论文总字数：18977字

摘 要

关键词：表面力仪 热漂移 快速装卸 液池

Optimize and process of the surface forces apparatus

02012513 ShangHui

Supervised by KanYaJing

Abstract: The surface forces apparatus (SFA) has been used for many years to measure the physical forces between two surfaces, such as van der Waals force electrostatic force in vapors and liquids, adhesion and capillary force. Here, we design and optimize the SFA 2000 model, aiming at the effective reduction of the thermal drift and fast assembly For this purpose, we employ the concept of modularization. Specifically, most of the parts in the SFA chamber, including the top disk holder, the lower disk holder and the tectum for covering surfaces, are completely redesigned. The new top disk holder and a petri dish-like cell are introduced in one module, in which the sample surfaces can be mounted and immersed in buffer liquids in advance The operation of sample preparation in this way may effectively reduce the possibility of contamination, and inhibit the effects of thermal drift on force measurements. After that, the top disk holder and the cell in a module will be put back into the chamber and fixed with the top connection and the lower disk holder, respectively, avoiding any interference during the measurement. Besides, a liquid outlet at the bottom of the liquid cell is opened for solution exchange, while in absence of disassembling the chamber, that is helpful to keep the thermal equilibrium.

Key words: surface forces apparatus thermal drift fast assembly liquid cell

目 录

表面力仪的优化与加工 1

1. 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2 SFA的发展 1

1.2.1 早期版本的SFA 1

1.2.2 SFA MK I～III 2

1.2.3 一些现有 SFA的局限性 2

1.3 SFA 2000 3

1.3.1 SFA2000的基本结构及原理 3

1.3.2 可变刚度的测力弹簧 6

1.3.3 多光束干涉法 6

2 热漂移和毛细管力现象 7

2.1 毛细管力 7

2.2 热漂移 9

3.存在问题与研究任务 10

3.1 热漂移存在的影响 10

3.2 两表面样品的快速装卸 11

4 关键零部件设计过程 17

4.1 初期设计 17

4.2 设计分析与完善 19

4.2.1 液池设计的提出 19

4.2.2 模块化设计 19

4.3 关键部件的结构 20

4.3.1 下支撑 20

4.3.2 液池 20

4.3.3 上支撑 22

4.3.4 上支撑连接件 23

4.3.5 顶盖与推杆 24

4.3.6 前盖与壳体 25

4.4 关键零部件的配合关系 26

4.4.1 液池与上支撑的配合 26

4.3.2 顶盖与推杆、连接件的配合 27

4.3.3 整体配合 28

4.4 完整快速装卸过程 29

4.5 材质选取与公差确定 32

5 总结与展望 33

致谢 35

参考文献： 36

表面力仪的优化与加工

绪论

1.1研究背景

研究分子间或分子聚集体之间相互作用是了解物质的微观及宏观的各种物理化学性质，认识物质构建规律，以及探索生命奥秘的基础。长期以来，科学家们希望能够直接的测量分子(或分子聚集体)间的作用力^[1]。表面力仪( Surface Force Apparatus,通常简写为SFA)便是一种可直接测定微小表面间分子间相互作用力与表面间距离关系的精密仪器。其最初是作为一种可直接测量固体表面分子作用力与壁面间隙之间的关系的仪器而出现的，测量的精度要求在纳米级^[2]。经过多次的完善, 自进入90年代初以来, 继AFM(Atomic force microscope), STM(Scanning tunnel microscope)之后, SFA 已经成为了一种非常重要的纳米科学研究工具.它有个显著的一个特点是:能根据不同的需要来配备不同的部件, 从而可以适用于众多领域的研究，如：胶体及界面科学、细观流体力学、纳米摩擦学等。

1.2 SFA的发展

1.2.1 早期版本的SFA

早在1952 年，Overbeek 和 Sparnaay 就已经实现了对高度抛光玻璃和石英板之间的长距离吸引力的测量。不过由于尘埃粒子或表面粗糙度的原因，对于小距离作用力的测量 (小于 20 毫微米)是比较困难的。在他们的工作中，表面之间的距离的确定方法是通过牛顿干涉色原理，并且将其中一个表面安装在弹簧上，通过测量弹簧的形变量来确定力。

1969 年，Tabor和Winterton提出了最早的表面力仪设想，其对表面间距的控制可以低至 5-30 纳米（10^-9m)，并且间距分辨率达到3埃（10^-10m)。在此仪器中，他们使用多光束干涉 (MBI)的方法来首次测量空气中云母的光滑分子表面间的跳动距离，来确定范德华力。在这种 '跳动测量法'中，一个表面用弹簧固定，而其他表面的运动可以通过使用压电传感器来控制。Israelachvili 和Tabor在此之后扩展了此方法，通过跳动测量法测量力的范围从 1.5 至 20 纳米，也用他们所谓的共振法测量从 10 至 130 纳米的范围^[4]。在共振方法中，表面置于低压蒸汽环境中，一个表面以一个已知频率振动，此振幅取决于范德华力，同时相对的表面用压电双压电晶片应变计测量。与此同时，他们也表示了这个方法也适用于测量空气中沉积在云母表面上的单分子层之间的表面力。

1.2.2 SFA MK I～III

一种后来被Israelachvili 和 Adams 称为MK I的新装置，它能测量沉浸在液体中的表面间的作用力。在这仪器中，用微米级的电机或者压电双晶体，可以使两云母片表面相互分开或靠近。以及用一个压电晶片使测微计在一定范围内控制在埃的等级精度。与早期的SFA版本类似，表面之间的距离用MBI确定，以及表面之间的力是通过将较低的表面装在已知弹簧常数的悬臂弹簧上测定的。

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