可控統(tǒng)計參數(shù)粗糙表面的粘附特性研究.pdf

1、粘附現(xiàn)象的研究在微/納機電系統(tǒng)、掃描探針顯微鏡、納米操縱等領(lǐng)域有著極其重要的影響。對粘附力進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測和有效的控制，以實現(xiàn)減小不利的粘附和有效地利用好的粘附，是微納米工程技術(shù)的大問題。
　　實際表面并不是理想光滑的，其表面微/納米結(jié)構(gòu)與表面粘附特性密切相關(guān)。為了定量地分析結(jié)構(gòu)參數(shù)和表面粘附特性的相互依賴關(guān)系，需要首先獲得具有指定統(tǒng)計粗糙度參數(shù)的三維粗糙表面。
　　本文圍繞具有可控統(tǒng)計參數(shù)的粗糙表面的粘附特性研究，進(jìn)行了具有可

2、控統(tǒng)計參數(shù)的粗糙表面的設(shè)計、加工與復(fù)制，及其表面粘附特性的表征和分析，主要進(jìn)行了以下幾個方面的研究工作:
　　1、具有可控統(tǒng)計參數(shù)的粗糙表面的模擬。實際的工程表面尤其是珩磨表面，具有較大的自相關(guān)長度。為了提高對具有大自相關(guān)長度的表面的設(shè)計效率和精度，在非線性共軛梯度法中引入了遺傳算法。將傅里葉變換法和共軛梯度法進(jìn)行對比，結(jié)果顯示傅里葉變換方法可以準(zhǔn)確模擬小自相關(guān)長度的表面，而對于相關(guān)長度較大的表面共軛梯度法模擬效果更好。結(jié)合遺傳算

3、法后計算效率明顯提高。
　　2、具有可控統(tǒng)計參數(shù)的粗糙表面的加工。利用聚焦離子束在硅基底上加工了一系列具有不同高度分布和自相關(guān)長度的三維粗糙表面。主要針對加工模板的灰度等級進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，灰度級的選擇對加工質(zhì)量有重要影響，隨著模板灰度級增大表面更加平滑，根據(jù)64級灰度圖加工的表面更滿足加工精度的要求。然后，用原子力顯微鏡測試所加工樣品的表面形貌，并對測試圖與設(shè)計圖做定量對比和分析。結(jié)果表明，樣品加工精度較高，大部分表面參數(shù)相對誤差

4、控制在10％以內(nèi)，并定性分析了造成誤差的可能原因。聚焦離子束直接在硅基底上精確加工，有利于后續(xù)粗糙表面結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)印及批量復(fù)制的探索。
　　用快速轉(zhuǎn)印方法將這些結(jié)構(gòu)復(fù)制到聚二甲基硅氧烷薄膜，并且應(yīng)用參數(shù)評價和頻譜分析等對模板和復(fù)制結(jié)構(gòu)之間的原子力顯微鏡測量結(jié)果進(jìn)行評價比較。復(fù)制表面和模板的典型參數(shù)能很好的吻合，比如均方根粗糙度誤差范圍在-6.4％到1.7％。由頻譜分析可知復(fù)制樣品和模板在低頻段更加吻合。可控表面統(tǒng)計參數(shù)的粗糙表面加工及

5、復(fù)制可為后續(xù)進(jìn)行粗糙結(jié)構(gòu)相關(guān)的表面功能特性實驗和定量分析研究提供支持。
　　3、三維粗糙表面粘附特性的測量。在對原子力顯微鏡探針剛度標(biāo)定的基礎(chǔ)上，對加工和復(fù)制的具有可控參數(shù)的三維粗糙表面粘附特性進(jìn)行測試，分別選用膠體球探針和普通探針兩種方式。為探索粗糙表面粘附特性與表面復(fù)雜三維形貌特征之間的關(guān)系，及更好的預(yù)測表面粘附力提供了實驗基礎(chǔ)。并對三維粗糙表面與二氧化硅膠體球探針彈塑性接觸做了初步有限元分析，為研究表面粘附特性與接觸面積、結(jié)