Skonstruowane według naszego projektu stanowisko pomiarowe T-23 (ITEE Radom), będące pomostem pomiędzy pomiarami w skali atomowej i w makroskali, obserwowanej w węzłach tarcia maszyn i urządzeń.
Mikrotribometr T-23 nagrodzony został złotym medalem na Międzynarodowej Wystawie Wynalazków "IWIS 2007" w Warszawie.
Uzyskano z jego użyciem bardzo ciekawe rezultaty, między innymi obrazujące zmiany właściwości tarciowych powłok w mikroobszarach (o rozmiarach poniżej 100 mm) niemożliwe do zarejestrowania posiadanymi przez nasz zespół do tej pory testerami tarciowymi.
Poniżej przedstawiono parametry mikrotribometru:
Zakres obciążeń: 1-1000 mN
Ruch posuwisto-zwrotny (istnieje możliwość łatwej rozbudowy do systemu typu trzpień-tarcza)
Prędkość przesuwu: 0,1 - 100 mm/minutę
Możliwe jest wykonanie map współczynnika tarcia na obszarze do 50 x 50 mm z rozdzielczością dochodzącą do 50 mm dla dowolnie wybranego obciążenia z zakresu 1-1000 mN
Częstotliwość próbkowania: fizyczna częstotliwość próbkowania karty pomiarowej 1,25 MHz, Częstotliwość reakcji belki tensometrycznej na zmiany obciążenia ok. 2-3 kHz, praktyczna częstotliwość rejestracji rzeczywistego współczynnika tarcia do ok. 100 Hz (każdy punkt pomiarowy jest uśredniony z kilkudziesięciu pomiarów cząstkowych). Oznacza to w praktyce pomiar współczynnika tarcia co ok. 10 mm podczas ruchu w węźle tarcia.
Współczynnik tarcia wyliczany jest w czasie rzeczywistym poprzez podzielenie siły tarcia mierzonej pierwszym tensometrem (stycznie do kierunki ruchu) przez siłę obciążenia mierzoną drugim tensometrem (prostopadle do kierunku ruchu)
Przykładanie obciążenia dokonywane jest z poziomu oprogramowania poprzez ustawienie obciążnika za pomocą silnika krokowego w takim położeniu aby tensometr mierzący siłę nacisku wskazywał zadaną wartość.
Sterowanie ruchem oraz akwizycja danych realizowana jest za pomocą komputera PC z wykorzystaniem w pełni otwartej i zdolnej do modyfikacji przez użytkownika platformie LabVIEW.
Aparat wbudowany jest w bardzo sztywną kamienną obudowę, tłumiącą drgania mogące zakłócić pomiar i ustawiony jest na stole minimalizującym drgania zewnętrzne.
Wysoka częstotliwość próbkowania i oprogramowanie LabVIEW pozwala na rejestracje drgań akustycznych powstających w procesie tarcia i obrazowanie ich w czasie rzeczywistym oraz rejestrację i odtwarzanie późniejsze. Daje to możliwość wnikliwego studiowania procesów mechanicznych zachodzących w węźle tarcia.
Aparat posiada obudowę pozwalającą kontrolować atmosferę otaczającą węzeł tarcia, w tym pozwala na pracę w środowisku gazu obojętnego np. azotu.
Istnieje możliwość prowadzania pomiarów współczynnika tarcia przy zmieniającym się obciążeniu w zadanym przez eksperymentatora zakresie. Pozwala to na badania odporności powłok na zużycie (zarysowanie).
Warunki pomiaru współczynnika tarcia w opisywanym mikrotribometrze dobrano tak, aby były one zbliżone, na ile to możliwe, do panujących podczas pomiarów tarcia na mikroskopie sił atomowych (FFM). Celem takiego zabiegu było stworzenie stanowiska pomiarowego będącego pomostem pomiędzy pomiarami w skali subatomowej i makroskali obserwowanej w węzłach tarcia maszyn i urządzeń. Podczas pomiarów porównawczych udało się uzyskać bardzo dobrą zgodność tendencji wyników pomiarów współczynnika tarcia w skali nano (FFM) i mikro (mikrotribometr), oczywiście wyniki pomiaru współczynników tarcia w nanoskali są prezentowane w jednostkach umownych [a.u.]. jak widać na wybranym przykładzie.
Wykres pochodzi z prezentacji G. Celichowski "Tribological Properties of Aminosilica Sol-Gel Thin Films Functionalised by Dialkyldithiophosphoric Acids" przedstawionej na IV International Conference on Tribochemistry Kraków, Poland, October 3 - 5, 2005
Bardzo ważną cechą konstrukcyjną mikrotribometru jest możliwość wykorzystanie go jako wysokiej klasy sterowanego komputerem dip-coatera (urządzenia do nanoszenia cienkich warstw z roztworów metodą zanurzeniową). Aby to osiągnąć wystarczy zastosować dodatkowy uchwyt do utrzymywania podłoża na które nanoszona jest cienka warstwa.
Aby zilustrować możliwości pomiarowe przedstawiamy fragment wyników opublikowanych jako poster na III Word Tribology Congress, Washington D.C. 2005. Na następnej stronie przedstawiamy zdjęcie skazy powstałej w wyniku tarcia z nałożonym zmierzonym współczynnikiem tarcia oraz fotografię mikrotribometru.
Podsumowując - skonstruowany mikrotribometr spełnia wszystkie pokładane w nim nadzieje i jest w pełni sprawnym systemem pomiaru współczynnika tarcia w zakresie obciążeń mN. Pragniemy podkreślić, że opisywana konstrukcja jest rozwiązaniem unikalnym w skali naszego kraju i dzięki naszej współpracy z wieloma jednostkami badawczymi stała się dostępna dla polskiego środowiska naukowców zajmujących się badaniami procesów tarcia.
Wielkości współczynnika tarcia skorelowanego z procesami zużycia i formowania się śladu zużycia. Jak widać, można bez trudu zaobserwować reakcje mikrotribometru nawet na najmniejsze procesy zużycia, występujące podczas pomiaru.
Budowa aparatu ze szczególnym uwzględnieniem układu tensometrów (zdjęcie prawe).
Więcej informacji: ITEE Radom
