干摩擦条件下晶体硅材料摩擦磨损性能的试验研究

发布时间：2017-06-24 18:15

  本文关键词：干摩擦条件下晶体硅材料摩擦磨损性能的试验研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：单晶硅作为微机电系统的基础材料,它在干摩擦下的摩擦磨损性能会直接影响到微机电系统的物理机械性能。故本文考虑到影响单品硅摩擦磨损性能的因素,从工况条件与表面处理两个方面,对其摩擦磨损性能、磨痕形貌特征以及磨损机理进行了系统的研究。 选择氮化硅/硅、钢/硅以及玛瑙/硅三种摩擦副,在UMT-2微摩擦磨损试验机上对单晶硅材料进行摩擦磨损试验,研究载荷、转速和对偶材料对其摩擦磨损性能的影响,并用金相显微镜、Micro-XAM型三维共聚焦表而形貌仪分析了试样磨痕的形貌与磨损量。结果表明,摩擦系数随着载荷或转速的提高而随之降低；上下试样的磨损量随着载荷或转速的提高而升高。并且在转速和载荷相同时,钢/硅摩擦副具有最大的摩擦系数。同时探究了沟槽型表面纹理对于单晶硅摩擦性能的影响,发现单晶硅表面纹理的存在既可能增摩也可能减摩,间距对于摩擦性能影响较小,而滑动夹角影响较大。 在纳米划痕仪上进行低载条件下单晶硅痕试验,分析了压入深度与施加载荷的关系。结果说明,压入深度首先随着载荷增大而线性增长,当载荷为80mN时,压入深度曲线出现拐点,压入深度随着载荷增加而迅速增加。 用数学方法分析磨痕轮廓特征参数,从轮廓拟合、高度分布以及截面粗糙度参数三个方面探讨表面轮廓参数与摩擦学特性的关系。结果表明：发现转速和载荷较小时,轮廓高度分布近似呈现高斯分布,转速与载荷增大时,轮廓曲线拟合度变高,轮廓高度分布近似呈现均匀分布,磨损表面三维高度偏差增大,进而导致摩擦系数降低,磨损率增大。 通过扫描电镜和能谱仪等对单晶硅磨痕进行表征,结果表明：转速的增加会使磨痕表面变得光滑,这与氧化加剧及氧化层的形成有关。不同载荷条件下磨痕表面形貌十分相似,以粘着磨损和磨粒磨损为主,载荷的增大使磨损程度上更加严重。不同的对偶材料使得单晶硅表面呈现出截然不同的形貌特征,说明对偶件硬度和成分对于磨损机理有很大影响。
【关键词】：单晶硅 干摩擦 摩擦磨损 粗糙度 磨损机理
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH117.1
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-12
• 1 绪论12-22
• 1.1 研究背景12
• 1.2 晶体硅摩擦学性能研究现状12-14
• 1.2.1 宏观摩擦性能13-14
• 1.2.2 微观摩擦性能14
• 1.3 干滑动中影响摩擦磨损性能的主要因素14-17
• 1.3.1 外部因素15-16
• 1.3.2 表面处理16-17
• 1.4 摩擦理论概述17-20
• 1.4.1 摩擦理论17-19
• 1.4.2 磨损机理19-20
• 1.5 论文意义与内容20-22
• 1.5.1 研究意义20
• 1.5.2 研究内容20-21
• 1.5.3 研究技术路线框图21-22
• 2 实验材料与方法22-32
• 2.1 实验仪器及设备22-26
• 2.1.1 UMT-2微摩擦磨损试验机22-24
• 2.1.2 纳米划痕仪24-25
• 2.1.3 白光干涉三维形貌仪25-26
• 2.2 实验材料26-27
• 2.3 实验方案27-29
• 2.3.1 三种摩擦副条件下摩擦磨损试验方案27-28
• 2.3.2 表面纹理摩擦磨损性能试验方案28
• 2.3.3 低载条件下摩擦磨损性能试验方案28-29
• 2.4 磨损参数测量29-32
• 2.4.1 球的磨损体积的测量29-30
• 2.4.2 硅片的磨损体积的测量30-32
• 3 单晶硅表面的摩擦磨损试验32-62
• 3.1 引言32
• 3.2 单晶硅与氮化硅球对摩条件下摩擦磨损性能32-40
• 3.2.1 摩擦性能分析32-37
• 3.2.2 磨损性能分析37-40
• 3.3 单晶硅与钢球对摩条件下摩擦磨损性能40-46
• 3.3.1 摩擦性能分析40-44
• 3.3.2 磨损性能分析44-46
• 3.4 单晶硅与玛瑙球对摩条件下摩擦磨损性能46-53
• 3.4.1 摩擦性能分析46-50
• 3.4.2 磨损性能分析50-53
• 3.5 三种摩擦副摩擦性能对比53-55
• 3.6 表面纹理摩擦性能试验55-58
• 3.7 低载划痕试验58-60
• 3.8 本章总结60-62
• 4 磨痕表面形貌特征分析62-72
• 4.1 引言62
• 4.2 转速对形貌特征影响62-66
• 4.2.1 轮廓拟合62-64
• 4.2.2 高度分布64-65
• 4.2.3 截面粗糙度65-66
• 4.3 载荷对形貌特征影响66-69
• 4.3.1 轮廓拟合66-68
• 4.3.2 高度分布68-69
• 4.3.3 截面粗糙度69
• 4.4 对偶材料对形貌特征影响69-71
• 4.5 本章总结71-72
• 5 单晶硅表面的摩损机理分析72-84
• 5.1 引言72
• 5.2 不同转速对磨损机理的影响72-76
• 5.3 不同载荷对磨损机理的影响76-79
• 5.4 不同对偶材料对磨损机理的影响79-82
• 5.5 本章总结82-84
• 6 总结与展望84-86
• 6.1 全文工作总结84-85
• 6.2 研究展望85-86
• 参考文献86-90
• 作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果90-94
• 学位论文数据集9

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 张威,张大成,王阳元;MEMS概况及发展趋势[J];微纳电子技术;2002年01期

2 张德坤;葛世荣;;碳离子注入对硅片微摩擦学行为的影响[J];材料研究学报;2007年04期

3 孙玉利;左敦稳;朱永伟;李军;王珉;;不同摩擦偶件对单晶硅摩擦磨损行为影响的对比研究[J];硅酸盐学报;2011年06期

4 于海武;袁思欢;孙造;王晓雷;;微凹坑形状对试件表面摩擦特性的影响[J];华南理工大学学报(自然科学版);2011年01期

5 ;Scale dependence of tensile strength of micromachined polysilicon MEMS structures due to microstructural and dimensional constraints[J];Chinese Science Bulletin;2001年16期

6 翟文杰,齐毓霖;干摩擦下金属表面膜及其磨粒对摩擦行为及自生电势的影响[J];摩擦学学报;2001年01期

7 汪久根,RYMUZA Z;硅晶体纳米压痕试验与应力场分析[J];摩擦学学报;2001年06期

8 邓昭,饶文琦,任天辉,余来贵,刘维民,余新良;微机电系统的微观摩擦学研究进展[J];摩擦学学报;2001年06期

9 贾均红,周惠娣,王静波,周华,陈建敏;青铜-石墨复合材料在干摩擦和水润滑下的摩擦磨损性能及磨损机理研究[J];摩擦学学报;2002年01期

10 周峰,陈淼,刘维民;硅表面聚苯乙烯自组装超薄膜的制备及摩擦磨损性能研究[J];摩擦学学报;2002年02期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 董云开;微尺度形貌修饰硅表面的摩擦特性研究[D];清华大学;2007年

  本文关键词：干摩擦条件下晶体硅材料摩擦磨损性能的试验研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：479048