稀土处理氧化石墨烯自组装薄膜摩擦学性能研究

摘要

摩擦磨损是制约微机电系统（MEMS）长期可靠运行的关键因素，改善硅片表面润滑性并提高其耐磨性成为亟待解决的问题。自组装分子膜由于其制备工艺简单、结构致密、界面结合力强等优点，为解决MEMS摩擦磨损提供了一条有效的途经。但是，自组装分子膜还存在摩擦系数高、耐磨性能差、对湿度变化比较敏感和承载能力低等缺点，极大地限制了其在MEMS中的应用。
　　本论文针对传统自组装膜存在摩擦磨损性能差和承载能力低的缺点，利用石墨烯特殊的结构形态和优异的机械性能以及稀土独特的化学性质，制备了稀土处理氧化石墨烯复合薄膜（APTES-GO-La）。研究发现：APTES-GO-La有效地降低了硅片的表面自由能，提高了硅片的耐磨性和承载能力，在MEMS中具有广泛的应用前景。本论文取得主要研究结果如下：
　　（1）采用分子自组装技术，在硅片表面制备了 APTES-GO-La。X射线光电子能谱图、原子力显微镜图像和扫描电子显微镜图像均表明：羧基化氧化石墨烯通过化学键成功地组装在硅片表面；稀土元素与羧基化氧化石墨烯上的羧基氧发生了配位反应，从而有效地降低了APTES-GO-La的表面自由能，强化了石墨烯片之间的结合力。采用接触角测定仪探讨了影响APTES-GO-La制备的各种动力学因素，据此确定了稀土镧离子的最佳组装条件。研究结果表明：制备APTES-GO-La的最佳稀土溶液浓度是2mol/L，稀土镧离子的最佳组装时间是6h；稀土镧离子的组装过程分为两个阶段，第一阶段，镧离子通过静电作用吸附到羧基化氧化石墨烯表面，第二阶段，吸附的镧离子与羧基氧发生化学键合。
　　（2）采用原子力显微镜测试了羟基化硅片、氨基硅烷自组装膜（APTES-SAM）、氧化石墨烯复合薄膜（APTES-GO）、还原氧化石墨烯复合薄膜（APTES-RGO）和APTES-GO-La的微观摩擦学性能。结果表明：羟基化硅片和四种自组装薄膜表面的黏着力主要受毛细力的影响；在微观摩擦领域，黏着力与载荷处于同一数量级，对摩擦力起着主导作用；APTES-GO-La和APTES-RGO因表面极性官能团较少，不易于空气中的水分子形成氢键作用，所以抗黏着性能和减摩性能好；在研究的湿度范围内，APTES-GO-La和APTES-RGO性质稳定，其表面黏着力和摩擦力受湿度变化的影响较小。
　　（3）运用多功能微摩擦磨损试验机对APTES-SAM、APTES-GO、APTES-RGO和APTES-GO-La四种自组装膜的宏观摩擦学性能进行测试。研究结果表明：氧化石墨烯的组装显著改善了自组装薄膜的减摩抗磨性能；制备的APTES-GO-La表面具有较低的摩擦系数和优异的耐磨性，以及良好的承载能力；四种自组装薄膜的摩擦系数随着载荷的增大而增大，随着滑动速度的增大而减小。
　　（4）运用扫描电子显微镜分析了 APTES-GO、APTES-RGO和APTES-GO-La的磨损机制。研究结果表明：三种自组装薄膜的磨损形式主要是摩擦过程中石墨烯的脱落和结块造成的磨粒磨损；氧化石墨烯的羧基化处理和稀土处理显著提高了自组装薄膜的界面结合强度，使APTES-GO-La具有优异的耐磨性。
　　本文的研究成果为解决 MEMS摩擦磨损问题提供了一条有效的途径，拓宽了石墨烯和稀土的应用领域；有助于进一步探明石墨烯自组装薄膜的摩擦磨损特征和机理；有助于深刻认识界面结合强度与自组装薄膜摩擦学性能之间的关系；对于丰富和发展纳米薄膜的摩擦学理论具有重要的学术价值。

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缩写说明

第一章 绪论

1.1课题背景和研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3本论文的主要研究内容

1.4本论文研究拟解决的关键问题

第二章 稀土处理氧化石墨烯复合薄膜的制备

2.1引言

2.2实验材料和试剂

2.3基片的羟基化处理

2.4 APTES-SAM的制备

2.5氧化石墨烯胶体的制备

2.6 APTES-GO 和APTES-RGO的制备

2.7稀土处理氧化石墨烯复合薄膜制备

2.8本章小结

第三章 稀土处理氧化石墨烯复合薄膜的表征分析

3.1引言

3.2接触角表征分析

3.3 XPS表征分析

3.4 AFM表征分析

3.5 SEM表征分析

3.6本章小结

第四章 稀土处理氧化石墨烯复合薄膜微观摩擦学性能研究

4.1引言

4.2黏着力测试实验及分析

4.3摩擦性能测试实验及分析

4.4 本章小结

第五章 稀土处理氧化石墨烯复合薄膜宏观摩擦学性能研究

5.1引言

5.2实验过程

5.3自组装薄膜的宏观摩擦磨损性能研究

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1论文主要内容及结论

6.2研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的学术成果