稀土復(fù)合納米薄膜的制備及其摩擦學(xué)性能研究.pdf

1、微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)具有體積小、質(zhì)量輕、集成度高和智能化高等特點(diǎn)，受到國(guó)內(nèi)外科學(xué)界、產(chǎn)業(yè)界的高度重視。由于MEMS結(jié)構(gòu)尺寸微型化后，構(gòu)件之間的間距處在納米量級(jí)范圍，摩擦及其粘著等行為嚴(yán)重影響了MEMS的可靠性。微構(gòu)件材料表面改性被認(rèn)為是改善摩擦、降低其粘附、減小磨損、提高M(jìn)EMS系統(tǒng)穩(wěn)定性的有效方法。近30年發(fā)展起來(lái)的分子有序薄膜技術(shù)為解決這個(gè)難題提供了有效途徑。 分子自組裝技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的制備超薄膜的新型技術(shù)。運(yùn)用

2、該技術(shù)，可以將分子通過(guò)化學(xué)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(rùn)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(xué)性能研究成為摩擦學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。 本論文針對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)中微構(gòu)件表面改性問題，根據(jù)稀土元素特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，運(yùn)用自組裝技術(shù)制備了具有優(yōu)異摩擦學(xué)性能的稀土復(fù)合納米薄膜，取得了原創(chuàng)性的研究成果。 第一，通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算，稀土元素在組裝過(guò)程中的自由能變化均為負(fù)值。因此，稀

3、土能夠通過(guò)化學(xué)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(guān)系式，得出薄膜表面能的表達(dá)式。研究了薄膜組裝過(guò)程中化學(xué)吸附作用與其表面能的關(guān)系，為稀土復(fù)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(shù)在羥基化后的玻璃和單晶硅基片表面制備了稀土復(fù)合納米薄膜。探討了影響自組裝薄膜制備的各種動(dòng)力學(xué)因素，確定了稀土復(fù)合納米薄膜的最佳組裝條件。研究結(jié)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(fù)合薄膜的自組裝制備。 第三，運(yùn)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(xué)狀態(tài)、接觸角測(cè)定儀評(píng)價(jià)了其表面能，研究了稀土復(fù)合納米薄膜的組裝機(jī)理。研究結(jié)果表明：通過(guò)稀土元素與有機(jī)硅烷表面的磺酸基官能團(tuán)反應(yīng)，可以使稀土元素與基底之間形成化學(xué)鍵合，從而有效地提高稀土復(fù)合納米薄膜與基底之間的結(jié)合力。 第四，系統(tǒng)深入地研究了宏觀條件下稀土復(fù)合納米薄膜的摩擦

5、磨損性能。研究結(jié)果表明：稀土復(fù)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(jié)構(gòu)和巰基硅烷鏈狀分子的偏剛性，稀土復(fù)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(fù)合納米薄膜的微摩擦學(xué)性能研究，探討了載荷、滑動(dòng)速度、濕度、溫度等參數(shù)對(duì)納米薄膜微摩擦磨損性能的影響。研究結(jié)果表明：在相同的載荷下，稀土復(fù)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(dòng)速度

6、下，稀土復(fù)合納米薄膜表面的摩擦力遠(yuǎn)小于單晶硅片表面的摩擦力；稀土復(fù)合納米薄膜性質(zhì)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(fù)合納米薄膜微觀磨損性能。研究結(jié)果表明：稀土元素與磺酸基間具有較高的界面強(qiáng)度，稀土復(fù)合納米薄膜具有較強(qiáng)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(shù)成功地制備了稀土復(fù)合納米薄膜，運(yùn)用原子力顯微鏡、X射線光電子能譜和接觸角測(cè)定儀等手段對(duì)薄膜表面進(jìn)