多功能微_纳表面测量与表征系统结构设计及试验研究

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1、？次菩中国第一所现代大学ＦＯＵＮＤＥＤＩＮ１８９５博士学位论文ＩＭｌｉｌＭｉｉ？—一级学科动力工程及工程热物理：学科专业：机械工程：作者姓名旦＾指导教师张大卫教授田延岭教授：天津大学研究生院ｒ—２０１７年５月Ｉ２０１７ＣＮＫＩＬ＾ｏｏ＾＾ｊ天津大学博士学位论文多功能微/纳表面测量与表征系统结构设计及试验研究StructureDesignandExperimentalInvestigationofaMulti-functionStylusProfilingSystemforCharacteriza

2、tionofEngineeringSurfacesatMicro/NanoScales学科专业：机械工程研究生：田佳指导教师：张大卫教授田延岭教授天津大学机械工程学院2017年05月中文摘要工程材料的表面在工程材料的功能性和耐久性等方面具有重要的作用。工程实践表明，工程材料表面的机械与物理性能（摩擦力、弹性模量和硬度等）不仅取决于其微观特性，而且依赖于宏观特性。大范围、多功能的表面测量与表征对获得工程材料表面的机械与物理性能、对工程材料表面进行改性处理以获得特定功能具有重要的意义。但是，现有显微测量仪器存在测量范围较小、测量模式单一等缺点，无法满足现代微/纳工程表面

3、测量与表征的要求。本文研制了一台新型多功能微/纳表面测量与表征系统，用于微/纳工程表面形貌、机械与物理性能（摩擦力、弹性模量和硬度）的测量与表征。其特点是单次扫描可以实现四种测量参数在时间和空间上的相关分析。本文开展了多功能微/纳表面测量与表征系统的设计分析与试验研究，研究了其中涉及的结构设计分析、布局优化、有限元分析、动力学建模、试验系统搭建和校准等理论与技术问题。并针对不同的工程材料，利用所研制的多功能微/纳表面测量与表征系统开展了微/纳测量与表征试验。本文主要研究内容如下：设计了一类三对称柔性机构，建立了该类柔性机构的线性刚度与转角刚度的解析模型。利用动态设

4、计理论和有限元分析方法，对该类柔性机构进行了优化设计。该类柔性机构具有结构紧凑、导向精度高等优点，可作为探针弹性支撑机构应用于探针型多功能微/纳表面测量与表征系统。研制了一台新型多功能微/纳表面测量与表征系统。该测量系统的核心组成部分是一个输出力可控的多功能测头。该测头利用电磁致动器作为压入力输出与控制装置，通过三个自制的电容式位移传感器测量探针的Z向位移和摆角信号。该测量系统输出力的范围为0.05–20mN，Z向行程为20µm。XY平台的运动范围为100µm×100µm，通过闭环控制具有1nm的分辨率。提出了测头静、动态特性的有限元分析方法。探讨了测头在不同载

5、荷和干扰情况下的力学行为，研究了测头的模态振型、固有频率和正弦响应。将测头等效为三自由度的集中质量系统，建立了测头的动力学模型。利用拉普拉斯变换及其反变换方法，得到了测头在阶跃控制信号下动态响应的解析表达式。研究了测头在不同控制电压下的阶跃响应变化规律，提出了采用摆线控制信号代替阶跃信号改善测头超调量和减小稳定时间的方法。对所研制的多功能微/纳表面测量与表征系统开展了传感器标定和静、动态性能测试实验。针对不同的工程材料，利用所研制的多功能微/纳表面测量与表征系统开展了微/纳测量与表征试验。试验结果表明，所研制的多功能微/纳表面I测量与表征系统具有很好的动态响应特

6、性和良好的测试精度，可以实现微/纳工程表面形貌、机械与物理性能（摩擦力、弹性模量和硬度）的测量与表征。关键词：多功能微/纳测量与表征，探针型显微测量系统，柔性机构，纳米摩擦，纳米压入IIABSTRACTSurfacesofmaterials,particularlythetopmostlayer,playanimportantroleintheirfunctionanddurability.Thegeometricalfeaturesofasurfaceanditsmechanicalandtribologicalpropertiesarerelatedtoeach

7、other.Themeasurementofthesepropertiesinawiderangeandcorrelatedformisimportantandwillhelpscientistsandengineersunderstandthebehaviorsofsurfacematerialsandthusbeabletomodifythesurfacetoachieveanoptimumfunction.However,theexistinginstrumentsthatcanbeusedforthisapplicationarelimitedbyeit