表面力仪及油性添加剂薄膜流变特性

表面实际上是指某种凝聚态物质的边界。由于连续伸展的物质在边界处中断,使表面具有不同于内部的许多特殊性质,如表面缺陷,表面能和表面力等。

当液体被局限在纳米量级的固体表面之间时,其物理性质与体相(bulk)状态相比有很大变化:等效粘度增加,弛豫过程延缓,明显的类固性和粘弹性,固液相变过程,有序结构的形成和界面滑移现象等。表面力仪是研究这种薄膜流变和摩擦现象的关键设备,对于微纳米科学基础研究和微机电系统的设计具有重要意义。但该仪器基本上仍是国外少数大学研究机构中自行研制的实验装置,在国内尚无同类装置。

1　表面力仪的结构和工作原理

本研究设计研制的表面力仪,以等色序条纹(FECO)方法实现表面间距离(膜厚)和法向作用力的测量,以压电晶体片双梁结构实现振动式侧向驱动和摩擦力测量。

1.1　等色序条纹法测距原理

等色序条纹法(Fringes of Equal ChromaticOrder,简称FECO)利用多光束干涉实现表面间距的测量,其原理如图1所示。试样表面贴有镀银膜的云母片,当白光垂直入射时,在两层银膜间发生多次反射,其中波长满足特定条件的光线才能穿过银膜和试样,形成具有离散光谱的透射光。把透射光束引入分光计或其它光谱仪,从目镜或显示屏上观察到一串排列有序的条纹,即透射光的离散谱线。其特点可简要归纳如下:

1)透射光的离散光谱使条纹呈周期性,所对应的谱线波长为λn,n=1,2,3,…,n称为条纹的级次。

2)条纹的谱线波长与银膜之间的距离有关。因此当试样表面间距有一微小的变化时,条纹因透射光波长改变而发生平移,表面间距测量的关键就在于确定波长的变化量Δλn。

3)条纹的形状反映了接触体的截面几何特征。

当表面间隙因接触体的曲率而改变时,穿过不同区域的透射光的波长将有所变化,从而形成如图中所示的弧线形条纹。同理,当接触体中心因变形而被压平时,条纹端部也出现相应的平台。

当测得波长的变化量Δλn后,当n为奇数时,云母表面条纹间距为

式中:Fn为修正系数,μ1为云母的折射率。当n为偶数时,T还将和介质的折射率有关。方程(1)的推导以及n和Fn的计算公式可参阅文[1]。原理分析表明,当T=10 nm时, FECO法的理论测量精度约为0.1 nm。

1.2　表面力仪的结构

作者研制的表面力仪的主体结构如图2所示。上试样固定在侧向驱动机构的横梁上,下试样则位于一悬臂弹性簧片的顶端。试样的表面间距或膜厚的控制是通过下试样的法向位移来实现。为保证纳米量级法向精度,本研究采用粗细两级进给方案。粗调用市售立柱式微动工作台,其进给精度为微米量级。细调则采用用刚度比为1∶1 000的差分弹簧机构,将细调螺杆的微米级位移转化为下试样的纳米级进给。