金屬鋅和銅表面高疏水薄膜的制備及其摩擦學(xué)性能的研究.pdf

1、如何更為有效地降低金屬材料的摩擦和磨損一直是摩擦學(xué)領(lǐng)域中的重要課題之一。已有文獻(xiàn)報(bào)道在光滑表面構(gòu)筑特定微納結(jié)構(gòu)的表面織構(gòu)，可以降低摩擦過程中的真實(shí)接觸面積，因而可顯著改善摩擦副的摩擦學(xué)特性。另外，采用自組裝技術(shù)在表面沉積的單分子膜，降低了材料表面能，也可在一定程度內(nèi)降低材料的摩擦。然而，目前只有少數(shù)研究者試圖耦合表面織構(gòu)技術(shù)和自組裝技術(shù)，以最大限度地減小材料的摩擦和磨損。本論文的工作主要涉及這一領(lǐng)域，將以金屬銅和金屬鋅為基底，采用簡單的

2、化學(xué)刻蝕技術(shù)在金屬表面構(gòu)筑表面織構(gòu)，之后采用自組裝技術(shù)在粗糙表面沉積具有低表面能的有機(jī)薄膜。較為系統(tǒng)地研究了金屬表面薄膜的形成機(jī)制、表面形貌及潤濕性，重點(diǎn)考察了薄膜的摩擦學(xué)行為，同時(shí)研究了制備條件對金屬銅和金屬鋅表面薄膜摩擦學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)取得一定進(jìn)展，研究發(fā)現(xiàn)：
　　(1)金屬鋅經(jīng)N，N-二甲基甲酰胺(DMF)化學(xué)刻蝕后在表面構(gòu)筑了均勻排列的氧化鋅納米棒陣列，通過SEM照片發(fā)現(xiàn)生成的納米棒大多沿垂直于基體的方向生長，同時(shí)部分納

3、米棒散亂的分布于垂直基體的氧化鋅納米棒列陣中。采用氣相沉積法在氧化鋅表面沉積有機(jī)硅烷薄膜，得到的表面對水接觸角超過150°，表現(xiàn)出超疏水性。超疏水薄膜對基材起到了保護(hù)作用，在我們實(shí)驗(yàn)條件下表面薄膜的耐磨壽命超過200s，而金屬鋅基底的耐磨壽命僅為5s。
　　(2)系統(tǒng)表征了在DMF化學(xué)刻蝕后的金屬鋅表面沉積硬脂酸薄膜的摩擦學(xué)性能。紅外光譜表征發(fā)現(xiàn)在形成單分子膜的過程中，硬脂酸的羧基與樣品表面羥基發(fā)生縮水反應(yīng)，因而制備的薄膜具有較高

4、結(jié)合強(qiáng)度。在微織構(gòu)化效應(yīng)和納米潤滑的雙重作用下，所制備的薄膜表現(xiàn)出極為優(yōu)異的減摩和耐磨性能，在我們實(shí)驗(yàn)條件下薄膜的耐磨壽命超過7200s，而金屬鋅基底的耐磨壽命為5s。同時(shí)研究了制備條件對制備硬脂酸薄膜性能的影響，希望找到制備具有最佳摩擦學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)條件。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，以溫度為50℃、DMF濃度為8％時(shí)制備的樣品具有最好的摩擦學(xué)性能。
　　(3)金屬銅經(jīng)氫氧化鈉化學(xué)刻蝕后，在表面生成了一層氧化亞銅薄膜，在氧化亞銅薄膜表面沉積硬脂酸薄膜

5、后對水的接觸角接近150°。紅外表征發(fā)現(xiàn)，硬脂酸與氧化亞銅表面的羥基發(fā)生了縮水反應(yīng)，以雙齒結(jié)構(gòu)吸附于樣品表面，從而形成了性能穩(wěn)定的有機(jī)薄膜。在氧化亞銅的微織構(gòu)化效應(yīng)和硬脂酸的納米潤滑效應(yīng)聯(lián)合作用下，復(fù)合薄膜具有良好的減摩和耐磨性能，在我們實(shí)驗(yàn)條件下表面薄膜的耐磨壽命超過7200s，而金屬銅的耐磨壽命僅為400s。
　　(4)采用液相法在氧化亞銅薄膜表面沉積烷基磷酸薄膜，研究了自組裝時(shí)間對生成薄膜的潤濕性及摩擦學(xué)性能的影響。隨著自組

6、裝時(shí)間的延長，制備薄膜的接觸角變大，在20h后趨于不變，數(shù)值穩(wěn)定于133°左右；實(shí)驗(yàn)同時(shí)考察了制備不同碳鏈長度的烷基磷酸薄膜，發(fā)現(xiàn)隨著碳鏈長度的增加，制備的薄膜的堆積密度和有序性增加，磷酸薄膜表現(xiàn)出更為良好的摩擦學(xué)性能。
　　總之，本論文結(jié)合化學(xué)刻蝕技術(shù)和自組裝技術(shù)，利用粗糙表面的微織構(gòu)效應(yīng)和有機(jī)薄膜的微納潤滑的協(xié)同作用，在金屬鋅和金屬銅表面構(gòu)筑的高疏水有機(jī)復(fù)合薄膜表現(xiàn)出了較為優(yōu)異的減摩和耐磨性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果無疑對研制和開發(fā)具有減摩