共聚焦显微镜——摩擦学领域的新款“滑板鞋”

szzhongtu5

两个物体表面相互接触即会产生相互作用力，研究具有相对运动的相互作用表面间的摩擦、润滑与磨损及其三者之间关系即为摩擦学，目前摩擦学已涵盖了化学机械抛光、生物摩擦、流体摩擦等多个细分研究方向，其研究的数值量级也涵盖了亚纳米到百微米的区间。摩擦本身是一种能量损耗现象，然而得到合理地利用也能产生巨大的正面效益，因此，准确地测定磨损量并进行精确的控制，是摩擦学研究中的一个重难点。

作为一家专业的微纳3D形貌检测仪器厂商，中图仪器的SuperView系列光学3D表面轮廓仪已在国内高校从事化学机械抛光课题研究的教授群体中得到广泛应用，因样件多为超光滑抛光表面，采用光学3D表面轮廓仪较为合适，其中较为关键的粗糙度Sa和Ra等参数，能够确保0.1nm的精度。而针对磨损区域较大、坡度也较为陡峭的生物摩擦和流体摩擦领域，采用中图VT6000系列共聚焦显微镜则更加匹配，其远胜于光学3D表面轮廓仪的大角度测量能力和超景深观察功能，能够轻松胜任磨损较为严重的表面形貌检测，从而帮助研究人员更加精准的掌握磨损量评价数据。



如下图所示，为检测生物摩擦课题中的样件表面磨损区域的3D形貌图像，其中心区域凹陷而在中心到上表面的边缘处呈大坡度形态，因而在采用光学3D表面轮廓仪进行检测时，会出现边缘陡坡处3D图像重建不完整、出现空白区域的问题，而使用共聚焦显微镜，则能够轻松获取完整的形貌数据与3D图像。


图.磨损形貌
使用软件的孔洞体积功能对图像磨损区域进行处理与分析，能够获取准确的磨损区域深度、面积、体积等数值，从而对摩擦工艺参数与蚀坑形状以及磨损量的相关性进行定量研究，实现对摩擦磨损的有效利用。


图.磨损体积
而在流体摩擦课题中，更多的是对工艺处理后在样件表面形成的条状凹槽进行轮廓分析，由于形成的凹槽较宽、深度也较大，这导致凹槽到两侧平面的坡面角度大、颜色黝黑、反射率低，也是一种较为适合使用共聚焦显微来测量的形貌特征。如下图所示，在完成测量后，通过提取一条过凹槽的剖面轮廓曲线并分析，就能够获得准确的槽深宽度数据，进一步定量地研究工艺参数与磨损量的关联性。


图.流体摩擦表面形貌的截面轮廓