DIN CEN ISO TR 11811-2012 Nanotechnologies - Guidance on methods for nano- and microtribology measurements (ISO TR 11811 2012) German version CEN ISO TR 11811 2012《纳米技术 纳米和微摩擦测量方法指.pdf

1、Dezember 2012 Normenausschuss Materialprfung (NMP) im DINPreisgruppe 13DIN Deutsches Institut fr Normung e. V. Jede Art der Vervielfltigung, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des DIN Deutsches Institut fr Normung e. V., Berlin, gestattet.ICS 07.030Zur Erstellung einer DIN SPEC knnen verschieden

2、e Verfahrensweisen herangezogen werden: Das vorliegende Dokument wurde nach den Verfahrensregeln eines Fachberichts erstellt.!$b3K“1631640www.din.deDDIN CEN ISO/TR 11811Nanotechnologien Leitfaden fr nano-und mikrotribologische Messverfahren(ISO/TR 11811:2012);Deutsche Fassung CEN ISO/TR 11811:2012Na

3、notechnologies Guidance on methods for nano- and microtribology measurements (ISO/TR 11811:2012);German version CEN ISO/TR 11811:2012Nanotechnologies Directives relatives aux mthodes de mesure en nano- et microtribologie(ISO/TR 11811:2012);Version allemande CEN ISO/TR 11811:2012Alleinverkauf der Spe

4、zifikationen durch Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin www.beuth.deGesamtumfang 22 SeitenDIN SPEC 91217DIN CEN ISO/TR 11811 (DIN SPEC 91217):2012-12 2 Nationales Vorwort Dieses Dokument (CEN ISO/TR 11811:2012) wurde vom Technischen Komitee CEN/TC 352 Nano-technologien“, dessen Sekretariat von BSI (Verei

5、nigtes Knigreich) gehalten wird, in Zusammenarbeit mit dem Technischen Komitee ISO/TC 229 Nanotechnologies“, dessen Sekretariat ebenfalls von BSI (Vereinigtes Knigreich) gehalten wird, erarbeitet. Das zustndige deutsche Gremium ist der Unterausschuss NA 062-08-17-02 UA Prfverfahren“ des Arbeits-auss

6、chusses NA 062-08-17 AA Nanotechnologien“ im Normenausschuss Materialprfung (NMP). Zur vorliegenden DIN SPEC wurde kein Entwurf verffentlicht. Erfahrungen mit dieser DIN SPEC sind erbeten vorzugsweise als Datei per E-Mail an nmpdin.de in Form einer Tabelle. Die Vorlage dieser Tabelle kann im Interne

7、t unter http:/www.din.de/stellungnahme abgerufen werden; oder in Papierform an den Normenausschuss Materialprfung (NMP) im DIN, 10772 Berlin (Hausanschrift: Burggrafenstrae 6, 10787 Berlin). TECHNISCHER BERICHT TECHNICAL REPORT RAPPORT TECHNIQUE CEN ISO/TR 11811 August 2012 ICS 07.030 Deutsche Fassu

8、ng Nanotechnologien - Leitfaden fr nano- und mikrotribologische Messverfahren (ISO/TR 11811:2012) Nanotechnologies - Guidance on methods for nano- and microtribology measurements (ISO/TR 11811:2012) Nanotechnologies - Directives relatives aux mthodes de mesure en nano- et microtribologie (ISO/TR 118

9、11:2012) Dieser Technische Bericht (TR) wurde vom CEN am 9. August 2010 als eine knftige Norm zur vorlufigen Anwendung angenommen. CEN-Mitglieder sind die nationalen Normungsinstitute von Belgien, Bulgarien, Dnemark, Deutschland, der ehemaligen jugoslawischen Republik Mazedonien, Estland, Finnland,

10、Frankreich, Griechenland, Irland, Island, Italien, Kroatien, Lettland, Litauen, Luxemburg, Malta, den Niederlanden, Norwegen, sterreich, Polen, Portugal, Rumnien, Schweden, der Schweiz, der Slowakei, Slowenien, Spanien, der Tschechischen Republik, der Trkei, Ungarn, dem Vereinigten Knigreich und Zyp

11、ern. Management-Zentrum: Avenue Marnix 17, B-1000 Brssel 2012 CEN Alle Rechte der Verwertung, gleich in welcher Form und in welchem Verfahren, sind weltweit den nationalen Mitgliedern von CEN vorbehalten.Ref. Nr. CEN ISO/TR 11811:2012 DE U ROP I S C H E SKOM I T E EF RNOR M U NGEUROPEAN COMMITTEE FO

12、R STANDARDIZATION CO M I T E U RO P E N DE N O R M A L I S AT I ONCEN ISO/TR 11811:2012 (D) 2 Inhalt SeiteVorwort 3 Einleitung .4 1 Anwendungsbereich .5 2 Begriffe .5 3 Signifikanz und Anwendung .5 4 Kurzbeschreibung .6 5 Gerte und Prfmittel 6 5.1 Prfsysteme .6 5.2 Prfparameter 9 6 Prfverfahren .13

13、6.1 Verschiedene Arten der Prfung 13 6.2 Techniken zur Oberflchenuntersuchung 17 7 Vergleichprzision, Wiederholprzision und Grenzen der Prfung .18 8 Prfbericht 19 Literaturhinweise 20 DIN CEN ISO/TR 11811 (DIN SPEC 91217):2012-12 CEN ISO/TR 11811:2012 (D) 3 Vorwort Dieses Dokument (CEN ISO/TR 11811:

14、2012) wurde vom Technischen Komitee CEN/TC 352 Nanotechnologie“, dessen Sekretariat vom BSI gehalten wird, in Zusammenarbeit mit dem Technischen Komitee ISO/TC 229 Nanotechnologies“ erarbeitet. Es wird auf die Mglichkeit hingewiesen, dass einige Texte dieses Dokuments Patentrechte berhren knnen. CEN

15、 und/oder CENELEC sind nicht dafr verantwortlich, einige oder alle diesbezglichen Patentrechte zu identifizieren. DIN CEN ISO/TR 11811 (DIN SPEC 91217):2012-12 CEN ISO/TR 11811:2012 (D) 4 Einleitung Die Bewertung des Verschleies und der Reibung in Systemen, bei denen Wechselwirkungen im nano-skalige

16、n Bereich auftreten, wird immer bedeutsamer. Es gibt zwei Hauptanwendungsgebiete. Das erste davon betrifft MEMS- und NEMS-Einrichtungen, in denen tribologische Aspekte die Gesamtleistung der Einrichtung bestimmen knnen. Es gilt auch als gesichert, dass in vielen Fllen das tribologische Verhalten von

17、 makro-skaligen Kontakten von der Kombination abhngt, was an den realen mikro- und nanoskaligen Kontaktflchen tatschlich auftritt, wenn zwei Oberflchen in Berhrung kommen. Die Entwicklung der nanotribologischen Prfung erffnet einen Weg zur Gewinnung von Informationen und zum Verstndnis dieser kleins

18、kaligen Kontakte. Dieses Verstndnis kann dann zum Modellieren des Ver-haltens von mikroskaligen Einrichtungen verwendet werden und als Grundlage fr zuknftige Modelle zum Gleitverschlei dienen. DIN CEN ISO/TR 11811 (DIN SPEC 91217):2012-12 CEN ISO/TR 11811:2012 (D) 5 WICHTIG Die elektronische Datei d

19、ieses Dokuments enthlt Farben, die zum richtigen Verstndnis des Dokuments als wichtig erachtet werden. Anwender sollten daher das Ausdrucken des Dokuments mit einem Farbdrucker in Betracht ziehen. 1 Anwendungsbereich Dieser Technische Bericht fhrt Techniken zur Bewertung des tribologischen Verhalten

20、s von Gleitkontakten mit lateralen Abmessungen von einigen Nanometern (nm) bis 10 m, bei denen die aufgebrachte Last zwischen 50 N und 100 mN betrgt, ein. Er beschreibt Verfahren zur Durchfhrung dieser Messungen und bietet einen Leitfaden bezglich des Einflusses der Messparameter auf die Prfergebnis

21、se. Die bestehenden SPM-Verfahren wie Reibungskraftmikroskopie und Rasterkraftmikroskopie (AFM) bleiben unbercksichtigt. 2 Begriffe Fr die Anwendung dieses Dokuments gelten die folgenden Begriffe. 2.1 Verschlei n Beschdigung einer Festkrperoberflche, die im Allgemeinen mit fortschreitendem Materialv

22、erlust verbunden ist und die auf der relativen Bewegung dieser Oberflche zu einer oder mehreren in Berhrung stehenden Substanzen beruht ASTM G40 2.2 Reibungskraft F tangential zur Grenzflche zwischen zwei Krpern entgegenwirkende Kraft, wenn sich bei Einleitung einer ueren Kraft ein Krper relativ zum

23、 anderen bewegt oder dazu neigt ASTM G40 2.3 Reibungskoeffizient null f dimensionsloses Verhltnis der Reibungskraft (F) zwischen zwei Krpern zur Normalkraft (N), die diese Krper zusammendrckt ASTM G40 ANMERKUNG 1 null = F/N. ANMERKUNG 2 null 0. 3 Signifikanz und Anwendung Dieser Technische Bericht e

24、nthlt eine Anleitung zur Durchfhrung von mikro- und nanotribologischen Prfungen, wobei dem mglichen Einfluss der Prfbedingungen und Prfparameter auf die Ergebnisse, die erhalten werden, besondere Aufmerksamkeit gewidmet wird. Dieser Technische Bericht legt kein bestimmtes Paket an Prfbedingungen fes

25、t, die bei einer Prfung angewendet werden sollten. Die angemessenen Prfbedingungen sollten auf Grundlage von berlegungen zur letztendlichen Anwendung der bewerteten Materialien ausgewhlt werden. DIN CEN ISO/TR 11811 (DIN SPEC 91217):2012-12 CEN ISO/TR 11811:2012 (D) 6 4 Kurzbeschreibung Die tribolog

26、ischen Prfungen werden in Prfsystemen vorgenommen, die dafr ausgelegt sind, eine Probe gegen die andere mit geregelter Relativkraft whrend einer ebenfalls geregelten Relativbewegung zu pressen. Herkmmliche Gleit-/Rollprfungen werden mit Proben, deren Nennkontaktflchen Abmessungen von einigen Millime

27、tern oder mehr haben, und mit Prflasten in der Grenordnung von 1 N oder grer durchgefhrt. Den Schwerpunkt dieses Technischen Berichts stellen tribologische Prfungen dar, bei denen die Kontaktflchen Abmessungen zwischen wenigen Nanometern (nm) und 100 nm haben und die Lasten zwischen 50 N und 100 mN

28、betragen. Mit diesen Prfungen knnen sowohl Reibung als auch Verschlei gemessen werden. Ein Hauptziel der Prfungen ist die Bereitstellung von Informationen ber das tribologische Verhalten der Materialien im mikro- und nanoskaligen Bereich. Diese Informationen knnen zur Entwicklung eines Verstndnisses

29、 der nanoskaligen Mechanismen, die das Verschlei- und Reibungsverhalten der Materialien bestimmen, und der Abhngigkeit dieser Mechanismen von der Struktur des Materials beitragen. Anwendungsgebiete fr diese Messungen sind mikro- und nanoskalige Einrichtungen mit Gleit-/Rollkontakten, und die Simulie

30、rung von mikro- und nanoskaligen Kontakten, die makroskaligen Reibungskontakten zugrunde liegen. 5 Gerte und Prfmittel 5.1 Prfsysteme 5.1.1 bliche Sonden- und Probengeometrien blicherweise wird eine Sonde mit einer genau definierten Geometrie verwendet, um den Kontakt mit einer ebenen Probe (siehe 5

31、.2.11) herzustellen. Bei diesen Prfungen ist es oft wichtig, reale Kontakte zu simulieren, wo Merkmale wie Form des Kontakts und geometrische Parameter wie Kurvenradius der berhrenden Spitze in der wirklichen Anwendung reproduziert werden. Die angenommene Kontaktgeometrie, wie z. B. ein spitzer Kege

32、l, bei den Kontaktmastben, die bei den in diesem Technischen Bericht beschriebenen Prfungen zu erwarten sind, kann nicht immer als zutreffend vorausgesetzt werden. Die wirkliche Kontaktgeometrie hat nahezu immer eine abgerundete Form am uersten Ende der Kontaktsonde. Wenn eine Reihe von Prfungen dur

33、chgefhrt werden muss, ist es wichtig, die Wiederholprzision der Sondengeometrie zu bercksichtigen, damit die Kontaktbedingungen von einer zur nchsten Prfung wiederholt werden knnen. Im weiteren Verlauf dieses Technischen Berichts werden noch andere Einzelheiten zu den Proben angegeben. Obwohl in die

34、sem Unterabschnitt und an vielen Stellen in diesem Technischen Bericht die Wrter Sonde“ und Probe“ verwendet werden, sollte beachtet werden, dass sowohl Sonde als auch Probe verschlissen und beschdigt werden knnen. 5.1.2 Halten der Proben Die Probe und die Sonde mssen in einer bestimmten Art und Wei

35、se festgehalten werden, damit nur die vorgesehene Bewegung der Proben erfolgen kann. Mechanische Klemmvorrichtungen werden oftmals bevorzugt, jedoch darf in einigen Fllen ein Klebstoff zum Fixieren der Proben verwendet werden, z. B. wenn Kugeln als Sonden verwendet werden und am Sondenhalter zu befe

36、stigen sind. Bei der Verwendung von Klebstoff ist es wichtig, dass die Dicke des Klebstoffs auf ein Mindestma beschrnkt wird, um den Effekt jeglichen zeitabhngigen Flieens im Klebstoff zu vermindern und auerdem die Auswirkung der durch den Klebstoff eingebrachten verminderten Steifigkeit zu beschrnk

37、en. Des Weiteren sollte bei einer Verwendung von Klebstoff sowohl ausreichend Zeit fr das vollstndige Aushrten des jeweiligen Klebstoffs zur Ausbildung der maximalen Klebfestigkeit als auch ausreichend Zeit fr die Ableitung der durch exotherme Effekte erzeugten Wrme eingerumt werden, bevor die Prfun

38、g begonnen wird. DIN CEN ISO/TR 11811 (DIN SPEC 91217):2012-12 CEN ISO/TR 11811:2012 (D) 7 5.1.3 Erzeugung der Bewegung Die zwischen der Probe und der Sonde erzeugte Relativbewegung kann entweder durch Bewegen der Probe oder durch Bewegen der Sonde erhalten werden. In jedem Fall sollte die erzeugte

39、Bewegung genau definiert und reproduzierbar sein, damit Prfungen mit Wiederholvorgngen durchfhrbar sind. Die geringen vertikalen Versetzungen und aufgebrachten Lasten, die fr diese Prfungen gelten, bedeuten, dass besondere Sorgfalt notwendig ist, damit Unregelmigkeiten in der Bewegung selbst keine A

40、rtefakte in der aufgebrachten Last verursachen. Zustzliche Sorgfalt sollte der Minimierung von Bewegungsschwankungen und anderen Effekten auf Grund von Bodenbewegung, Schwankungen in der Umgebungstemperatur und Luftstrmungen (hervorgerufen durch Lftungsanlagen, Bediener und Laborgrte, um nur einige

41、mgliche Quellen zu nennen) gelten. Bewegung kann auf mehrere Arten erzeugt werden. Piezoelektrische Aktoren knnen verwendet werden, aber diese haben eine begrenzte Reichweite (blicherweise etwa 100 m). Servoelektrische Aktoren, Schwingspulen oder Schrittmotoren mit Getrieben zur Erlangung der erford

42、erlichen Bewegungsprzision knnen ebenfalls verwendet werden. In allen Fllen ist es wichtig, ein unabhngiges Auslenkungsma zu haben. Des Weiteren ist es wichtig, Arbeitsflchen und Antriebssysteme (Schlittensysteme) so zu konstruieren und auszulegen, dass Artefakte bei der z-Bewegung und der x-y-Beweg

43、ung, wie Hysterese oder Flankenspiel, minimiert werden. Zur Ausfhrung der notwendigen x-y-Bewegung und auch der groben z-Bewegung zum Heranbringen des Fhlers an die Probe sind drei Bewegungsachsen erforderlich. Die Bewegung auf der z-Achse sollte senk-recht zur Bewegung in der x-y-Ebene verlaufen. B

44、ei diesen Prfungen knnen verschiedene Arten der Bewegung angewendet werden. Die blichste Bewe-gungsart ist die oszillierende Hin- und Herbewegung in eine einzelne Lngsrichtung. Eine Variante dieser Bewegungsart bei erforderlicher einseitig gerichteter Bewegung ist, dass die Bewegung in eine Richtung

45、 unter Kontakt und bei der Rckbewegung ohne Kontakt abluft, so dass bei Wiederholdurchlufen eine mehrfache Kontaktbildung in derselben Richtung erhalten wird. Die Kreisbewegung ist auch blich, wobei die ebene Probe einfach von einem Motorantrieb gedreht wird. 5.1.4 Einleiten der Normalkraft Die einz

46、uleitende Normalkraft kann durch einige verschiedene Mechanismen erzeugt werden. Das einfachste Verfahren ist die Belastung mittels Totlast. Dies ist eine passive Verfahrensweise, die aber Sorgfalt erfordert, damit keine Lastartefakte wie parasitre Reibung im Belastungsmechanismus erzeugt werden. Di

47、e parasitre Reibung ist eine in den Bauteilen des Belastungsmechanismus erzeugte Reibung, die dazu fhrt, dass die tatschlich eingeleitete Kraft nicht der erforderlichen Kraft entspricht. Ein anderes bliches Verfahren zur Erzeugung der einzuleitenden Normalkraft ist die Anwendung der Kompression eine

48、s nachgiebigen Elements zum Erzeugen der Kraft, wobei die Normalkraft durch Messung der Kompression des nachgiebigen Elements bestimmt wird. Die Kompression des nachgiebigen Elements kann durch Wegmesswandler wie faseroptische Sensoren, Lichtbeugungssensoren oder kapazitive Ein-richtungen gemessen w

49、erden. Dabei ist wichtig, dass der Messbereich und die Przision der Wegmess-wandler auf die Durchbiegung des nachgiebigen Elements im Belastungssystem abgestimmt sind, damit die geforderte Auflsung und der erforderliche Lastbereich erhalten werden. Systeme knnen so ausgelegt sein, dass austauschbare nachgiebige Elemente verwendet werden knnen, um verschiede