如何為通用摩擦計(jì)選擇輪廓儀？

沃爾夫?qū)け＠╓olfgang Pauli ）表示：“上帝創(chuàng)造了主體，表面是由魔鬼創(chuàng)造的”，暗示了表面相互作用的復(fù)雜性。

在具有運(yùn)動(dòng)部件的系統(tǒng)中耗散的能量可能會(huì)受到表面粗糙度，硬度，張力，分布和接觸凹凸結(jié)構(gòu)（塑性指數(shù)）的影響。這些表面參數(shù)在系統(tǒng)中由于運(yùn)動(dòng)中的組件的壓力，溫度和速度而變化。必須就地或以其自然狀態(tài)監(jiān)視表面參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化，這可能會(huì)弄清表面參數(shù)，能量耗散和系統(tǒng)故障之間的自然關(guān)系。這可以通過掌握原位摩擦學(xué)的科學(xué)儀器來實(shí)現(xiàn)。 

對(duì)于原位摩擦學(xué)，必須將用于表面表征的科學(xué)儀器（如輪廓測定法，光譜法）集成到用于摩擦和磨損測量的平臺(tái)中。 

Ducom Unitest是具有原位表征技術(shù)的通用摩擦計(jì)，這是一個(gè)高度先進(jìn)的開放平臺(tái)，能夠與多種表面表征探針（例如機(jī)械測試，表面成像和光譜學(xué)）“共生整合”。摩擦計(jì)為多種研究提供了多種可互換的載荷和運(yùn)動(dòng)組合，從刮擦和壓痕模塊到旋轉(zhuǎn)，線性往復(fù)運(yùn)動(dòng)和微動(dòng)模塊一直到先進(jìn)的多方向，動(dòng)態(tài)載荷生物摩擦學(xué)模塊。（見圖1）

圖1.最開放的平臺(tái)，帶有可配置的負(fù)載，運(yùn)動(dòng)，環(huán)境和成像模塊

高精度工作臺(tái)可以無縫地將樣品放置在多個(gè)診斷探針下。圖2代表了許多可能的配置中的一種，其特征在于帶有3D非接觸輪廓儀頭的線性運(yùn)動(dòng)模塊，該探頭安裝在移動(dòng)的Z軸光束上以進(jìn)行原位輪廓測量。

圖2.帶有線性運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)磨損單元，與表面成像頭（非接觸輪廓儀）集成在一起。該輪廓儀可以測量樣品的粗糙度及其磨損量。 

在本指南中，我們將深入研究已建立的技術(shù)，從表面表征和摩擦學(xué)研究的角度總結(jié)其功能并強(qiáng)調(diào)其局限性。非接觸式光學(xué)輪廓測量法最常用的三種技術(shù)是焦點(diǎn)變化，共聚焦顯微鏡和白光干涉測量法，它們依賴于不同的工作原理，即通用摩擦計(jì)提供了幾種輪廓儀，對(duì)于摩擦學(xué)家來說，選擇正確的技術(shù)可能是艱巨的。

焦距變化是一種常規(guī)的光學(xué)顯微鏡技術(shù)，它依賴于Z方向的垂直掃描以及對(duì)多個(gè)對(duì)焦圖像的整合，以獲得真實(shí)的色彩和3D表面形貌。它提供幾毫米/秒的快速掃描速度。

共聚焦顯微鏡也是一種常規(guī)的光學(xué)顯微鏡技術(shù)，它使用一個(gè)小針孔來阻擋散焦光，以實(shí)現(xiàn)高達(dá)1 nm的高垂直分辨率。

干涉測量法依賴于兩束光束（一個(gè)參考，另一個(gè)從樣品反射回來）產(chǎn)生的干涉圖樣，這兩個(gè)光束的光程差或相位差都不同，以實(shí)現(xiàn)亞納米分辨率。

請查看表4，該表總結(jié)了這些功能在表面表征和摩擦學(xué)方面的相關(guān)性。

圖3.不同輪廓分析技術(shù)的垂直高度能力和橫向分辨率的二維圖

圖3顯示了易于理解的不同技術(shù)的橫向和垂直分辨率能力的2D映射。請注意，垂直分辨率的對(duì)數(shù)標(biāo)度跨越空間分辨率的幾個(gè)數(shù)量級(jí)。垂直分辨率受到系統(tǒng)噪聲的限制，與數(shù)字掃描技術(shù)相比，諸如旋轉(zhuǎn)盤和振鏡之類的移動(dòng)組件具有更高的噪聲。

表4.對(duì)于具有廣泛表面紋理，粗糙度和磨損率的樣品，選擇不同的技術(shù)。（請注意-NA-表示不適用，無法使用該技術(shù)） 

顯然，沒有“通用”技術(shù)用于表面形貌表征來了解其對(duì)摩擦學(xué)的影響。例如，由于潤滑機(jī)理的轉(zhuǎn)變，具有特定形狀和幾何形狀的微織構(gòu)表面顯示出超低的磨損率，該研究將需要諸如焦點(diǎn)變化和干涉法之類的技術(shù)的組合（參見表4）。由于不可接受的本底噪聲，在通用摩擦計(jì)中使用常規(guī)的輪廓儀會(huì)產(chǎn)生較差的結(jié)果。

但是，Ducom輪廓儀具有高度的通用性，因?yàn)樗谝粋€(gè)頭部中具有三合一，焦點(diǎn)變化，共焦和干涉測量技術(shù)，因此可以連接不同的長度標(biāo)度 和空間分辨率，并且可以適應(yīng)任何摩擦學(xué)應(yīng)用要求。此外，在較大區(qū)域上進(jìn)行XY掃描時(shí)，使用的是數(shù)字光柵方法，而不是傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)圓盤方法。人們可以在傳統(tǒng)的硬盤驅(qū)動(dòng)器（HDD）與固態(tài)驅(qū)動(dòng)器（SSD）之間進(jìn)行類比。

原位輪廓儀（Ducom Unitest）沒有活動(dòng)部件，該系統(tǒng)保證了行業(yè)領(lǐng)先的精度，低噪聲本底，更快的響應(yīng)時(shí)間和幾乎零維護(hù)（請參閱表5）。

表5. Ducom輪廓儀與通用摩擦儀中提供的其他技術(shù)的比較

我們的客戶經(jīng)驗(yàn)表明，帶有原位輪廓儀的Ducom Unitest開放式平臺(tái)為各種摩擦學(xué)研究和表面表征提供了最高標(biāo)準(zhǔn)，可將亞微米至幾毫米的多種長度尺度的表面形貌聯(lián)系起來。