矩陣磁場下硅基微器件的納米磁性液體潤滑研究
發(fā)布時間：2020-12-26 16:27
相對于傳統(tǒng)機械而言,微型器件由于尺寸效應,其表面摩擦力及粘著力等帶來的磨損問題更為突出。由于缺乏可靠的潤滑手段,嚴重阻礙了微器件的開發(fā)和應用。為此,本文嘗試采用納米磁性液體作潤滑劑,通過構建一種矩陣磁場,并設計加工出硅基微器件進行摩擦磨損試驗,探討外加矩陣磁場作用下磁性液體在硅基表面形成的紋理圖案及控制方法,研究其的摩擦學特性及潤滑機理。通過計算納米磁性液體在磁場中的受力情況,確定納米磁性液體受力的主要影響因素;并進一步根據(jù)磁場修正的納米磁性液體伯努利方程,探討磁場作用對納米磁性液體分布位置的影響關系,為矩陣磁場的設計以及納米磁性液體的磁控潤滑提供理論依據(jù)。針對所用的銷-盤往復式摩擦試驗臺的結構特征及工作原理,設計出能夠提供矩陣磁場的銷-盤摩擦副試件。其中,摩擦副的下試件（盤）為拋光單晶硅片,下方采用細圓柱形永磁體磁柱形成矩陣磁場,并通過改變磁柱間距及高度實現(xiàn)磁場調(diào)節(jié);摩擦副的上試件（銷）為采用深反應離子刻蝕（DRIE）技術加工出的帶有微型直線條紋的硅基微器件,并利用掃描電子顯微鏡和激光共聚焦顯微鏡對其加工質量進行了表征�；陔姶艌隼碚�,利用ANSYS軟件對所設計的下試件進行磁場仿真,...
【文章來源】：中國礦業(yè)大學江蘇省 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：105 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
微齒輪傳動機構磨損后掃描電鏡圖像
1 緒論易被甩出摩擦區(qū)域。因此，納米磁性液體被嘗試應用于微器件的潤過施加磁場防止流失。吳健[21]在自研的微摩擦磨損試驗臺上，以低性液體作為潤滑劑，通過改變永磁體高度來調(diào)節(jié)磁場強度來實現(xiàn)硅控潤滑，其工作原理如圖 1-2 所示，不僅能夠將納米磁性液體吸附，還能提高其承載能力，達到較好的減摩效果。隨后，費菲[22]在吳上，進一步優(yōu)化了納米磁性液體對硅基微器件的磁控潤滑模型，提擦狀態(tài)下實施不同強度磁場的磁控潤滑方案，獲得了更好的潤滑效們的研究主要集中于調(diào)節(jié)外部磁場強度控制納米磁性液體的粘度來滑效果，并且其外部磁場為單一磁源，仍無法了解外部磁場的分布體潤滑劑的摩擦學性能之間的關系。
圖 1-3 Waits 硅基微旋轉渦輪結構組成示意圖以及磨損失效掃描電鏡照片F(xiàn)igure1-3 The schematic diagram of the structure and the SEM images after wear failure of Waitssilicon-based micro-rotary turbine綜合國內(nèi)外大量研究資料，主要分為固體薄膜潤滑、有機分子膜潤滑、氣相潤滑和液體潤滑。在微器件的研究初期研究人員通過增加硅表面的粗糙度以減小接觸面之間的粘著問題，但大量研究表明這條路行不通[31-32]。后來研究人員參考了宏觀摩擦副的處理方式，在接觸表面添加摩擦學性能更好的固體材料涂層來降低微型器件的摩擦[33]。在涂層的制備工藝方面，化學氣相沉積、等離子體注入與沉積、真空電弧沉積等工藝被提出[34-35]。在涂層材料的研究方面，研究人員對鎳、陶瓷、氮化硅、石墨烯等材料所制涂層進行相應的試驗，結果表明，各種材料的固體薄膜能在不同程度上降低接觸面摩擦系數(shù)[36-38]。但是固體薄膜的加工技術難度較大，且薄膜的壽命較短，限制了固體薄膜潤滑技術的應用。除了固體薄膜外，研究人員還嘗試在微器件表面制備有機分子膜，達到改善器件摩擦學性能的目的。目前應用較廣的有 LB 膜和自組裝膜，LB 膜是通過物理的方式添加，而自組裝膜則是通過化學作用進行制備[39-41]。有機分子膜因其制
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于經(jīng)驗模態(tài)分解和深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的行星齒輪箱故障診斷方法[J]. 胡蔦慶,陳徽鵬,程哲,張倫,張宇. 機械工程學報. 2019(07)
[2]基于Pearson評價法的室內(nèi)污染源辨識研究[J]. 于水,賀廉潔,于知田,馮國會. 沈陽建筑大學學報(自然科學版). 2018(05)
[3]伯努利方程原理及其應用[J]. 吳明眼. 信息記錄材料. 2018(09)
[4]多功能摩擦磨損試驗機系統(tǒng)設計[J]. 包倩倩,趙楠楠,楊育林,楊向超. 軸承. 2018(08)
[5]往復式摩擦磨損試驗機運動系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化及運動學分析[J]. 郝飛,何濤,王傳禮,周大偉,馬丁. 機械設計與研究. 2018(02)
[6]納米磁性流體應用的研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J]. 封士彩. 科技與創(chuàng)新. 2017(21)
[7]潤滑劑潤滑機理分析[J]. 阮少軍,費逸偉,吳楠,彭顯才,劉鴻銘. 化工時刊. 2017(08)
[8]超潤滑:“零”摩擦的世界[J]. 鄭泉水,歐陽穩(wěn)根,馬明,張首沫,趙治華,董華來,林立. 科技導報. 2016(09)
[9]往復條件下織構表面的摩擦學性能研究[J]. 馬晨波,朱華,張文謙,姬翠翠. 摩擦學學報. 2011(01)
[10]摩擦學的進展和未來[J]. 雒建斌,李津津. 潤滑與密封. 2010(12)
博士論文
[1]高溫微氣體動壓軸承非等溫氣膜動力特性及箔片固體潤滑涂層研究[D]. 張學清.重慶大學 2016
[2]硅基MEMS器件的液體潤滑及納米磁性液體磁控潤滑研究[D]. 吳健.中國礦業(yè)大學 2015
[3]大間隙階梯式磁性液體旋轉密封的理論及實驗研究[D]. 楊小龍.北京交通大學 2014
[4]表面修飾超順磁Fe3O4納米顆粒的合成及應用研究[D]. 周春姣.湖南大學 2010
[5]納米磁性液體黏性和流體潤滑力學性能研究[D]. 王利軍.中國礦業(yè)大學 2008
碩士論文
[1]硅基微器件的表面處理及滑動摩擦性能研究[D]. 張海聰.中國礦業(yè)大學 2018
[2]摩擦試驗機輔助裝置設計與潤滑油高溫摩擦學性能研究[D]. 白新明.機械科學研究總院 2016
[3]介觀尺度MEMS器件的納米磁性液體磁控潤滑研究[D]. 費菲.中國礦業(yè)大學 2016
[4]混合自組裝膜共吸附法的制備及其微摩擦學性能研究[D]. 劉帥.中國礦業(yè)大學 2015
[5]非穩(wěn)態(tài)條件下摩擦信號處理和狀態(tài)識別技術研究[D]. 林助軍.大連海事大學 2015
[6]基于磁性功能表面的磁流體潤滑及其粘附行為研究[D]. 陳文.南京航空航天大學 2014
[7]磁性薄膜陣列作用下鐵磁性材料的潤滑特性研究[D]. 吳文彬.南京航空航天大學 2012
[8]不銹鋼表面磁性織構潤滑特性的研究[D]. 廖思捷.南京航空航天大學 2010
[9]氮化硅表面沉積DLC膜的均勻性與摩擦學特性研究[D]. 荊翠妮.哈爾濱工業(yè)大學 2010
[10]磁性液體在磁性表面織構作用下的潤滑特性研究[D]. 沈聰.南京航空航天大學 2010
本文編號：2940055
【文章來源】：中國礦業(yè)大學江蘇省 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：105 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
微齒輪傳動機構磨損后掃描電鏡圖像
1 緒論易被甩出摩擦區(qū)域。因此，納米磁性液體被嘗試應用于微器件的潤過施加磁場防止流失。吳健[21]在自研的微摩擦磨損試驗臺上，以低性液體作為潤滑劑，通過改變永磁體高度來調(diào)節(jié)磁場強度來實現(xiàn)硅控潤滑，其工作原理如圖 1-2 所示，不僅能夠將納米磁性液體吸附，還能提高其承載能力，達到較好的減摩效果。隨后，費菲[22]在吳上，進一步優(yōu)化了納米磁性液體對硅基微器件的磁控潤滑模型，提擦狀態(tài)下實施不同強度磁場的磁控潤滑方案，獲得了更好的潤滑效們的研究主要集中于調(diào)節(jié)外部磁場強度控制納米磁性液體的粘度來滑效果，并且其外部磁場為單一磁源，仍無法了解外部磁場的分布體潤滑劑的摩擦學性能之間的關系。
圖 1-3 Waits 硅基微旋轉渦輪結構組成示意圖以及磨損失效掃描電鏡照片F(xiàn)igure1-3 The schematic diagram of the structure and the SEM images after wear failure of Waitssilicon-based micro-rotary turbine綜合國內(nèi)外大量研究資料，主要分為固體薄膜潤滑、有機分子膜潤滑、氣相潤滑和液體潤滑。在微器件的研究初期研究人員通過增加硅表面的粗糙度以減小接觸面之間的粘著問題，但大量研究表明這條路行不通[31-32]。后來研究人員參考了宏觀摩擦副的處理方式，在接觸表面添加摩擦學性能更好的固體材料涂層來降低微型器件的摩擦[33]。在涂層的制備工藝方面，化學氣相沉積、等離子體注入與沉積、真空電弧沉積等工藝被提出[34-35]。在涂層材料的研究方面，研究人員對鎳、陶瓷、氮化硅、石墨烯等材料所制涂層進行相應的試驗，結果表明，各種材料的固體薄膜能在不同程度上降低接觸面摩擦系數(shù)[36-38]。但是固體薄膜的加工技術難度較大，且薄膜的壽命較短，限制了固體薄膜潤滑技術的應用。除了固體薄膜外，研究人員還嘗試在微器件表面制備有機分子膜，達到改善器件摩擦學性能的目的。目前應用較廣的有 LB 膜和自組裝膜，LB 膜是通過物理的方式添加，而自組裝膜則是通過化學作用進行制備[39-41]。有機分子膜因其制
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于經(jīng)驗模態(tài)分解和深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的行星齒輪箱故障診斷方法[J]. 胡蔦慶,陳徽鵬,程哲,張倫,張宇. 機械工程學報. 2019(07)
[2]基于Pearson評價法的室內(nèi)污染源辨識研究[J]. 于水,賀廉潔,于知田,馮國會. 沈陽建筑大學學報(自然科學版). 2018(05)
[3]伯努利方程原理及其應用[J]. 吳明眼. 信息記錄材料. 2018(09)
[4]多功能摩擦磨損試驗機系統(tǒng)設計[J]. 包倩倩,趙楠楠,楊育林,楊向超. 軸承. 2018(08)
[5]往復式摩擦磨損試驗機運動系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化及運動學分析[J]. 郝飛,何濤,王傳禮,周大偉,馬丁. 機械設計與研究. 2018(02)
[6]納米磁性流體應用的研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J]. 封士彩. 科技與創(chuàng)新. 2017(21)
[7]潤滑劑潤滑機理分析[J]. 阮少軍,費逸偉,吳楠,彭顯才,劉鴻銘. 化工時刊. 2017(08)
[8]超潤滑:“零”摩擦的世界[J]. 鄭泉水,歐陽穩(wěn)根,馬明,張首沫,趙治華,董華來,林立. 科技導報. 2016(09)
[9]往復條件下織構表面的摩擦學性能研究[J]. 馬晨波,朱華,張文謙,姬翠翠. 摩擦學學報. 2011(01)
[10]摩擦學的進展和未來[J]. 雒建斌,李津津. 潤滑與密封. 2010(12)
博士論文
[1]高溫微氣體動壓軸承非等溫氣膜動力特性及箔片固體潤滑涂層研究[D]. 張學清.重慶大學 2016
[2]硅基MEMS器件的液體潤滑及納米磁性液體磁控潤滑研究[D]. 吳健.中國礦業(yè)大學 2015
[3]大間隙階梯式磁性液體旋轉密封的理論及實驗研究[D]. 楊小龍.北京交通大學 2014
[4]表面修飾超順磁Fe3O4納米顆粒的合成及應用研究[D]. 周春姣.湖南大學 2010
[5]納米磁性液體黏性和流體潤滑力學性能研究[D]. 王利軍.中國礦業(yè)大學 2008
碩士論文
[1]硅基微器件的表面處理及滑動摩擦性能研究[D]. 張海聰.中國礦業(yè)大學 2018
[2]摩擦試驗機輔助裝置設計與潤滑油高溫摩擦學性能研究[D]. 白新明.機械科學研究總院 2016
[3]介觀尺度MEMS器件的納米磁性液體磁控潤滑研究[D]. 費菲.中國礦業(yè)大學 2016
[4]混合自組裝膜共吸附法的制備及其微摩擦學性能研究[D]. 劉帥.中國礦業(yè)大學 2015
[5]非穩(wěn)態(tài)條件下摩擦信號處理和狀態(tài)識別技術研究[D]. 林助軍.大連海事大學 2015
[6]基于磁性功能表面的磁流體潤滑及其粘附行為研究[D]. 陳文.南京航空航天大學 2014
[7]磁性薄膜陣列作用下鐵磁性材料的潤滑特性研究[D]. 吳文彬.南京航空航天大學 2012
[8]不銹鋼表面磁性織構潤滑特性的研究[D]. 廖思捷.南京航空航天大學 2010
[9]氮化硅表面沉積DLC膜的均勻性與摩擦學特性研究[D]. 荊翠妮.哈爾濱工業(yè)大學 2010
[10]磁性液體在磁性表面織構作用下的潤滑特性研究[D]. 沈聰.南京航空航天大學 2010
本文編號：2940055
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