《旋轉MEMS中微球軸承的滾動摩擦測試與減摩機制研究》是依託北京理工大學，由王曉力擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：旋轉MEMS中微球軸承的滾動摩擦測試與減摩機制研究
- 依託單位：北京理工大學
- 項目負責人：王曉力
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
微滾動軸承比平面接觸式微軸承摩擦係數低，而比非接觸式微軸承支承穩定並且矽微製造工藝簡單，因而被當作未來旋轉MEMS器件的首選支承。然而迄今為止，對於尺度效應和表面效應影響微滾動摩擦和磨損的機制尚不清楚，已成為阻礙微滾動軸承發展的瓶頸。本項目擬開展如下研究：（1）利用體矽DRIE和鍵合工藝研製一台能模擬微球軸承真實工況的試驗裝置，為研究微滾動摩擦學特性提供實驗手段；（2）分別通過UMT-2球盤試驗機和所研製的微軸承測試裝置進行不同尺度和工況條件的實驗研究，揭示尺度效應和表面效應對滾動摩擦力矩以及磨損行為的影響機制；（3）在微球軸承的單晶矽滾道上利用射頻電漿增強化學氣相沉積方法(rf-PECVD)製備類金剛石(DLC)膜，探討類金剛石膜在微滾動接觸下的微觀結構特徵和成膜條件，闡明其減摩和耐磨機理。本項目研究將為旋轉MEMS中微滾動軸承的摩擦學設計提供理論依據，並為其減摩抗磨提供關鍵技術。
結題摘要
微滾動軸承比平面接觸式微軸承摩擦係數低，而比非接觸式微軸承支承穩定並且矽微製造工藝簡單，因而被當作未來旋轉MEMS器件的首選支承。然而迄今為止，對於尺度效應和表面效應影響微滾動摩擦和磨損的機制尚不清楚，已成為阻礙微滾動軸承發展的瓶頸。本項目開展了如下研究：（1）利用體矽DRIE和鍵合工藝研製一台能模擬微球軸承真實工況的試驗裝置，實現了轉子角位移和法向載荷的線上監測，並通過減速實驗獲得了微尺度滾動摩擦力矩隨法向載荷的變化規律。結果表明：單個微球-滾道接觸副的滾動摩擦力矩與載荷成亞線性關係，這一規律與數值模擬結果相同。（2）提出了考慮黏附滯後的微尺度滾動摩擦理論模型，考察了微球尺度參數、相對黏附滯後量、Tabor數以及外載荷對最大滾動摩擦力矩的影響。結果表明：由於黏附作用，微尺度下的最大滾動摩擦力矩與外載荷呈亞線性的關係，且零載荷下的最大滾動摩擦力矩不為零，其無量綱值不僅隨微球尺度參數的減小而增大，表現出明顯的尺度效應，而且隨相對黏附滯後量及Tabor數的增加而增加。（3）在微球軸承的單晶矽滾道上利用射頻電漿增強化學氣相沉積方法(rf-PECVD)製備類金剛石(DLC)膜，研究了類金剛石膜在微滾動接觸下的磨損機理。實驗結果表明，微球軸承磨損機理主要包括兩個方面：即微球與類金剛石薄膜之間的接觸面在瞬時高溫下受很高的接觸應力作用而產生粘著磨損，以及微球對類金剛石薄膜施加周期性的循環應力而產生薄膜表面疲勞磨損。此外，還研究了微球與表面塗覆DLC薄膜的滾道之間的接觸力學行為，考察了不同DLC薄膜彈性模量和厚度，以及不同微球材料和直徑對微球軸承接觸特性的影響。結果表明，高彈性模量的厚DLC薄膜可以降低微球軸承滾道表面的最大徑向拉應力和界面剪下應力，但提高了最大接觸壓力；軸承軸向最大von Mises等效應力和界面應力梯度可通過減小DLC薄膜的彈性模量或增加薄膜厚度來降低。本項目研究將為旋轉MEMS中微滾動軸承的摩擦學設計提供理論依據，並為其減摩抗磨提供關鍵技術。
