球和样品表面之间的偏差可以最大限度导致侧向力变化每0.7µN微不足道的接触切向力在这个研究。

4的结果

在PTFE-on-Si pre-sliding测量,接口顺序中加载+ X - X和+ X方向,确保pre-slip可以确定通过比较实测位移在0切向力,F_T= 0 (图2一个)。Pre-sliding测量在正常负载分别为75、150、225和300 mN。切向力振幅是固定在5 mN,而切向加载速率为7.5 mN / s。对切向载荷,切向位移约50海里可以观察到,这是远低于前面pre-sliding实验中观察到的位移的范围(黄和Zum•加尔,2003年;Al-Bender De Moerlooze, 2010)。可以看出,大部分的切向位移是可恢复的,因此弹性,而部分纳米尺度下发生。pre-sliding响应分析模型可以描述相当不错的开发均和Mindlin (约翰逊,1985)。从pre-sliding force-distance曲线(图2一个),一个pre-sliding距离以及切向界面刚度可以提取。两个数量显示系统的法向力的依赖。减去pre-sliding位移测量的位移测量之前无意中加载界面,以及后无意中加载5 mN +X应用切向载荷方向然后返回0。令人印象深刻的是,pre-sliding位移被可靠地检测到几纳米的宏观上加载PTFE-on-Si联系人。pre-sliding位移减少从8海里的正常负载F_N= 75 mN的正常负载4海里F_N= 300 mN,即。,更pre-sliding发生在正常负载较低。这些纳米尺度pre-sliding位移实际上是预测的均和千分尺测量实验规模的古典作品约翰逊(1955),但到目前为止从未观察到纳米尺度的实验。相对切向位移的分析预测,直接接触后给出了加载和卸载约翰逊(1985)和Mindlin et al。(1952):

δ_{年代 l 我 p} = \frac{3 μ F_{N}}{16 一个} (\frac{2 - ν_{1}}{G_{1}} + \frac{2 - ν_{2}}{G_{2}}) [{2 (1 - \frac{F_{T}}{2 μ F_{N}})}^{\frac{2}{3}} - {(1 - \frac{F_{T}}{μ F_{N}})}^{\frac{2}{3}} - 1] (1)

在那里, $δ_{年代 l 我 p}$ 是部分滑移引起的切向位移,或pre-sliding。 $F_{T}$ 和 $一个$ 的最大应用切向载荷和赫兹接触半径,分别。 $μ F_{N}$ 最大摩擦力。 $ν$ 和 $G$ 泊松比和弹性剪切模的两个接触的材料。虽然我们观察正常负荷较小的滑动距离比预期的低,实验上观察到的总体规模和趋势滑动距离和分析预测是一致的。

图2

图2。(一)Pre-sliding磁滞曲线测量3-PTFE-balls / Si接口75 mN和300 mN集体正常负载。(B)切向刚度和pre-sliding 3-PTFE-balls /硅界面的距离在不同的正常负载。点代表实验而颜色区域表示从情商理论预测。1和情商。2使用所提供的参数及其不确定性在材料和方法部分。摩擦系数,我们使用 $μ$ = 0.07。误差线表示标准偏差从五个独立pre-sliding实验,获得每个进行不同的聚四氟乙烯和Si样本。

获得切向界面刚度、线性适应是绝对force-distance曲线的切向力 $F_{T}$ 在1 - 4 mN向前和向后的部分。切向刚度增加系统的正常负载(图2 b)(1.13±0.07)×10⁵N / m (1.58±0.09)×10⁵N / m。我们比较了测量切向界面刚度独立Mindlin理论预测。切向界面刚度, $K_{T}$ 是近似的假设下弹性接触的理想光滑sphere-on与很小的局部滑移平面接口(约翰逊,1985):

K_{T} = \frac{F_{T}}{δ_{e l 一个 年代 t 我 c}} = \frac{8 一个}{(\frac{2 - ν_{1}}{G_{1}} + \frac{2 - ν_{2}}{G_{2}})} (2)

完整协议之间的实验观察和独立Mindlin理论预测(图2 b)。除了pre-sliding位移和切向界面刚度、面积内force-distance磁滞回线可以从测量数据中提取。这个区域显示多少能量消散在pre-sliding通过摩擦磨损实验,也可以被视为接口的韧性。我们发现耗散能量从大约138 pJ 57 pJ正常部队从75 mN 300 mN,分别为:更多的能量消散在低法向力滞回线因为那些涉及更多pre-sliding。

5讨论

新近发展起来的力控制pre-sliding摩擦计测量纳米尺度pre-sliding位移。纳米滑移距离被观察到宏观multi-asperity PTFE-on-Si联系人的联系人被50 nm变形无关地。这些测量地址pre-sliding行为在长度范围内,以前无法访问(黄和Zum•加尔,2003年;Al-Bender De Moerlooze, 2010),从而使许多pre-sliding联系人(未来的试验研究Berthoud Baumberger, 1998;坎帕纳et al ., 2011的上下文中)的接口。

交配材料的表面形貌是影响界面切向刚度(王et al ., 2010)。在我们的实验中,联锁摩擦预计不会发生在硅晶片上的地势很低(彭et al ., 2022)。相反,滑可能发生通过nanometrically薄聚四氟乙烯薄膜的转移(梅金森和大卫,1964年)。当地的切向正应力比控制弹性或滑动位移发生在本地(均,1938;约翰逊,1985;Bazrafshan et al ., 2020;许et al ., 2022)。通过应用Mindlin理论,我们在pre-sliding忽视了表面形貌的影响。这是一个合理的近似,因为在这项研究中的实验应用正常加载结果很大一部分(0.5∼)的名义接触面积的PTFE-on-Si接触研究,就像之前所示使用荧光显微镜成像PTFE-on-glass联系人(韦伯,2017)。在以后的实验中,真实的名义接触面积的比率可以减少通过一个适当的接触材料的选择和条件(夏朝et al ., 2021)和表面形貌和pre-sliding行为之间的相互作用可以系统地调查。

之间的接口材料硬比研究,个人接触连接的平均尺寸会变小。这意味着接触应力施加在接触连接减少的最大价值,潜在订单的材料的硬度,为零,从接触的中心结结在纳米尺度接触的边缘距离(2021年pham ba和莫利纳里)。因此pre-sliding行为,这是敏感的个人接触的几何连接将发生在一个更小的长度尺度比观察。未来改善目前pre-sliding仪器可以使这种pre-sliding观察硬接触。

6结论

描述了一个高球pre-sliding摩擦计及其工作机制是解释说。通过干涉法、纳米尺度切向位移在PTFE-on-Si接口记录,远远超出了先前pre-sliding的精密测量。实验数据显示pre-sliding的进化距离,切向界面刚度和pre-sliding能量耗散的函数不同的装载条件:pre-sliding距离减少增加正常负载而切向界面刚度正常负荷增加而增加。良好的协议与实验结果之间的切向刚度Mindlin sphere-on-flat接触的理论,没有可调参数,获得了。在未来的工作中,仪器将用于研究磨损之间的相互作用引起的non-repeated滑动和pre-sliding行为,这是重要的精密定位应用程序的上下文中。

数据可用性声明

原始数据支持了本文的结论将由作者提供,没有过度的预订。

作者的贡献

科幻和BW设计项目。JD进行实验和分析数据与BW的援助。JD和BW写的原稿。科幻小说和BW回顾了手稿。

资金

这个项目收到了来自荷兰金融支持研究委员会(项目号VI.Veni.192.177)。

确认

作者欣然承认许多同事在AMOLF作出的贡献,飞利浦工程解决方案(PES)和ARCNL:珀斯Dekkers, Thanh非政府组织和任正非Verhees从PES准备仪器的概念和详细设计;马可Konijnenburg AMOLF软件工程学系的发展软件与仪器控制;电子工程学系的邓肯Verheijde AMOLF他的帮助在发展中接触沟槽和同步;机械工程学系的亲戚Iliya Cerjak AMOLF他的帮助在设计机器零件;马克·摩尔从ARCNL技术支持;奥拉夫詹森,Menno Borsboom Wouter van der Weijden,尼尔斯Winkelaar,韦塞尔兹瓦特,里卡多Eliazer,林登马克核和Jan van der AMOLF精密制造部门的生产定制的部分仪器。这项工作一直在进行先进的纳米研究中心(ARCNL),阿姆斯特丹大学的公私合作伙伴关系(UvA), sccp的阿姆斯特丹,荷兰研究委员会(NWO)和半导体设备制造商ASML。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。

引用

Al-Bender F。,德Moerlooze k (2010)。在正常负载与摩擦力之间的关系pre-sliding摩擦接触。第1部分:理论分析。穿269 (3 - 4),174 - 182。doi: 10.1016 / j.wear.2010.02.010