Page 116 - 摩擦学学报2025年第9期

1370 摩擦学学报（中英文） 第 45 卷

CMOS camera
Imagery
Collimating Beam
Red light--640 nm lens expander
Green light--525 nm
Coupled laser

Filter fan
Coupled fiber
APO objective
lens Load
Glass disc
Pry bar

Drive Spindle
PDMS film Silicone system
sheet
Ceramic
ball Rotation
support

Fig. 3 Schematic diagram of optical test bench for in-situ contact mechanics of soft contact surfaces
图 3 软接触表面原位接触力学光学试验台示意图

后二者开始逐渐增大且直至稳定在某个值，且沿着载 2 试验结果及讨论
荷方向中心线对称. 接触直径2 a和压痕深度d的具体 2.1 接触直径的光学测量
测量方法如下： 首先，调整陶瓷球与PDMS薄膜的间隙令二者处
(1) 接触区的直径2 a测量较为直观，首先利用标 于似接触而非接触的状态，如图5(a)的第1张光干涉图
度尺对拍摄的图像进行标定，如图4(b)所示，例如本研 像所示，此时认为施加载荷为零. 随后利用砝码对陶
究中尺寸为2 mm对应的像素点个数为750，意味着 瓷球依次施加1、 2、…、16 N的载荷，同步启动高速相
1个像素点对应的长度约为2.667 μm，分析试验过程 机记录PDMS薄膜的变形过程. 每个载荷下的干涉图
中采集到的图像中具体像素点数即可求出相应的接
均取随时间不再变化而稳定后的接触直径2 a作为测
触直径2 a的尺寸. 量值，实现了PDMS薄膜在径向上的大变形随载荷的
(2) 需要说明的是整个变形区域上各个点的压痕
变化过程的可视化测量. 图5(a)所示的光干涉图像显
深度是不同的，本研究中仅测量陶瓷球与PDMS薄膜
示变形区域的接触直径2 a随载荷的增大而增大，且范
的最低接触点O的压痕深度d并研究其变化规律，其测
围为1.01~2.21 mm，实现了微米级分辨率大变形尺寸
量原理基于光干涉测量技术，当红、绿2束激光经过
的精准测量，同时发现当载荷小于6 N时，2 a的变化受
45°棱角进行分束，一束光直接反射到光路系统，另一
载荷影响较大，但随着载荷的进一步增大，2 a的变化
束光依次穿过玻璃盘、PDMS薄膜和陶瓷球表面，被
逐渐减缓. 图5(b)所示为接触半径 a 的测量值与赫兹
3
反射回来的光再沿垂直方向回到光路系统，两束光发
接触理论的预测值的对比曲线，赫兹理论中接触半径
生干涉而形成干涉条纹，以牛顿环的形式呈现，利用 [29]
3
a 与载荷w的关系表达式 如式(1)所示.
编写的DIIM软件分析光强的变化即可计算出d的变 Å ã
1−v 2 1 1−v 2 2
化，具体测量原理见参考文献[28]. 3w +
3
a = Å E 1 E 2 (1)
如图4(c)所示，在整个铺满PDMS薄膜的橙色区 1 1
ã
8 +
域内选择6个等间距分布测量点的数据并取其平均 d 1 d 2
值，最大程度排除PDMS薄膜厚度不均和其他随机因 式中： w为施加的载荷，ν 和ν 分别为陶瓷和PDMS的
2
1
素的影响，确保试验结果的准确性，所有测试均在室 泊松比，E 和E 分别为陶瓷和PDMS的弹性模量，d 为
1
2
1
温下进行(T = 22 ± 2 ℃). 陶瓷球的直径，d 为无穷大，具体值详见1.1部分.
2