钛基表面石墨烯自组装薄膜的摩擦性能研究

摘要

钛金属及其合金因具有比强度高、导电性好、抗腐蚀性强、耐热性高及生物相容性好等特点，在微/纳机电系统（MEMS/NEMS）领域具有广阔的应用前景。MEMS/NEMS中构件尺寸处于微米甚至纳米量级，接触副间易发生摩擦及其粘着等现象，严重影响系统运行的可靠性。改善钛基体表面摩擦磨损性能可极大拓展钛及其合金在MEMS/NEMS中的应用范围。
　　本论文提出利用石墨烯材料优异的力学性能及减摩耐磨性能，运用自组装技术在钛基体表面制备石墨烯/硅烷自组装薄膜，以提高钛基体表面摩擦磨损性能。此薄膜厚度（在5nm以下）极薄对微构件尺寸精度无明显影响；相对于传统有机链状分子膜，其承载能力高，显著增强了钛基体表面的摩擦磨损性能。
　　薄膜与基体间界面结合性能及薄膜表面特性是自组装薄膜摩擦性能研究中两大关键问题。
　　第一、制备钛基体表面石墨烯薄膜，需要着重解决薄膜与基体间结合力的问题。相比于硅类基体材料，钛基体材料表面不易形成有序程度高、均匀性好的分子自组装薄膜；另外，石墨烯分子化学惰性强，不易于直接通过自组装工艺制备石墨烯薄膜。针对上述问题，本论文首先采用γ-氨基丙基-三乙氧基硅烷（APS）作为中间粘附层，优化APS薄膜自组装工艺，制备均匀有序的APS分子薄膜，置氨基基团于薄膜顶端；然后选择化学活性强、易于组装的氧化石墨烯（GO）材料作为石墨烯的前驱体，通过APS氨基与GO分子表面含氧基团的吸附作用，制备界面结合力强的GO-APS自组装薄膜。
　　第二、需要解决GO自组装薄膜表面活性高的问题。GO材料耐磨性良好，但GO薄膜表面拥有大量含氧基团，易于在对摩过程中产生黏附现象，薄膜的摩擦学性能有待增强。针对上述问题，本论文采用高温及水热还原工艺去除GO薄膜表面含氧基团，成功制备出石墨烯/硅烷薄膜。薄膜的表面活性大大降低，摩擦学性能显著提高。
　　基于上述思想，本论文首次利用自组装技术成功地在钛基体表面制备了石墨烯/硅烷纳米薄膜。获得主要研究成果如下：
　　1.运用多种表征手段对薄膜表面及界面特性进行表征，揭示了薄膜的制备机理，结合宏观低载摩擦试验结果，获得薄膜组装及表面还原处理的最佳工艺。APS自组装薄膜均匀有序，与基底结合力好；GO的含氧基团可与APS的氨基基团发生化学反应，在样品表面形成完整均匀的GO-APS自组装膜，薄膜具有较强的界面结合力；高温法和水热法均可有效去除GO膜表面的大量含氧基团，降低薄膜的表面能，其中水热法的还原效果好于高温还原法。所制备的石墨烯/硅烷薄膜为疏水性薄膜，膜厚小于5nm，适合于接触间隙极小的构件表面的润滑改性处理。
　　2.系统地研究了还原氧化石墨烯/硅烷纳米膜的宏观摩擦磨损性能，探讨了载荷、滑动速度及生物腐蚀等条件对薄膜摩擦磨损性能的影响。石墨烯膜层具有较低的摩擦系数及较强的耐磨性能，其平面结构使薄膜将摩擦功传递至更大范围，提高薄膜的承载能力；石墨烯层与APS层间为化学键合，保证薄膜具有较强的耐磨性能。薄膜具有良好的耐生物腐蚀性能，石墨烯的碳环结构和致密的APS自组装膜缓解腐蚀剂对钛基体的腐蚀作用，因而具有优良的生物摩擦学性能。
　　3.系统研究了薄膜的纳米摩擦学性能，探讨了载荷、滑动速度、湿度、温度等试验及环境条件对薄膜纳米摩擦性能的影响。结果表明，石墨烯/硅烷膜有效的增强了钛基体的摩擦磨损性能：石墨烯/硅烷膜在所有测试条件下均具有较稳定的摩擦学性能，薄膜的摩擦力及粘附力值较低，耐磨性能强。水热还原法制备的石墨烯/硅烷薄膜的纳米摩擦学性能最优。
　　4.研究了HRGO-APS自组装膜微观磨损性能。HRGO-APS自组装膜在对磨时具有较低的粘附力和摩擦力，并且石墨烯材料具有较强的抗摩擦剪切能力，显著地增强钛基体的耐磨性能；并从石墨烯材料的力学性能及HRGO薄膜片层状结构角度解释了其提高基底耐磨性能的原理。
　　本文研究成果有望促进石墨烯薄膜在表面工程领域的应用，为极小间隙的金属材料微型接触副表面润滑问题的研究提供一条新途径，为石墨烯纳米薄膜技术在微/纳机电系统零件表面改性处理的应用提供了试验及理论依据。

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符号说明

第一章 绪 论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本论文的主要研究内容

1.4 本论文拟解决的关键问题

第二章 氧化石墨烯/硅烷薄膜的制备及表征

2.1 引言

2.2 钛基体表面氨基硅烷装薄膜的制备工艺研究

2.3 氧化石墨烯薄膜的制备工艺研究

2.4 本章小结

第三章 氧化石墨烯/硅烷薄膜表面还原工艺研究

3.1 引言

3.2 试验设计

3.3 GO-APS薄膜的还原工艺表征及机理分析

3.4 薄膜的厚度、润湿性及表面形貌的表征与分析

3.5 本章小结

第四章 石墨烯/硅烷薄膜的宏观摩擦学性能研究

4.1 前言

4.2 薄膜的摩擦学试验

4.3 石墨烯/硅烷薄膜的摩擦学磨损性能研究

4.4 本章小结

第五章 石墨烯/硅烷薄膜的纳米摩擦性能研究

5.1引言

5.2 薄膜纳米摩擦试验方法介绍

5.3 薄膜纳米摩擦试验研究

5.4 薄膜纳米磨损试验研究

5.5 本章小结

第六章 全文总结

6.1 论文主要内容及结论

6.2 本论文的主要创新点

6.3 对今后工作的建议

参考文献

致谢

攻读博士学位期间学术成果