复合纳米薄膜制备及其摩擦学行为研究

摘要

微/纳机电系统(MEMS/NEMS)技术的发展催生了许多新的科学问题，降低粘着力和摩擦力已成为微机械制作和使用过程中必须解决的问题，微构件表面改性和润滑是改善构件表面摩擦学性能、提高抗粘附性能、保持系统稳定的两个有效方法。近年来发展起来的沉积技术以及分子自组装技术为解决这些难题提供了有力的技术支撑。论文主要从材料表面改性研究着手，探索改善微构件之间的摩擦学性能的新方法，主要研究内容和成果包括以下几个方面：
　　 第一，创新地提出了一种三明治结构的复合纳米薄膜，并成功运用沉积设备以及分子自组装技术制备了该复合结构薄膜及对比组薄膜。选用两种偶联剂材料将弹性体材料通过化学键链接到单晶硅基底材料上，考察了不同基团、反应时间、反应温度对自组装薄膜的组成及表面质量的影响，确定了最佳自组装薄膜制备方法。分别采用电子回旋共振增强化学气相沉积(ECR-CVD)和磁过滤阴极真空电弧技术(FCVA)方法制备出类金刚石(DLC)薄膜。结果表明：在真空熔融状态220℃条件下制备的自组装弹性薄膜表面质量最好。
　　 第二，运用原子力显微镜(AFM)研究了薄膜的表面形貌，采用X射线光电子能谱仪(XPS)、拉曼光谱仪、接触角测定仪分析了薄膜的结构及其表面能。结果表明：FCVA方法制备的类金刚石薄膜DLC(F)含有更多的sp3键；偶联剂γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(A187)薄膜表面能比偶联剂γ-氨丙基三甲氧基硅烷(APS)薄膜的要高，这提高了聚（苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯）类嵌段共聚物(SEBS)弹性体中马来酸酐与偶联剂A187中基团的反应效果。
　　 第三，运用摩擦磨损试验机(UMT)对弹性自组装薄膜(A187SEBS、APSSEBS)、硬质超薄DLC薄膜(DLC(F)、DLC(C))以及弹性自组装膜\DLC双层复合纳米薄膜(AI87DLC(F)、A187DLC(C)、APSDLC(F)、APSDLC(C))这三种类型薄膜进行了微观摩擦学行为研究。结果表明：单晶硅表面运用自组装和沉积技术进行改性修饰后可以显著改善其摩擦学性能，使摩擦系数由0.6降低到0.1附近；低转速条件下，单晶硅基底上的弹性自组装薄膜APSSEBS的承载能力较A187SEBS要差，而在低载、低转速条件下，两种自组装复合纳米薄膜的摩擦系数相当，都能稳定在较低的值；含DLC(F)的薄膜摩擦系数低于含DLC(C)的薄膜，同时可以承受更高的载荷。对比三种类型薄膜，对低载工况，A187DLC(F)复合纳米薄膜的摩擦系数最稳定，而对于高载工况，DLC(F)膜具有更好的摩擦学性能。
　　 第四，对制备的薄膜进行纳米力学性能测试，结果表明：由于薄膜厚度较小，随着载荷增加，尺寸效应的影响较明显。随着压入深度增加，自组装薄膜的硬度和弹性模量逐渐增加，硬质DLC薄膜的的硬度和弹性模量逐渐减小，复合纳米薄膜的硬度逐渐减小而弹性模量则先减小后增加。
　　 第五，推导了接触刚度与最大压入深度之间的线性关系表达式，并进行了实验验证；讨论了针尖形貌对测试结果的影响，推导了针尖曲率半径与测试误差之间的关系表达式，发现误差主要来源于非理想的探针针尖所导致的接触面积确定问题，针尖曲率半径越大，误差越大。
　　 第六，对三种类型的薄膜进行了划痕测试，获得了薄膜的临界载荷，结果表明：DLC(F)薄膜的临界载荷最高达到8000μN；A187DLC的临界载荷高于APSDLC的临界载荷。加载速率对薄膜的临界载荷测试影响不大，但是薄膜一旦失效，加载速率越慢，测得的侧向力越大。
　　 第七，对塑性和弹塑性材料进行了循环载荷接触研究，结果表明：低载时材料的硬度随循环次数增加而增加，对于高载，硬度呈减小趋势，并且塑性材料硬度的减小率略大于弹塑性材料。随着循环次数增加，两种材料的接触刚度保持稳定，塑性材料的弹性模量基本不变，而弹塑性材料的弹性模量逐渐减小。
　　 综合比较了三种类型薄膜的多种性能，表明本文提出的含有弹性体的复合纳米薄膜，在低载条件下具有优秀的摩擦学性能和力学性能，可以用于微机械设计中，为解决微构件之间的摩擦学问题提供了一种新的思路。
　　 本文在国家自然科学基金(No50475124)的资助下完成。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 摩擦理论及研究进展

1.2.1 概述

1.2.2 材料本体强化及表面微造型研究

1.2.3 表界面材料改性

1.3 润滑理论及研究进展

1.3.1 润滑理论概述

1.3.2 纳米润滑薄膜的特性

1.4 本论文研究目的和内容

第二章 复合纳米薄膜设计及制备

2.1 复合纳米薄膜设计

2.2 DLC薄膜制备

2.2.1 实验设备

2.2.2 实验材料

2.2.3 硬质薄膜制备

2.3 软膜及弹性复合纳米薄膜制备

2.3.1 SAM分子膜成膜机理

2.3.2 硅烷偶联剂

2.3.3 实验材料

2.3.4 自组装薄膜制备方法

2.4 自组装薄膜质量的影响因素研究

2.4.1 反应时间对薄膜表面形貌的影响

2.4.2 反应温度对薄膜表面形貌的影响

2.4.3 不同偶联剂对薄膜表面形貌的影响

2.5 本章小结

第三章 复合纳米薄膜的性能表征研究

3.1 引言

3.2 表征设备介绍

3.2.1 AFM测试原理

3.2.2 其他表征设备

3.3 复合纳米薄膜的表面形貌分析

3.4 自组装薄膜的XPS分析

3.5 DLC薄膜的Raman分析

3.6 复合薄膜的接触角研究

3.7 本章小结

第四章 复合纳米薄膜的摩擦学性能研究

4.1 引言

4.2 单晶硅的摩擦学测试

4.3 DLC薄膜样品的摩擦学性能

4.3.1 载荷对摩擦性能的影响

4.3.2 滑动速度对摩擦性能的影响

4.3.3 两种DLC薄膜的磨损试验研究

4.4 分子自组装薄膜的摩擦学性能

4.5 三明治结构复合纳米薄膜的摩擦学性能

4.6 本章小结

第五章 复合纳米薄膜的纳米力学性能研究

5.1 引言

5.2 设备介绍

5.2.1 设备原理

5.2.2 设备功能介绍

5.3 理论基础

5.4 复合薄膜力学性能测试

5.4.1 硬度与弹性模量测试

5.4.2 压入深度对材料力学性能测试的影响

5.4.3 压入深度与接触刚度的关系

5.4.4 加载速率对材料力学行为测试的影响

5.5 针尖形貌的尺寸效应

5.5.1 概述

5.5.2 针尖效应的理论推导

5.6 复合薄膜的界面结合力测试

5.6.1 界面结合力概述

5.6.2 实验部分

5.6.3 不同加载速率下薄膜的耐划擦行为研究

5.7 本章小结

第六章 复合纳米薄膜的接触疲劳研究

6.1 概述

6.2 接触力学行为研究

6.2.1 实验方法

6.2.2 结果与讨论

6.2.3 材料力学性能变化

6.3 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 论文的主要结论

7.2 论文的主要贡献与创新点

7.3 未来工作的展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间所取得的成果