混合自组装膜共吸附法的制备及其微摩擦学性能研究

摘要

随着自组装膜（SAMs）技术在MEMS器件润滑方面研究的不断深入，有机硅烷类 SAMs特别是由两种及两种以上硅烷分子制备的混合 SAMs以其特有的减摩性能得到了研究人员的广泛关注。本文对3-氨基丙基三乙氧基（APS）和十二烷基三甲氧基（WD-10）两种硅烷分子混合自组装膜的制备工艺及其微摩擦学性能进行了研究。
　　为了获得混合自组装膜制备过程中最佳的组装工艺，利用 Materials Studio（MS）软件，分别建立Si（100）基底、APS和WD-10的分子模型，并基于硅烷分子在基底表面的覆盖率，建立了包含SAMs层和硅片基底层的分子体系模型。同时，对创建的分子体系模型进行分子动力学模拟，探究了不同组装温度和分子浓度比等制备工艺对混合自组装膜性能的影响，为混合自组装膜的制备实验提供理论依据。
　　基于MS软件模拟结果，在利用共吸附法自组装技术制备APS和WD-10混合分子膜的过程中，充分考虑组装温度、分子浓度比以及组装时间、溶液的PH值等制备环境对其性能的影响，制定了正交试验表制备出相应的混合自组装膜。利用 X射线光电子能谱仪（XPS）与原子力显微镜（AFM）分别对制备好的混合自组装膜和原始硅片表面的化学组成元素与表面形貌进行表征分析，通过结果对比，获得混合自组装膜制备过程中的最好组装条件，确定最佳的制备工艺。
　　通过对混合自组装膜共吸附法的制备过程进行热力学计算，得出硅烷分子能够自发的吸附在硅片基底表面；利用微分变化和Maxwell关系式，推导出混合分子膜表面能的计算公式，发现薄膜表面能的降低有助于硅烷分子在基底组装反应的自发进行。同时，对共吸附法制备过程中环境因素影响硅烷分子在基底表面的组装机理进行了研究。
　　最后，利用摩擦磨损试验机（UMT）对三种不同浓度比混合分子膜进行宏观摩擦实验，探究了SAMs技术的减摩润滑情况。同时，利用MEMS微摩擦试验机对混合分子膜的微观摩擦学性能进行了测试，分析了微摩擦过程中的摩擦机理，并对不同浓度比混合分子膜与原始硅片的摩擦系数与相对滑动速度之间的关系进行了测量，探讨了不同载荷对混合自组装膜摩擦系数的影响。

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变量注释表

1 绪论

1.1 研究背景和意义(Background and Significance of the Study)

1.2 国内外研究现状(Situation of the Study)

1.3 主要研究内容(Content of the Thesis)

2 混合自组装膜的分子动力学模拟

2.1 Materials Studio简介(Introduction of the Materials Studio)

2.2 SAMs模型的建立(Building of the SAMs Model)

2.3 分子动力学模拟分析(Analysis of the Molecular Dynamics Simulation)

2.4 不同条件对界面结合能的影响(Influence of the Interface Binding Energy on Different Conditions)

2.5 本章小结(Summary of the Chapter)

3 混合自组装膜的制备及其表征

3.1 制备SAMs的准备工作(Previous Work on Preparation of the SAMs)

3.2 混合自组装膜的制备(Preparation of the Mixed SAMs)

3.3 混合自组装膜的表征(Characterization of the Mixed SAMs)

3.4 本章小结(Summary of the Chapter)

4 混合分子膜的组装机理研究

4.1 混合分子膜组装过程的热力学分析(Thermodynamic Analysis of the Mixed SAMs)

4.2 混合分子膜的表面能分析(Surface Energy Analysis of the Mixed SAMs)

4.3 共吸附法混合分子膜的组装机理(Assembly Mechanism of the Mixed SAMs by Co-Adsorbed Method)

4.4 本章小结(Summary of the Chapter)

5 混合自组装膜的微摩擦学性能研究

5.1 试件及其表面SAMs的制备(Specimen and Preparation of the Surface SAMs)

5.2 混合自组装膜的宏观摩擦实验研究(Macro Friction Experiment Research on the Mixed SAMs)

5.3 混合自组装膜的微观摩擦实验研究(Micro Friction Experiment Research on the Mixed SAMs)

5.4 本章小结(Summary of the Chapter)

6 结论和展望

6.1 主要研究成果(Conclusions of the Thesis)

6.2 展望(Prospects of the Thesis)

参考文献

作者简历

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