金属锌和铜表面高疏水薄膜的制备及其摩擦学性能的研究

摘要

如何更为有效地降低金属材料的摩擦和磨损一直是摩擦学领域中的重要课题之一。已有文献报道在光滑表面构筑特定微纳结构的表面织构，可以降低摩擦过程中的真实接触面积，因而可显著改善摩擦副的摩擦学特性。另外，采用自组装技术在表面沉积的单分子膜，降低了材料表面能，也可在一定程度内降低材料的摩擦。然而，目前只有少数研究者试图耦合表面织构技术和自组装技术，以最大限度地减小材料的摩擦和磨损。本论文的工作主要涉及这一领域，将以金属铜和金属锌为基底，采用简单的化学刻蚀技术在金属表面构筑表面织构，之后采用自组装技术在粗糙表面沉积具有低表面能的有机薄膜。较为系统地研究了金属表面薄膜的形成机制、表面形貌及润湿性，重点考察了薄膜的摩擦学行为，同时研究了制备条件对金属铜和金属锌表面薄膜摩擦学性能的影响。实验取得一定进展，研究发现：
　　(1)金属锌经N，N-二甲基甲酰胺(DMF)化学刻蚀后在表面构筑了均匀排列的氧化锌纳米棒阵列，通过SEM照片发现生成的纳米棒大多沿垂直于基体的方向生长，同时部分纳米棒散乱的分布于垂直基体的氧化锌纳米棒列阵中。采用气相沉积法在氧化锌表面沉积有机硅烷薄膜，得到的表面对水接触角超过150°，表现出超疏水性。超疏水薄膜对基材起到了保护作用，在我们实验条件下表面薄膜的耐磨寿命超过200s，而金属锌基底的耐磨寿命仅为5s。
　　(2)系统表征了在DMF化学刻蚀后的金属锌表面沉积硬脂酸薄膜的摩擦学性能。红外光谱表征发现在形成单分子膜的过程中，硬脂酸的羧基与样品表面羟基发生缩水反应，因而制备的薄膜具有较高结合强度。在微织构化效应和纳米润滑的双重作用下，所制备的薄膜表现出极为优异的减摩和耐磨性能，在我们实验条件下薄膜的耐磨寿命超过7200s，而金属锌基底的耐磨寿命为5s。同时研究了制备条件对制备硬脂酸薄膜性能的影响，希望找到制备具有最佳摩擦学性能的实验条件。结果发现，以温度为50℃、DMF浓度为8％时制备的样品具有最好的摩擦学性能。
　　(3)金属铜经氢氧化钠化学刻蚀后，在表面生成了一层氧化亚铜薄膜，在氧化亚铜薄膜表面沉积硬脂酸薄膜后对水的接触角接近150°。红外表征发现，硬脂酸与氧化亚铜表面的羟基发生了缩水反应，以双齿结构吸附于样品表面，从而形成了性能稳定的有机薄膜。在氧化亚铜的微织构化效应和硬脂酸的纳米润滑效应联合作用下，复合薄膜具有良好的减摩和耐磨性能，在我们实验条件下表面薄膜的耐磨寿命超过7200s，而金属铜的耐磨寿命仅为400s。
　　(4)采用液相法在氧化亚铜薄膜表面沉积烷基磷酸薄膜，研究了自组装时间对生成薄膜的润湿性及摩擦学性能的影响。随着自组装时间的延长，制备薄膜的接触角变大，在20h后趋于不变，数值稳定于133°左右；实验同时考察了制备不同碳链长度的烷基磷酸薄膜，发现随着碳链长度的增加，制备的薄膜的堆积密度和有序性增加，磷酸薄膜表现出更为良好的摩擦学性能。
　　总之，本论文结合化学刻蚀技术和自组装技术，利用粗糙表面的微织构效应和有机薄膜的微纳润滑的协同作用，在金属锌和金属铜表面构筑的高疏水有机复合薄膜表现出了较为优异的减摩和耐磨性能。实验结果无疑对研制和开发具有减摩和耐磨特性的新型金属铜或锌材料具有一定的参考价值。