復(fù)合納米薄膜制備及其摩擦學(xué)行為研究.pdf

1、微/納機(jī)電系統(tǒng)(MEMS/NEMS)技術(shù)的發(fā)展催生了許多新的科學(xué)問題，降低粘著力和摩擦力已成為微機(jī)械制作和使用過程中必須解決的問題，微構(gòu)件表面改性和潤(rùn)滑是改善構(gòu)件表面摩擦學(xué)性能、提高抗粘附性能、保持系統(tǒng)穩(wěn)定的兩個(gè)有效方法。近年來發(fā)展起來的沉積技術(shù)以及分子自組裝技術(shù)為解決這些難題提供了有力的技術(shù)支撐。論文主要從材料表面改性研究著手，探索改善微構(gòu)件之間的摩擦學(xué)性能的新方法，主要研究?jī)?nèi)容和成果包括以下幾個(gè)方面：
　　 第一，創(chuàng)新地提出

2、了一種三明治結(jié)構(gòu)的復(fù)合納米薄膜，并成功運(yùn)用沉積設(shè)備以及分子自組裝技術(shù)制備了該復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜及對(duì)比組薄膜。選用兩種偶聯(lián)劑材料將彈性體材料通過化學(xué)鍵鏈接到單晶硅基底材料上，考察了不同基團(tuán)、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度對(duì)自組裝薄膜的組成及表面質(zhì)量的影響，確定了最佳自組裝薄膜制備方法。分別采用電子回旋共振增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(ECR-CVD)和磁過濾陰極真空電弧技術(shù)(FCVA)方法制備出類金剛石(DLC)薄膜。結(jié)果表明：在真空熔融狀態(tài)220℃條件下制備的自組裝

3、彈性薄膜表面質(zhì)量最好。
　　 第二，運(yùn)用原子力顯微鏡(AFM)研究了薄膜的表面形貌，采用X射線光電子能譜儀(XPS)、拉曼光譜儀、接觸角測(cè)定儀分析了薄膜的結(jié)構(gòu)及其表面能。結(jié)果表明：FCVA方法制備的類金剛石薄膜DLC(F)含有更多的sp3鍵；偶聯(lián)劑γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(A187)薄膜表面能比偶聯(lián)劑γ-氨丙基三甲氧基硅烷(APS)薄膜的要高，這提高了聚（苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯）類嵌段共聚物(SEBS)彈性體中馬來酸

4、酐與偶聯(lián)劑A187中基團(tuán)的反應(yīng)效果。
　　 第三，運(yùn)用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(UMT)對(duì)彈性自組裝薄膜(A187SEBS、APSSEBS)、硬質(zhì)超薄DLC薄膜(DLC(F)、DLC(C))以及彈性自組裝膜\DLC雙層復(fù)合納米薄膜(AI87DLC(F)、A187DLC(C)、APSDLC(F)、APSDLC(C))這三種類型薄膜進(jìn)行了微觀摩擦學(xué)行為研究。結(jié)果表明：?jiǎn)尉Ч璞砻孢\(yùn)用自組裝和沉積技術(shù)進(jìn)行改性修飾后可以顯著改善其摩擦學(xué)性能，使摩擦

5、系數(shù)由0.6降低到0.1附近；低轉(zhuǎn)速條件下，單晶硅基底上的彈性自組裝薄膜APSSEBS的承載能力較A187SEBS要差，而在低載、低轉(zhuǎn)速條件下，兩種自組裝復(fù)合納米薄膜的摩擦系數(shù)相當(dāng)，都能穩(wěn)定在較低的值；含DLC(F)的薄膜摩擦系數(shù)低于含DLC(C)的薄膜，同時(shí)可以承受更高的載荷。對(duì)比三種類型薄膜，對(duì)低載工況，A187DLC(F)復(fù)合納米薄膜的摩擦系數(shù)最穩(wěn)定，而對(duì)于高載工況，DLC(F)膜具有更好的摩擦學(xué)性能。
　　 第四，對(duì)制備

6、的薄膜進(jìn)行納米力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果表明：由于薄膜厚度較小，隨著載荷增加，尺寸效應(yīng)的影響較明顯。隨著壓入深度增加，自組裝薄膜的硬度和彈性模量逐漸增加，硬質(zhì)DLC薄膜的的硬度和彈性模量逐漸減小，復(fù)合納米薄膜的硬度逐漸減小而彈性模量則先減小后增加。
　　 第五，推導(dǎo)了接觸剛度與最大壓入深度之間的線性關(guān)系表達(dá)式，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；討論了針尖形貌對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，推導(dǎo)了針尖曲率半徑與測(cè)試誤差之間的關(guān)系表達(dá)式，發(fā)現(xiàn)誤差主要來源于非理想的探針針

7、尖所導(dǎo)致的接觸面積確定問題，針尖曲率半徑越大，誤差越大。
　　 第六，對(duì)三種類型的薄膜進(jìn)行了劃痕測(cè)試，獲得了薄膜的臨界載荷，結(jié)果表明：DLC(F)薄膜的臨界載荷最高達(dá)到8000μN(yùn)；A187DLC的臨界載荷高于APSDLC的臨界載荷。加載速率對(duì)薄膜的臨界載荷測(cè)試影響不大，但是薄膜一旦失效，加載速率越慢，測(cè)得的側(cè)向力越大。
　　 第七，對(duì)塑性和彈塑性材料進(jìn)行了循環(huán)載荷接觸研究，結(jié)果表明：低載時(shí)材料的硬度隨循環(huán)次數(shù)增加而增加

8、，對(duì)于高載，硬度呈減小趨勢(shì)，并且塑性材料硬度的減小率略大于彈塑性材料。隨著循環(huán)次數(shù)增加，兩種材料的接觸剛度保持穩(wěn)定，塑性材料的彈性模量基本不變，而彈塑性材料的彈性模量逐漸減小。
　　 綜合比較了三種類型薄膜的多種性能，表明本文提出的含有彈性體的復(fù)合納米薄膜，在低載條件下具有優(yōu)秀的摩擦學(xué)性能和力學(xué)性能，可以用于微機(jī)械設(shè)計(jì)中，為解決微構(gòu)件之間的摩擦學(xué)問題提供了一種新的思路。
　　 本文在國(guó)家自然科學(xué)基金(No50475124