3-氨基丙基-三乙氧基硅烷-稀土复合薄膜的制备及其摩擦学性能研究

摘要

随着微电机系统(MEMS)及纳电机系统(NEMS)的迅速发展，对静摩擦和摩擦控制提出了新的要求。因此，迫切需要解决纳米级的润滑和零磨损问题。自组装分子膜技术从纳米尺度研究界面相互作用及摩擦粘着机理，为解决MEMS/NEMS系统中摩擦粘着问题提供了有效途径。目前，有机自组装薄膜还存在结构稳定性以及界面结合强度差、承载能力低、耐磨性较差、对温度和湿度比较敏感等缺点，极大地限制了润滑薄膜在微机械中的应用。 针对界面结合强度是影响自组装薄膜综合性能的关键因素，本论文利用稀土元素特殊的物理化学性质，运用自组装技术制备了3-氨基丙基-三乙氧基硅烷(APTES)-稀土(RE)复合薄膜(简称APTES/RE)，有效提高了薄膜的界面结合强度，降低了其表面能，进而提高了APTES/RE复合薄膜的摩擦学性能，取得了原创性的研究成果。 第一，通过热力学计算，在磷酸化后的APTES薄膜表面组装稀土之后，薄膜表面的自由能变为-27.12KJ/mol，焓变为14.23KJ/mol，表明稀土能够化学吸附于磷酸化后的APTES薄膜表面，形成APTES/RE复合薄膜。 第二，运用分子自组装技术在Si/SiO2表面制备了APTES/RE复合薄膜，采用原子力显微镜(AFM)和接触角测定仪研究了APTES/RE复合薄膜的最佳成膜工艺。研究结果表明：将制备好的APTES薄膜磷酸化30min后，在PH值为5～6、浓度为2mol/ml的稀土组装溶液中组装5h后制备的APTES/RE复合薄膜的效果最好。 第三，采用X射线光电子能谱仪(XPS)分析技术，研究了APTES/RE复合薄膜表面典型元素的化学状态。结果表明：在磷酸化后的APTES薄膜表面组装稀土后，稀土与薄膜表面的P=O以及P-OH之间发生了配位化学反应，形成了比较稳定的稀土配合物，从而显著提高了APTES薄膜的界面结合强度。 第四，在多功能微摩擦磨损试验机(UMT)上系统地研究了宏观条件下组装薄膜的摩擦磨损性能。结果表明：在相同试验参数下，APTES/RE复合薄膜比APTES薄膜和磷酸化后的APTES薄膜具有更优异的摩擦学性能。稀土提高了薄膜表面的承载能力，并增强了薄膜的界面结合强度，从而显著提高了薄膜的摩擦磨损性能。 第五，采用扫描电镜(SEM)探讨了组装薄膜的磨损机制。结果表明：APTES薄膜和磷酸化后的APTES薄膜的磨损形式主要是脆性破裂，而APTES/RE复合薄膜的磨损形式主要是研磨磨损和微裂纹。稀土与-PO(OH)2基团之间具有较高的界面强度，能够抵抗往复载荷形成的冲击，有效地抑制了基片表面APTES薄膜的脱落和大规模转移，从而避免了薄膜表面在磨损过程中出现严重的脆性破裂。 第六，采用原子力显微镜(AFM)研究了硅基片和组装薄膜的纳米摩擦学性能，探讨了载荷、速度、相对湿度以及摩擦次数等因素对其摩擦学性能的影响。结果表明：硅基片和组装薄膜表面的摩擦力随着速度、载荷和相对湿度的增加而增加；粘附力随着相对湿度的增加而增加，速度和载荷对硅基片和薄膜表面的粘附力几乎没有影响；在相同试验条件下，APTES/RE复合薄膜由于其表面能较低，表面无极性末端官能团，并且具有较强的界面结合强度，从而具有优异的纳米摩擦学性能。 本文基于制备具有优异减摩抗磨性能的APTES/RE复合薄膜，探讨了组装APTES/RE复合薄膜的工艺方法及成膜机理，深入系统地研究了其宏观和纳米条件下的摩擦磨损性能，阐述了其摩擦磨损机理。研究成果为微机械运动副表面润滑问题的研究提供了一条新途径，促进了稀土在表面工程领域的应用。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

声明

第一章绪论

1.1选题背景及研究意义

1.1.1选题背景

1.1.2研究意义

1.2国内外研究现状

1.2.1自组装膜及其主要类型

1.2.2自组装膜结构及其有序性的影响因素

1.2.3功能化Si/SiO2表面的有机硅烷自组装膜的研究现状

1.2.4自组装膜的宏观摩擦磨损的研究现状

1.2.5自组装膜的纳米摩擦学的研究现状

1.2.6稀土在摩擦学应用中的研究现状

1.3本论文研究拟解决的关键问题

1.4本论文的主要研究内容

第二章APTES硅烷在基底表面的自组装和功能化

2.1引言

2.2 APTES硅烷自组装薄膜的制备和表征

2.2.1试验材料和试剂

2.2.2基片表面的羟基化及其对成膜的影响

2.2.3 APTES硅烷自组装薄膜的制备

2.2.4 APTES硅烷自组装薄膜的表征

2.3 APTES自组装薄膜表面-NH2官能团的原位磷酸化

2.3.1磷酸化后APTES自组装薄膜表面接触角的分析

2.3.2磷酸化后APTES自组装薄膜表面XPS的分析

2.3.3磷酸化后APTES自组装薄膜表面AFM的分析

2.4本章小结

第三章APTES/RE复合薄膜的制备表征

3.1引言

3.2 APTES/RE复合薄膜的成膜机理分析

3.2.1 APTES/RE复合薄膜组装过程的化学反应热分析

3.2.2 APTES/RE复合薄膜的成膜机理

3.2.3 APTES/RE复合薄膜成膜质量的影响因素

3.3 APTES/RE复合薄膜的制备及表征

3.3.1试验材料及试剂

3.3.2组装时间对APTES/RE复合薄膜的影响

3.3.3组装溶液浓度对APTES/RE复合薄膜的影响

3.3.4组装溶液PH值对APTES/RE复合薄膜的影响

3.3.5磷酸化时间对APTES/RE复合薄膜的影响

3.3.6组装薄膜的表面自由能的计算

3.4本章小结

第四章APTES/RE复合薄膜的宏观摩擦学性能研究

4.1引言

4.2试验过程

4.3 APTES/RE复合薄膜的摩擦磨损性能研究

4.3.1组装时间对APTES薄膜和APTES/RE复合薄膜的摩擦系数的影响

4.3.2 APTES薄膜表面磷酸化对APTES/RE复合薄膜摩擦学性能的影响

4.3.3制备薄膜的摩擦系数随载荷的变化规律

4.3.4制备薄膜的摩擦系数随速度的变化规律

4.3.5制备薄膜的磨损性能研究

4.4本章小结

第五章APTES/RE复合薄膜的纳米摩擦学性能研究

5.1前言

5.2试验过程

5.3硅基片和组装薄膜纳米摩擦学性能的研究

5.3.1粘附力、摩擦系数和黏附功的测试

5.3.2湿度对摩擦力和粘附力的影响

5.3.3载荷对摩擦力和粘附力的影响

5.3.4扫描速度对摩擦力和粘附力的影响

5.3.5温度对摩擦力和粘附力的影响

5.3.6硅基片和组装薄膜纳米摩擦机理研究

5.4硅基片和组装薄膜的微划痕/磨损性能研究

5.4.1硅基片及组装薄膜的微划痕/磨损试验

5.4.2混凝土式鹅卵石模型

5.4.3 APTES/RE复合薄膜纳米摩擦条件下的耐磨机理研究

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本论文的创新点

6.3对今后工作的建议

参考文献

致谢

作者攻读博士学位期间发表和录用的论文

作者攻读博士学位期间申请的发明专利

作者攻读博士学位期间获得的奖励及荣誉