金属铝表面高疏水薄膜的制备及其摩擦学性能的研究

摘要

金属铝由于比强高、比重小以及易加工，与此同时其具有良好的耐热性、导电性、耐腐蚀性以及耐核辐射性，早已成为国民经济发展的重要金属基础原料之一。但铝及其合金由于化学活性高、黏性强、耐磨和抗擦伤性能差，难于润滑;特别是在常用的钢-铝摩擦副中，铝和钢之间存在较大的固溶度，易发生铝向钢的转移，从而造成铝件的严重磨损;因此，铝及其合金的润滑一直是困扰摩擦学家的难题之一，特别是近年来，随着数字微镜装置(Digital Micromirror Device，DMD)的应用，这一问题变得更为突出。由于体积微型化带来了纳尺寸上粘着失效和摩擦磨损等问题成为影响其性能和稳定性的重要原因。以往的研究发现，传统理论上的液体润滑剂已经不再适合这类微型机械的润滑，由于环境中水分子在接触区的凝结而形成的毛细管力是在微纳接触条件下导致材料摩擦和磨损的主要因素，因此，利用表面改性技术实现表面疏水化是被认为是解决这一问题的重要手段，其中自组装单分子膜成膜技术是研究最多的。但自组装单分子膜则普遍存在着耐磨性能差，寿命有限等缺点，无法满足对微型机械连续润滑的要求. 本论文中，我们尝试在材料表面的构筑超疏水薄膜实现减摩和耐磨。首先采用化学刻蚀技术在金属铝表面构筑特殊的微纳表面织构以减小摩擦副的实际接触面积，然后采用自组装技术在表面织构表面涂覆疏水材料以降低表面能。同时，利用溶胶-凝胶技术在金属铝表面构筑氧化物薄膜，并采用分子自组装技术对表面进行修饰。最后，借助XRD、扫描电子显微镜以及摩擦磨损试验机等仪器对所制备的复合薄膜的结构、形貌及减摩耐磨等特性进行了研究。实验取得一定进展，得到以下的结果: (1)金属铝经过化学刻蚀后在表面上形成了特殊的表面织构。此表面织构经水合肼处理后，再沉积硬脂酸形成的高疏水复合薄膜表现出极佳的减摩和耐磨特性。 (2)采用溶胶凝胶技术在金属铝表面构筑Al2O3涂层，涂层经过水合肼处理后再修饰硬脂酸得到的复合薄膜不仅具有超疏水性能，对水的静态接触角达到150°，滚动角为3°，同时表现出极佳的减摩和耐磨特性。同时，实验发现脂肪酸结构对复合薄膜的疏水性能和摩擦学性能有明显的影响。 (3)考察了表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)存在下对溶胶凝胶法制备的Al2O3复合薄膜疏水性能和摩擦学性能的影响。结果发现，CTAB的引入可以改善Al2O3复合薄膜的疏水性能和减摩、耐磨特性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 摩擦学理论及其发展

1．2 摩擦学在我国发展现状及展望

1．3 表面改性技术的发展现状和应用

1．3．1 织构化技术的论述

1．3．2 溶胶-凝胶技术的论述

1．3．3 自组装技术的论述

1．4 研究背景和主要内容

第2章 实验原理、方法及实验设备

2．1 铝基底的预处理

2．2 铝基底表面的化学织构化处理

2．3 铝基底表面氧化铝薄膜的构筑

2．3．1 溶胶-凝胶技术的基本原理

2．3．2 Al2O3薄膜的构筑

2．4 自组装薄膜的制备

2．5 水合肼溶液的配制

2．6 实验仪器与设备

2．6．1 薄膜制备设备

2．6．2 薄膜性能表征设备

第3章 基于化学刻蚀法的金属铝超疏水表面的构筑及其摩擦学特性的研究

3．1 引言

3．2 实验内容

3．2．1 实验材料与预处理

3．2．2 薄膜的制备

3．2．3 薄膜的表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 热处理对铝摩擦学性能的影响

3．3．2 水合肼的影响

3．3．3 两者的综合影响

3．3．4 表面修饰的影响

3．4 本章小结

第4章 金属铝表面超疏水Al2O3复合薄膜的制备及其摩擦学特性研究

4．1 引言

4．2 实验内容

4．2．1 实验材料

4．2．2 准备工作及预处理

4．2．3 Al2O3溶胶-凝胶薄膜的制备

4．2．4 水合肼和水煮处理Al2O3薄膜

4．2．5 复合薄膜的制备

4．2．6 薄膜的表征方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 Al2O3薄膜的表征

4．3．2 硬脂酸修饰Al2O3薄膜的表征

4．3．3 其他脂肪酸修饰Al2O3薄膜的性能对比

4．4 本章小结

第5章 CTAB存在下Al2O3超疏水复合薄膜的制备及其摩擦学特性研究

5．1 引言

5．2 实验内容

5．2．1 实验材料

5．2．2 准备工作及预处理

5．2．3 薄膜的制备

5．2．4 薄膜的表征方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 掺杂CTAB的Al2O3复合薄膜

5．3．2 水合肼处理复合薄膜

5．3．3 摩擦学性能

5．3．4 其他脂肪酸修饰对比

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢