稀土復合納米薄膜的制備及其摩擦學性能研究.pdf

1、微電子機械系統(tǒng)(MEMS)具有體積小、質量輕、集成度高和智能化高等特點，受到國內外科學界、產業(yè)界的高度重視。由于MEMS結構尺寸微型化后，構件之間的間距處在納米量級范圍，摩擦及其粘著等行為嚴重影響了MEMS的可靠性。微構件材料表面改性被認為是改善摩擦、降低其粘附、減小磨損、提高MEMS系統(tǒng)穩(wěn)定性的有效方法。近30年發(fā)展起來的分子有序薄膜技術為解決這個難題提供了有效途徑。 分子自組裝技術是近年來發(fā)展起來的制備超薄膜的新型技術。運用

2、該技術，可以將分子通過化學作用嫁接到摩擦表面，形成“分子刷”以降低摩擦磨損。自組裝薄膜優(yōu)異的潤滑性能引起了研究者極大的興趣。因此，分子自組裝膜的制備及其摩擦學性能研究成為摩擦學研究領域的熱點。 本論文針對微機電系統(tǒng)中微構件表面改性問題，根據(jù)稀土元素特殊的物理化學性質，運用自組裝技術制備了具有優(yōu)異摩擦學性能的稀土復合納米薄膜，取得了原創(chuàng)性的研究成果。 第一，通過熱力學計算，稀土元素在組裝過程中的自由能變化均為負值。因此，稀

3、土能夠通過化學鍵合吸附于基底形成稀土自組裝薄膜。利用Legendre微分變換和Maxwell關系式，得出薄膜表面能的表達式。研究了薄膜組裝過程中化學吸附作用與其表面能的關系，為稀土復合納米薄膜的自組裝提供了理論依據(jù)。 第二，采用分子自組裝技術在羥基化后的玻璃和單晶硅基片表面制備了稀土復合納米薄膜。探討了影響自組裝薄膜制備的各種動力學因素，確定了稀土復合納米薄膜的最佳組裝條件。研究結果表明：pH值為5～6、稀土濃度為0.5wt％的

4、自組裝溶液適合稀土復合薄膜的自組裝制備。 第三，運用原子力顯微鏡(AFM)觀察了薄膜的表面形貌、X射線光電子能譜儀(XPS)分析了薄膜表面典型元素的化學狀態(tài)、接觸角測定儀評價了其表面能，研究了稀土復合納米薄膜的組裝機理。研究結果表明：通過稀土元素與有機硅烷表面的磺酸基官能團反應，可以使稀土元素與基底之間形成化學鍵合，從而有效地提高稀土復合納米薄膜與基底之間的結合力。 第四，系統(tǒng)深入地研究了宏觀條件下稀土復合納米薄膜的摩擦

5、磨損性能。研究結果表明：稀土復合納米薄膜具有優(yōu)異的減摩抗磨性能。由于稀土元素特殊的原子結構和巰基硅烷鏈狀分子的偏剛性，稀土復合納米薄膜具有較高的承載能力和減摩性能，能夠提高薄膜的減摩抗磨性能。 第五，利用原子力顯微鏡開展了稀土復合納米薄膜的微摩擦學性能研究，探討了載荷、滑動速度、濕度、溫度等參數(shù)對納米薄膜微摩擦磨損性能的影響。研究結果表明：在相同的載荷下，稀土復合納米薄膜表面的粘滯力、摩擦力都明顯小于單晶硅基片；在相同的滑動速度

6、下，稀土復合納米薄膜表面的摩擦力遠小于單晶硅片表面的摩擦力；稀土復合納米薄膜性質穩(wěn)定，其表面粘滯力和摩擦力受溫度、濕度變化的影響較小。 第六，利用原子力顯微鏡研究了稀土復合納米薄膜微觀磨損性能。研究結果表明：稀土元素與磺酸基間具有較高的界面強度，稀土復合納米薄膜具有較強的承載能力和優(yōu)異的減摩抗磨性能。 本論文首次利用自組裝技術成功地制備了稀土復合納米薄膜，運用原子力顯微鏡、X射線光電子能譜和接觸角測定儀等手段對薄膜表面進