文摘

表面的减阻性能与普通nanotextures在表面工程研究是一个关键的主题。本文提出了一个简单的、容易控制体制造方法定期nanotextures电镀Ni-Co合金。电子控制的摩擦性能nanotexured表面被AFM研究。结果表明,摩擦力nanotexured表面可以由外部电场控制。激光加工之前,最初的摩擦增加与偏置电压,然后减少后的偏置电压超过1.0 V。其摩擦力量可以改变不同的外部电场下2倍以上。激光加工后,摩擦力的趋势逆转,其摩擦力量改变了激光处理试样超过12倍与0.18 J /厘米2激光功率。结果还表明,摩擦力下降时使用不同的nanotextures在外部电场。

1。介绍

在计算和MEMS领域,Ni-Co涂层被广泛应用在microforceps等设备,微镜和微型开关。通常,这些设备在外部电场。然而,这个外部电场的影响Ni-Co涂层的摩擦性能研究很少。与此同时,它也可以用于摩擦系数的控制或保持其稳定性。

通过控制表面特征,工程表面可以交付所需的功能性能(1]。除了广泛的激光技术的其他应用程序(2- - - - - -4),作为一种有效的技术,它也被用来改善涂料性能(5- - - - - -8]。许多研究人员调查了激光加工技术如何改善表面性能的合金涂层(9- - - - - -11]。如今,成型等方法(12),电化学沉积13,14),和化学汽相淀积15)是用于生产人造表面特殊的纹理。然而,所有这些方法不能产生可控变形表面。近年来,许多研究人员采用新工艺制作纹理在固体表面上。莫等人伪造的nanotexture H-passivated Si表面由当地current-induced阳极氧化以及胶体探针研究其nanotribological属性(16,17]。结果表明,nanotextures表现出低粘附和nanometric规模大大减少摩擦。方梁的摩擦磨损研究45 #钢表面纹理的掺钕钇铝石榴石激光器,发现cross-grooved表面的摩擦系数增加而减少结构跨度(即。,宽度模式)。Ni-Co nanotextures的涂料中的摩擦学性能迄今为止还没有被广泛的研究。

近年来,许多研究人员调查nanotribological属性之间的关系和外部电场在不同领域的纳米级。公园等人发现的纳米摩擦属性Si(100)示例的简单的应用程序可以显著地操纵一个偏置电压(18]。然后他们观察到显著增加摩擦积累(正向偏压)条件下对耗竭(反向偏压)条件,建立了一个模型基于力困指控量化实验观测的过度摩擦,使用Pt-coated提示和50海里半径AFM滑动与n型砷化镓(100)衬底(19]。刘等人研究了水的microtribological性质单层薄膜在AC和DC电场20.]。他们发现水薄膜的摩擦磨损特性可以通过外部控制和改善电场。然而,外部电场的影响的摩擦性能nanotexures Ni-Co涂层之前还没有被研究过。

在这里,nanotextures Ni-Co合金涂层表面被激光加工制造技术。激光处理区域的表面形态和微观结构通过SEM表征。然后,不同nanotexured nanotribological行为的表面下外部电场被FFM调查和AFM。

2。实验

2.1。实验装置

电镀的实验装置如图1(一)。一种CHI660D电化学工作站是用来提供电源。图1 (b)显示,激光加工实验系统在电镀Ni-Co捏造nanotextures合金涂层表面。紫外激光器(dsh - 355 - 10,光电产业,美国)的工作波长355 nm被用来处理标本。激光束完全反映在两个镜子。反射的光束中,平行光束扩展器扩展。光束扩展器允许高频噪声可以从激光提供一个干净的高斯轮廓,使激光束聚焦后小。计算机控制的激光标记被用来控制激光束的方向。

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图1
(一)电镀设置的示意图。(b)激光加工实验系统。
2.2。实验方法

电镀前Ni-Co合金涂层,浴成分是根据表准备的1。以确保浴的组成是制服,电解液是受磁搅拌20分钟在沉积过程开始之前。commercial-purity级的镍样品,测量80毫米×60毫米×2毫米作为阳极,和316 l不锈钢标本类型,测量20毫米×10毫米×2毫米,是用作阴极。阴极是放置30毫米,平行,镍浸在浴缸的时候。试样的抛光电镀之前,使用2000丸然后在丙酮脱脂在超声振动下5分钟,然后在1 mol / L盐酸预处理解决方案在室温下2分钟去除表面氧化。

表1
电镀浴的组成解决方案及相关工艺参数。

然后,执行电镀在直流条件下的电流密度25 mA /厘米2和电镀时间20分钟。电镀后,用蒸馏水洗标本。标本测试干后在室温空气中几个小时。沉积厚度约为8μm。涂层的表面形貌和微观结构通过SEM表征。

之后,激光加工实验系统被用来制作nanotextures电镀Ni-Co合金涂层。激光功率范围从0 J /厘米22 J /厘米225.4毫米/秒的扫描速度和线间隔为0.01毫米。利用SEM分析激光辐照的影响涂层的表面形貌和微观结构。

最后,nanotribological Ni-Co合金涂层的行为在这个电场测量通过AFM / FFM (CSPM5500电子、Benyuan Nano-Instruments,中国)。非盟的探针是涂有导电层的电影。不同负载(0.1到1.0 V)和偏置电压(0.0 V, 0.5 V, 1.0 V, V, 1.5和2.0 V)探针和样品之间的应用。

3所示。结果和讨论

3.1。激光Nanotextures Ni-Co合金涂层

激光功率的变化探讨影响Ni-Co合金涂层。激光功率的增加从0 J /厘米20.22 J /厘米2。图2显示了Ni-Co合金表面激光处理后的显微图0 J /厘米20.03 J /厘米20.05 J /厘米20.08 J /厘米20.18 J /厘米2和0.22 J /厘米2。

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图2
扫描电镜的图像Ni-Co合金涂层表面。(一)未经加工的;激光加工(b) 0.03 J /厘米2;(c) 0.05 J /厘米2;(d) 0.08 J /厘米2;(e) 0.18 J /厘米2;(f) 0.22 J /厘米2。

Ni-Co合金涂层的形态在激光过程如图2(一个)。许多irregular-sized微粒子和nanoprotrusions被观察到。颗粒的平均直径大约是0.7μm。涂层中的Co含量占总质量的40%。的粗糙度R一个Ni-Co涂层表面大约是25 nm。激光加工后0.03 J /厘米2,大多数的不规则突起变得half-hemispherical和常规和激光处理区域的表面形态也不均匀(图2 (b))。随着激光功率的增加,half-hemispherical nanoprotrusions均匀长大,渐渐half-ellipsoid结构。此外,当激光权力分别为0.05和0.08 J /厘米2激光处理区域的表面形态变得平坦,如图2 (c)和2 (d)。在0.18 J /厘米2,half-hemispherical nanoprotrusions持续增长并开始减少的数量(图2 (e))。图2 (f)表明激光处理区域的表面形态已成为相对顺利在0.22 J /厘米2和nanoprotrusions已经完全消失了。

通过这些实验,我们得出的结论是,常规nanoprotrusions的形成依赖于紫外激光器的力量。因此,我们可以调整制作紫外激光器稳定的力量nanoprotrusions Ni-Co合金表面的涂层。科赫等人,Mannion等人提出了一个理论,nanoprotrusions形成由于入射激光之间的干扰和激动的表面电磁波引起的结构性缺陷的存在(21,22]。这个理论也可以用来解释的形成nanoprotrusions Ni-Co合金表面的涂层。此外,激光辐照后,蒸发和再沉积纳米颗粒也应该影响表面的纳米结构。然而,支撑这种行为的详细机制需要进一步研究[23]。当应用激光功率大于0.22 J /厘米2,Ni-Co由于高温合金涂层进行了快速融合。因此,激光处理区域的表面形态变得光滑,表面和nanoprotrusions几乎都消失了。

3.2。Nanotribological属性在不同偏置电压下

图3显示不同的摩擦力之间的关系和偏置电压的正常负载0 V, 0.5 V, 1.0 V, 1.5 V和2.0 V。可以看出,摩擦增加了拟线性增加正常负载不同Ni-Co合金涂层的表面。

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图3
摩擦力与正常负载,从0.1 V至1.0 V, 5个偏置电压(0 V, 0.5 V, 1 V, 1.5 V,和2 V)的四个Ni-Co合金涂层的表面。(一)未经加工的;激光加工(b) 0.03 J /厘米2;(c) 0.05 J /厘米2;(d) 0.18 J /厘米2。

在图3(一个)为未处理的试样,正向偏压的摩擦力大于电压,如果没有偏见。其摩擦力量可以改变不同的外部电场下2倍以上。然而,数据的情况却是相反的3 (b),3 (c),3 (d)。这种差异在摩擦力主要是由于表面晶格和质地的变化可以影响的金属摩擦副之间的摩擦24]。它可能得出的结论是,偏差电压可以增加减少激光加工后表面摩擦。特别是,一个偏置电压下的摩擦力显著降低(图3 (d))。其摩擦力量改变了这个标本12倍以上。因此,nanotribological性能受激光辐照在正向偏压下电压的影响。

图4表明摩擦力之间的关系和偏置电压为0.0 V, 0.5 V, 1.0 V, 1.5 V和2.0 V和四个正常负荷(0.19 V, 0.39 V, 0.59 V和0.79 V)。摩擦力可以由外部电场控制。在图4(一),摩擦力最初偏压的增加而增加然后减少而偏差在正常负载电压超过1.0 V 0.19 V, 0.39 V, 0.59 V和0.79 V。然而,最初摩擦力随偏置电压增加而降低,然后增加如图4 (b),4 (c),4 (d)。这种趋势变化,主要是由于表面晶格的变化和纹理25]。

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图4
摩擦力与偏置电压,从0 V 2 V,在四个正常负荷(0.19 V, 0.39 V, 0.59 V和0.79 V)的四个Ni-Co合金涂层的表面。(一)未经加工的;激光加工(b) 0.03 J /厘米2;(c) 0.05 J /厘米2;(d) 0.18 J /厘米2。

有两种主要的理论可以用来解释这些行为:静电相互作用理论和自我产生的电压理论。静电相互作用理论支配外部电场可以影响摩擦副之间的静电力,因此会影响真正的正常负载(P真正的)。sphere-plane静电粘附力(Fe)与外部电场的电压(U)。当偏差电压超过0 V,真正的正常负载最初随偏压增大而减小,然后增加,匹配的测量结果。自有电压理论说,在反复提示和示例的相对运动表面,金属摩擦副之间的摩擦将self-generate电压 (24- - - - - -26),可能的方向与外部电压Ve。其中,自我产生的电压 增加的数量增加重复提示和样品表面之间的相对运动(25]。因此,实际的偏置电压V一个提示和样品表面之间 。激光治疗后,表面晶格和质地的变化增加的速率的影响 。激光辐照后这种趋势逆转,因为不同的利率的增加 和Ve。

3.3。Nanotextures Nanotribological性质不同

图5显示,摩擦力和正常负载的变化对不同样品表面(未加工和加工0.03 J /厘米20.05 J /厘米2和0.18 J /厘米2)。图5(一个)显示一个阴谋的摩擦力与正常负载相同的偏置电压Ve0 V。根据激光加工前后样品的比较,趋势之间的差异并不明显。阴谋的摩擦力与正常负载相同的偏置电压Ve0.5 V, 1.0 V和2.0 V是在数据单独列示5 (b),5 (c),5 (d)。偏置电压超过0 V时,表面摩擦力的变化趋势差异变得明显:激光加工后,表面摩擦明显低于之前。因此,摩擦力可以控制通过使用激光加工在正向偏压下电压。在图5激光加工后,表面变得光滑0.18 J /厘米2,摩擦力变化下约0.05 V和0.1 V之间的偏置电压为0 V和0 V, 0.05 V之间的变化当偏差电压超过0 V。在某种程度上,摩擦力保持稳定。因此,在外部电场和特定的激光加工,Ni-Co合金表面摩擦力可以控制,以减少nanotexture沉积在Ni-Co合金涂层。

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图5
为不同的样品表面摩擦力和正常负载下四个恒定的偏置电压。(一)0 V;(b) 0.5 V;(c) 1.0 V;(d) 2.0 V。

4所示。结论

本文提出了一个简单的、容易控制的激光加工方法制作定期nanotextures的电镀Ni-Co合金表面。电子控制nanotexured表面的摩擦性能是通过使用原子力显微镜。常规nanoprotrusions可以通过选择特定的激光工艺参数,生产和摩擦力等nanotexured表面可以由外部电场控制。激光加工之前,最初的摩擦增加与偏置电压,然后减少后的偏置电压超过1.0 V。其摩擦力量可以改变不同的外部电场下2倍以上。激光加工后,摩擦力的趋势逆转,其摩擦力量改变了激光处理试样超过12倍与0.18 J /厘米2激光功率。此外,某些nanotextures和偏置电压,摩擦力会维持在一个稳定值。

命名法

P真正的: 真正的正常负载[N]
F艾凡: 静电粘附力[N]
U: 外部电场[V]
: Self-generate电压(V)
V一个: 实际的偏置电压(V)
Ve: 外部电压(V)。

下标

微机电系统: 微机电系统
AFM: 原子力显微镜
扫描电镜: 扫描电子显微镜
FFM: 摩擦力显微镜
M: 镜子。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者承认中央大学的基础研究基金(批准号2015 qna35)和优先级的学术程序开发江苏高等教育机构(PAPD)支持这项工作。