矩阵磁场下硅基微器件的纳米磁性液体润滑研究
发布时间：2020-12-26 16:27
相对于传统机械而言,微型器件由于尺寸效应,其表面摩擦力及粘着力等带来的磨损问题更为突出。由于缺乏可靠的润滑手段,严重阻碍了微器件的开发和应用。为此,本文尝试采用纳米磁性液体作润滑剂,通过构建一种矩阵磁场,并设计加工出硅基微器件进行摩擦磨损试验,探讨外加矩阵磁场作用下磁性液体在硅基表面形成的纹理图案及控制方法,研究其的摩擦学特性及润滑机理。通过计算纳米磁性液体在磁场中的受力情况,确定纳米磁性液体受力的主要影响因素;并进一步根据磁场修正的纳米磁性液体伯努利方程,探讨磁场作用对纳米磁性液体分布位置的影响关系,为矩阵磁场的设计以及纳米磁性液体的磁控润滑提供理论依据。针对所用的销-盘往复式摩擦试验台的结构特征及工作原理,设计出能够提供矩阵磁场的销-盘摩擦副试件。其中,摩擦副的下试件（盘）为抛光单晶硅片,下方采用细圆柱形永磁体磁柱形成矩阵磁场,并通过改变磁柱间距及高度实现磁场调节;摩擦副的上试件（销）为采用深反应离子刻蚀（DRIE）技术加工出的带有微型直线条纹的硅基微器件,并利用扫描电子显微镜和激光共聚焦显微镜对其加工质量进行了表征。基于电磁场理论,利用ANSYS软件对所设计的下试件进行磁场仿真,...
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：105 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
微齿轮传动机构磨损后扫描电镜图像
1 绪论易被甩出摩擦区域。因此，纳米磁性液体被尝试应用于微器件的润过施加磁场防止流失。吴健[21]在自研的微摩擦磨损试验台上，以低性液体作为润滑剂，通过改变永磁体高度来调节磁场强度来实现硅控润滑，其工作原理如图 1-2 所示，不仅能够将纳米磁性液体吸附，还能提高其承载能力，达到较好的减摩效果。随后，费菲[22]在吴上，进一步优化了纳米磁性液体对硅基微器件的磁控润滑模型，提擦状态下实施不同强度磁场的磁控润滑方案，获得了更好的润滑效们的研究主要集中于调节外部磁场强度控制纳米磁性液体的粘度来滑效果，并且其外部磁场为单一磁源，仍无法了解外部磁场的分布体润滑剂的摩擦学性能之间的关系。
图 1-3 Waits 硅基微旋转涡轮结构组成示意图以及磨损失效扫描电镜照片Figure1-3 The schematic diagram of the structure and the SEM images after wear failure of Waitssilicon-based micro-rotary turbine综合国内外大量研究资料，主要分为固体薄膜润滑、有机分子膜润滑、气相润滑和液体润滑。在微器件的研究初期研究人员通过增加硅表面的粗糙度以减小接触面之间的粘着问题，但大量研究表明这条路行不通[31-32]。后来研究人员参考了宏观摩擦副的处理方式，在接触表面添加摩擦学性能更好的固体材料涂层来降低微型器件的摩擦[33]。在涂层的制备工艺方面，化学气相沉积、等离子体注入与沉积、真空电弧沉积等工艺被提出[34-35]。在涂层材料的研究方面，研究人员对镍、陶瓷、氮化硅、石墨烯等材料所制涂层进行相应的试验，结果表明，各种材料的固体薄膜能在不同程度上降低接触面摩擦系数[36-38]。但是固体薄膜的加工技术难度较大，且薄膜的寿命较短，限制了固体薄膜润滑技术的应用。除了固体薄膜外，研究人员还尝试在微器件表面制备有机分子膜，达到改善器件摩擦学性能的目的。目前应用较广的有 LB 膜和自组装膜，LB 膜是通过物理的方式添加，而自组装膜则是通过化学作用进行制备[39-41]。有机分子膜因其制
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于经验模态分解和深度卷积神经网络的行星齿轮箱故障诊断方法[J]. 胡茑庆,陈徽鹏,程哲,张伦,张宇. 机械工程学报. 2019(07)
[2]基于Pearson评价法的室内污染源辨识研究[J]. 于水,贺廉洁,于知田,冯国会. 沈阳建筑大学学报(自然科学版). 2018(05)
[3]伯努利方程原理及其应用[J]. 吴明眼. 信息记录材料. 2018(09)
[4]多功能摩擦磨损试验机系统设计[J]. 包倩倩,赵楠楠,杨育林,杨向超. 轴承. 2018(08)
[5]往复式摩擦磨损试验机运动系统的参数优化及运动学分析[J]. 郝飞,何涛,王传礼,周大伟,马丁. 机械设计与研究. 2018(02)
[6]纳米磁性流体应用的研究现状及发展[J]. 封士彩. 科技与创新. 2017(21)
[7]润滑剂润滑机理分析[J]. 阮少军,费逸伟,吴楠,彭显才,刘鸿铭. 化工时刊. 2017(08)
[8]超润滑:“零”摩擦的世界[J]. 郑泉水,欧阳稳根,马明,张首沫,赵治华,董华来,林立. 科技导报. 2016(09)
[9]往复条件下织构表面的摩擦学性能研究[J]. 马晨波,朱华,张文谦,姬翠翠. 摩擦学学报. 2011(01)
[10]摩擦学的进展和未来[J]. 雒建斌,李津津. 润滑与密封. 2010(12)
博士论文
[1]高温微气体动压轴承非等温气膜动力特性及箔片固体润滑涂层研究[D]. 张学清.重庆大学 2016
[2]硅基MEMS器件的液体润滑及纳米磁性液体磁控润滑研究[D]. 吴健.中国矿业大学 2015
[3]大间隙阶梯式磁性液体旋转密封的理论及实验研究[D]. 杨小龙.北京交通大学 2014
[4]表面修饰超顺磁Fe3O4纳米颗粒的合成及应用研究[D]. 周春姣.湖南大学 2010
[5]纳米磁性液体黏性和流体润滑力学性能研究[D]. 王利军.中国矿业大学 2008
硕士论文
[1]硅基微器件的表面处理及滑动摩擦性能研究[D]. 张海聪.中国矿业大学 2018
[2]摩擦试验机辅助装置设计与润滑油高温摩擦学性能研究[D]. 白新明.机械科学研究总院 2016
[3]介观尺度MEMS器件的纳米磁性液体磁控润滑研究[D]. 费菲.中国矿业大学 2016
[4]混合自组装膜共吸附法的制备及其微摩擦学性能研究[D]. 刘帅.中国矿业大学 2015
[5]非稳态条件下摩擦信号处理和状态识别技术研究[D]. 林助军.大连海事大学 2015
[6]基于磁性功能表面的磁流体润滑及其粘附行为研究[D]. 陈文.南京航空航天大学 2014
[7]磁性薄膜阵列作用下铁磁性材料的润滑特性研究[D]. 吴文彬.南京航空航天大学 2012
[8]不锈钢表面磁性织构润滑特性的研究[D]. 廖思捷.南京航空航天大学 2010
[9]氮化硅表面沉积DLC膜的均匀性与摩擦学特性研究[D]. 荆翠妮.哈尔滨工业大学 2010
[10]磁性液体在磁性表面织构作用下的润滑特性研究[D]. 沈聪.南京航空航天大学 2010
本文编号：2940055
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：105 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
微齿轮传动机构磨损后扫描电镜图像
1 绪论易被甩出摩擦区域。因此，纳米磁性液体被尝试应用于微器件的润过施加磁场防止流失。吴健[21]在自研的微摩擦磨损试验台上，以低性液体作为润滑剂，通过改变永磁体高度来调节磁场强度来实现硅控润滑，其工作原理如图 1-2 所示，不仅能够将纳米磁性液体吸附，还能提高其承载能力，达到较好的减摩效果。随后，费菲[22]在吴上，进一步优化了纳米磁性液体对硅基微器件的磁控润滑模型，提擦状态下实施不同强度磁场的磁控润滑方案，获得了更好的润滑效们的研究主要集中于调节外部磁场强度控制纳米磁性液体的粘度来滑效果，并且其外部磁场为单一磁源，仍无法了解外部磁场的分布体润滑剂的摩擦学性能之间的关系。
图 1-3 Waits 硅基微旋转涡轮结构组成示意图以及磨损失效扫描电镜照片Figure1-3 The schematic diagram of the structure and the SEM images after wear failure of Waitssilicon-based micro-rotary turbine综合国内外大量研究资料，主要分为固体薄膜润滑、有机分子膜润滑、气相润滑和液体润滑。在微器件的研究初期研究人员通过增加硅表面的粗糙度以减小接触面之间的粘着问题，但大量研究表明这条路行不通[31-32]。后来研究人员参考了宏观摩擦副的处理方式，在接触表面添加摩擦学性能更好的固体材料涂层来降低微型器件的摩擦[33]。在涂层的制备工艺方面，化学气相沉积、等离子体注入与沉积、真空电弧沉积等工艺被提出[34-35]。在涂层材料的研究方面，研究人员对镍、陶瓷、氮化硅、石墨烯等材料所制涂层进行相应的试验，结果表明，各种材料的固体薄膜能在不同程度上降低接触面摩擦系数[36-38]。但是固体薄膜的加工技术难度较大，且薄膜的寿命较短，限制了固体薄膜润滑技术的应用。除了固体薄膜外，研究人员还尝试在微器件表面制备有机分子膜，达到改善器件摩擦学性能的目的。目前应用较广的有 LB 膜和自组装膜，LB 膜是通过物理的方式添加，而自组装膜则是通过化学作用进行制备[39-41]。有机分子膜因其制
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于经验模态分解和深度卷积神经网络的行星齿轮箱故障诊断方法[J]. 胡茑庆,陈徽鹏,程哲,张伦,张宇. 机械工程学报. 2019(07)
[2]基于Pearson评价法的室内污染源辨识研究[J]. 于水,贺廉洁,于知田,冯国会. 沈阳建筑大学学报(自然科学版). 2018(05)
[3]伯努利方程原理及其应用[J]. 吴明眼. 信息记录材料. 2018(09)
[4]多功能摩擦磨损试验机系统设计[J]. 包倩倩,赵楠楠,杨育林,杨向超. 轴承. 2018(08)
[5]往复式摩擦磨损试验机运动系统的参数优化及运动学分析[J]. 郝飞,何涛,王传礼,周大伟,马丁. 机械设计与研究. 2018(02)
[6]纳米磁性流体应用的研究现状及发展[J]. 封士彩. 科技与创新. 2017(21)
[7]润滑剂润滑机理分析[J]. 阮少军,费逸伟,吴楠,彭显才,刘鸿铭. 化工时刊. 2017(08)
[8]超润滑:“零”摩擦的世界[J]. 郑泉水,欧阳稳根,马明,张首沫,赵治华,董华来,林立. 科技导报. 2016(09)
[9]往复条件下织构表面的摩擦学性能研究[J]. 马晨波,朱华,张文谦,姬翠翠. 摩擦学学报. 2011(01)
[10]摩擦学的进展和未来[J]. 雒建斌,李津津. 润滑与密封. 2010(12)
博士论文
[1]高温微气体动压轴承非等温气膜动力特性及箔片固体润滑涂层研究[D]. 张学清.重庆大学 2016
[2]硅基MEMS器件的液体润滑及纳米磁性液体磁控润滑研究[D]. 吴健.中国矿业大学 2015
[3]大间隙阶梯式磁性液体旋转密封的理论及实验研究[D]. 杨小龙.北京交通大学 2014
[4]表面修饰超顺磁Fe3O4纳米颗粒的合成及应用研究[D]. 周春姣.湖南大学 2010
[5]纳米磁性液体黏性和流体润滑力学性能研究[D]. 王利军.中国矿业大学 2008
硕士论文
[1]硅基微器件的表面处理及滑动摩擦性能研究[D]. 张海聪.中国矿业大学 2018
[2]摩擦试验机辅助装置设计与润滑油高温摩擦学性能研究[D]. 白新明.机械科学研究总院 2016
[3]介观尺度MEMS器件的纳米磁性液体磁控润滑研究[D]. 费菲.中国矿业大学 2016
[4]混合自组装膜共吸附法的制备及其微摩擦学性能研究[D]. 刘帅.中国矿业大学 2015
[5]非稳态条件下摩擦信号处理和状态识别技术研究[D]. 林助军.大连海事大学 2015
[6]基于磁性功能表面的磁流体润滑及其粘附行为研究[D]. 陈文.南京航空航天大学 2014
[7]磁性薄膜阵列作用下铁磁性材料的润滑特性研究[D]. 吴文彬.南京航空航天大学 2012
[8]不锈钢表面磁性织构润滑特性的研究[D]. 廖思捷.南京航空航天大学 2010
[9]氮化硅表面沉积DLC膜的均匀性与摩擦学特性研究[D]. 荆翠妮.哈尔滨工业大学 2010
[10]磁性液体在磁性表面织构作用下的润滑特性研究[D]. 沈聪.南京航空航天大学 2010
本文编号：2940055
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