自组装分子/离子液体复合薄膜的制备及摩擦学性能研究

摘要

随着微机电系统（MEMS）在各个领域中的研究和应用日益加深，以黏着、摩擦和磨损为代表的摩擦学问题成为了制约MEMS发展的瓶颈。对MEMS微型构件进行表面改性和润滑是降低黏着，并减小摩擦、磨损，从而改善MEMS摩擦学性能的有效方法，具有重要的学术和工程价值。
　　根据自组装分子薄膜（SAMs）原理和不同组装分子的结构、反应特性，设计了以单晶硅（Si）为基底，以N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷（DA）分子为基底连接层，以月桂酰氯（LA）分子为中间强化层的硅烷基双层SAMs（DA-LA）；从化学反应和热力学角度对DA-LA的组装反应过程进行了分析和计算，揭示了组装反应自发性机理；利用分子动力学模拟技术建立了硅烷基SAMs体系的优化模型，通过模拟计算直观的得到了组装过程中的能量及温度变化情况，为从分子水平探索成膜机理提供了新途径。
　　基于上述机理研究，运用分子自组装技术成功地在Si基底上制备了硅烷基SAMs体系；利用原子力显微镜（AFM）考察了溶液浓度和组装时间对成膜质量的影响，得到制备硅烷基单、双层SAMs的最佳工艺参数。借助接触角测量仪和全反射傅里叶变换红外光谱仪（ATR-FTIR）对最佳制备条件下的硅烷基SAMs体系的润湿性能和化学组分进行了表征。结果表明：随着分子薄膜的逐层组装，其表面的疏水性能和内部的键合稳定性逐渐增强。
　　通过浸渍-提拉和喷覆两种不同的制膜方式，分别在硅烷基单、双层SAMs表面上引入1-十二烷基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐离子液体（ILs）作为表面润滑层，制备了硅烷基自组装分子/离子液体复合薄膜体系，并对它们进行了表面形貌、润湿性能和化学组分的表征。实验结果表明，制膜方式和下层表面特性对复合薄膜的成膜状态影响较大，采用喷覆方式制备的硅烷基双层自组装分子/离子液体复合薄膜DA-LA-ILs呈现出均匀紧凑的离散膜状态，表现出良好的疏水性能，丰富了复合薄膜制备及表征研究的实验基础。
　　采用AFM测试了硅烷基SAMs的黏着力和微观摩擦力，运用微摩擦磨损试验机和超景深显微镜考察了复合薄膜体系的宏观减摩、抗磨特性。从微观和宏观尺度上对比研究了复合薄膜体系的摩擦学性能，综合分析了基底连接层、中间强化层、表面润滑层对减小表面摩擦，延长耐磨时间的协同作用机理。结果表明，采用喷覆方式制备的DA-LA-ILs表面摩擦系数最低，并在实验时间1350s内未发生磨损现象，显示了优异的减摩、抗磨性能，能够作为有效的润滑薄膜，为自组装分子薄膜和离子液体在MEMS润滑领域的应用提供了理论依据和实验指导

目录

声明

第1章 引言

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容

第2章 硅烷基自组装分子薄膜的组装机理研究

2.1 本章引言

2.2 硅烷基自组装分子薄膜的设计及反应机理研究

2.3 硅烷基自组装分子薄膜的分子动力学模拟

2.4 本章小结

第3章 硅烷基自组装分子薄膜的制备及表征

3.1 本章引言

3.2 实验部分

3.3 薄膜的表征

3.4 本章小结

第4章 硅烷基自组装分子/离子液体复合薄膜的制备及表征

4.1 本章引言

4.2 实验部分

4.3 薄膜的表征

4.4 本章小结

第5章 硅烷基自组装分子/离子液体复合薄膜摩擦学性能研究

5.1 本章引言

5.2 微观摩擦学性能研究

5.3 宏观摩擦学性能研究

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

致谢

在学期间发表的学术论文与研究成果