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用于潔凈室的材料組合的評(píng)估
 2006年07月27日　　　　
      迄今為止，在技術(shù)上，關(guān)于表面的摩擦組合所產(chǎn)生的粒子，還不存在一個(gè)科學(xué)合理的模型。這樣的一個(gè)模型將有助于我們?cè)谠骷拈_(kāi)發(fā)階段，針對(duì)潔凈生產(chǎn)目的而選擇合適的材料。

Udo Gommel、Andreas Schuele
Fraunhofer制造工程和自動(dòng)化研究所(IPA)

生產(chǎn)設(shè)施產(chǎn)生的粒子，通常都是在摩擦和振動(dòng)這兩個(gè)處理過(guò)程中產(chǎn)生的。其中，生產(chǎn)設(shè)備表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦過(guò)程是主要原因。迄今為止，在技術(shù)上，關(guān)于表面的摩擦組合所產(chǎn)生的粒子，還不存在一個(gè)科學(xué)合理的模型。這樣的一個(gè)模型將有助于我們?cè)谠骷拈_(kāi)發(fā)階段，針對(duì)潔凈生產(chǎn)目的而選擇合適的材料。

一個(gè)解決辦法
FraunhoferIPA開(kāi)發(fā)出了一種標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法，可以驗(yàn)證不同材料組合的粒子污染性狀。材料的測(cè)試工作臺(tái)可以讓原材料在一個(gè)無(wú)污染的環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，評(píng)估它們?cè)跐崈羰噎h(huán)境下使用的適宜性。開(kāi)發(fā)出這樣一套科學(xué)合理的測(cè)試方法，可以確保測(cè)量結(jié)果的可重復(fù)性、可比較性、**性，以及描述的正確性。
為了對(duì)所獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估和分類，還同時(shí)開(kāi)發(fā)出了特殊的評(píng)定方法。測(cè)量數(shù)據(jù)所采用的分析算法，可以清晰地顯示出不同的材料組合在用于潔凈的生產(chǎn)區(qū)域時(shí)的適宜性。

材料測(cè)試方法的開(kāi)發(fā)
可以采用不同的方法來(lái)獲取兩個(gè)實(shí)體之間的摩擦（見(jiàn)圖1）。

圖1. “Roller-on-disk”測(cè)
試方法（上圖），“disk-on
-disk” 測(cè)試方法（中部）
和“ball-on-disk”測(cè)試
方法（下圖）。
采用“ball-on-disk”測(cè)試方法時(shí)，把小球壓在圓盤(pán)的表面上。它們之間是點(diǎn)接觸，并且小球是固定的。采用“disk-on-disk”測(cè)試方法時(shí)，一個(gè)圓盤(pán)在軸承上旋轉(zhuǎn)著側(cè)向接近驅(qū)動(dòng)盤(pán)，而后在上面碾壓。它們之間是線接觸，且他們之間的接觸表面都是曲線。采用“roller-on-disk”的測(cè)試方法，一個(gè)滾輪（例如，一個(gè)不銹鋼或者PA6的滾輪）碾壓在圓盤(pán)的表面上（該圓盤(pán)表面上有需要測(cè)試的涂層）。這種方法用于測(cè)試會(huì)發(fā)生滾動(dòng)摩擦的表面覆蓋物和涂層。例如，“roller-on-disk”測(cè)試方法就會(huì)被應(yīng)用于測(cè)試潔凈室的地板覆蓋物（上面總是有車子和滾輪滾過(guò)）。
由于“ball-on-disk”測(cè)試方**經(jīng)常性的在文獻(xiàn)中出現(xiàn)，并且得到了廣泛的應(yīng)用，所以我們可以從中獲取關(guān)于粒子產(chǎn)生的**的數(shù)據(jù)記錄。同時(shí)，該方法還有另一個(gè)更大的優(yōu)點(diǎn)，那就是，材料間的接觸是點(diǎn)接觸，這使得該方法在本質(zhì)上具備了可標(biāo)準(zhǔn)化的特性。于是“ball-on-disk”測(cè)試方法可用于如下情況：在測(cè)試中，小球的直徑為d，其下方的測(cè)試圓盤(pán)以頻率f轉(zhuǎn)動(dòng)。在半徑為r的地方，采用一個(gè)大小為FN的正向壓力將小球壓在圓盤(pán)上。在小球和圓盤(pán)的接觸區(qū)域，伴隨著材料的磨損，產(chǎn)生了粒子。磨損的痕跡就此形成。這些實(shí)量（應(yīng)力的范圍，移動(dòng)的距離，在部分距離上的多應(yīng)力等）所記錄的壓力值可以和磨損痕跡以及接觸位置的特性相關(guān)聯(lián)起來(lái)，用來(lái)做分析。
基于預(yù)測(cè)試，F(xiàn)raunhofer IPA采用”ball-on-disk”原則，開(kāi)發(fā)出了一個(gè)適合該測(cè)試的試驗(yàn)臺(tái)（見(jiàn)圖2）。

圖2. Fraunhofer IPA設(shè)計(jì)制造的用于評(píng)定材料的潔凈室
適宜性和潔凈度適宜性的試驗(yàn)臺(tái)。

類似于粒子釋放測(cè)試，我們還可能同時(shí)確定出摩擦力。粒子釋放是進(jìn)行結(jié)果比較的基礎(chǔ)。利用通過(guò)不同的粒子尺寸渠道（>0.2祄、>0.3祄、>0.5祄和>5.0祄）獲得的測(cè)量值，可以確定出“粒子體積”值。摩擦力與該值之間以獨(dú)立或復(fù)合（作為衍生值，例如磨損體積）的形式相關(guān)聯(lián)。采用這種方法，就可以估算出摩擦力和粒子釋放值之間的相關(guān)系數(shù)。

材料組合的分級(jí)模型

圖3. 上圖：一個(gè)材料組合在單一壓力
下的粒子釋放微分圖。由于圖形不穩(wěn)定，
這一變化圖不能用來(lái)確定材料組合的潔
凈室適宜性。下圖：在不同壓力條件下
的粒子釋放積分圖。在這里，我們可以
得到曲線的變化與所施加的不同壓力之
間的直接關(guān)系。

測(cè)試的主要目的就是觀察并刻畫(huà)出在摩擦力作用期間粒子釋放的變化特
。采用光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器可以提供出粒子的測(cè)量差分值，也就是，以單位時(shí)間測(cè)量值內(nèi)或單位體積測(cè)量值內(nèi)的粒子數(shù)的形式提供。在處理過(guò)程中，通常隨著旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的增加，粒子測(cè)量值都會(huì)有輕微的增加。然而，粒子釋放的增量卻無(wú)法估算出來(lái)，因?yàn)樵搱D非常不穩(wěn)定（見(jiàn)圖3上圖）。由于粒子產(chǎn)生的數(shù)量與旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)直接相關(guān)，而與經(jīng)歷的時(shí)間只僅僅是間接相關(guān)，所以我們都采用旋轉(zhuǎn)圈數(shù)而不用測(cè)量時(shí)間作為新的控制變量。
如果把一定旋轉(zhuǎn)圈數(shù)下產(chǎn)生的粒子都加起來(lái)，其值就等于粒子測(cè)量值的積分。采用這種表述方式，結(jié)果曲線就顯示出一個(gè)穩(wěn)定的增長(zhǎng)（見(jiàn)圖3下圖）。在采用非線性回歸獲得大致的累積粒子釋放圖后，該曲線就可以進(jìn)一步從數(shù)學(xué)的觀點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確的度量。對(duì)一個(gè)材料組合的潔凈室適宜性的度量，可以反映在粒子釋放曲線的上升率上。因此，一個(gè)淺的曲線實(shí)際上就等價(jià)于一個(gè)良好的潔凈室適宜性。如果曲線上升的越快或者說(shuō)越深，那么就意味著該材料組合越不適于用在高標(biāo)準(zhǔn)的潔凈室環(huán)境。
評(píng)價(jià)材料組合的潔凈室適宜程度的一個(gè)辦法就是：將在摩擦力作用期間產(chǎn)生的在空氣中傳播的粒子數(shù)，與決定潔凈室潔凈程度的限定值進(jìn)行比較。將DINENISO14644-1中定義的每個(gè)空氣潔凈等級(jí)所允許的大粒子數(shù)的限定值進(jìn)行轉(zhuǎn)化時(shí)，與測(cè)試時(shí)旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)有關(guān)，這是一個(gè)材料等級(jí)的圖解結(jié)果，很適合解決該問(wèn)題。為了獲得關(guān)于材料組合的潔凈室適宜程度的合理描述，其參考的轉(zhuǎn)數(shù)必須固定下來(lái)。這樣，材料組合就可以直接定義出其潔凈室適宜程度，也就是所謂的“材料等級(jí)”。

材料分級(jí)的發(fā)展
對(duì)材料組合進(jìn)行預(yù)分組，就是為了檢查材料的評(píng)估方法而執(zhí)行預(yù)測(cè)試，已經(jīng)顯示出了其合理的結(jié)論。為了達(dá)到預(yù)測(cè)試的目的，對(duì)8種不同的材料組合進(jìn)行測(cè)試（見(jiàn)圖4）。

圖4. 上圖：基于材料等級(jí)的材料組合
評(píng)估。等級(jí)圈的大小反映出了等級(jí)以
及材料規(guī)格的可重復(fù)性。下圖：材料
組合估計(jì)縱覽，基于DIN EN ISO
14644-1中所規(guī)定的空氣潔凈等級(jí)。
測(cè)試只重復(fù)執(zhí)行了兩次。頂部的圖顯示出了材料組合是如何分組到不同的材料等級(jí)的。
在材料測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)上，材料組合將加載上一個(gè)典型的應(yīng)力，產(chǎn)生粒子磨損。測(cè)試時(shí)，在一分鐘的測(cè)量時(shí)間間隔和一立方米的測(cè)試體積內(nèi)，粒子釋放值有一個(gè)理論期望值。根據(jù)測(cè)試中設(shè)置的測(cè)試時(shí)間間隔，這些粒子濃度可以相關(guān)聯(lián)到DINENISO 14644-1中定義的空氣潔凈度。
于是，按照這些等級(jí)，就可能對(duì)材料組合的潔凈室適宜程度做出評(píng)定。采用材料類別的物質(zhì)分類，為了向用戶明確表明，這一等級(jí)劃分是基于在試驗(yàn)臺(tái)上賦予材料成體系的壓力等級(jí)，并且該等級(jí)劃分是通過(guò)相關(guān)數(shù)學(xué)計(jì)算得到的。采用先前所描述的測(cè)試條件，所獲得的結(jié)論表明，處于材料等級(jí)1的材料組合，可以滿足實(shí)行ISO等級(jí)1規(guī)格的潔凈室的使用；處于材料等級(jí)2的材料組合，可以滿足實(shí)行ISO等級(jí)2規(guī)格的潔凈室的使用，等等。
圖4下圖所示的是從預(yù)測(cè)試中獲得的材料組合的潔凈室適宜性等級(jí)的概觀。這一等級(jí)劃分體現(xiàn)出了良好的匹配性；這是因?yàn)闇y(cè)得的是“真實(shí)的”粒子釋放值，且等級(jí)劃分的計(jì)算采用了回歸的方式。
為了獲得不同材料組合在各種材料變化和壓力下，有關(guān)潔凈室適宜性等級(jí)劃分的初步值，就要測(cè)試盡可能多的材料組合。對(duì)于個(gè)別的、具有大量細(xì)節(jié)的高精度材料應(yīng)力，不會(huì)給予過(guò)多的關(guān)注。這一概念也是潔凈室適宜材料(CleanroomSuitableMaterials(CSM))工業(yè)聯(lián)盟所追求的。目前正在對(duì)由參加的工業(yè)伙伴所選擇的40～50中不同的材料組合進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)試，并對(duì)它們的粒子釋放進(jìn)行評(píng)估。這么做的目的是為了幫助潔凈室生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計(jì)者選擇具有更低粒子釋放水平的材料，并使所采用的材料的粒子釋放特性對(duì)于設(shè)備購(gòu)買商來(lái)說(shuō)更清晰。

總結(jié)
用于評(píng)定所有材料組合的潔凈室適宜性的等級(jí)劃分模型的優(yōu)點(diǎn)概括如下：
● 采用摩擦預(yù)測(cè)試就可以對(duì)材料組合的潔凈室適宜性進(jìn)行預(yù)估計(jì)。
● 采用摩擦數(shù)據(jù)庫(kù)可以將相關(guān)性體現(xiàn)出來(lái)。
● 無(wú)需制造出真實(shí)生產(chǎn)設(shè)備的昂貴的模型，就可以對(duì)材料的適宜性進(jìn)行測(cè)試。
● 可以對(duì)用在具有嚴(yán)格空氣潔凈程度要求的潔凈室中的材料組合進(jìn)行獨(dú)立評(píng)估。
● 在選擇材料的時(shí)候，不再需要進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。

作者簡(jiǎn)介
UdoGommel是在德國(guó)Stuttgart的Fraunhofer生產(chǎn)過(guò)程和自動(dòng)化（IPA）研究所的一個(gè)團(tuán)隊(duì)經(jīng)理。他的電郵地址是gommel@ipa.fraunhofer.de。
AndreasSchuele在德國(guó)Stuttgart的Fraunhofer生產(chǎn)過(guò)程和自動(dòng)化（IPA）研究所工作，專攻無(wú)菌生產(chǎn)和測(cè)量技術(shù)。他的電郵地址是schuele@ipa.fraunhofer.de。

用于潔凈室的材料組合的評(píng)估
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