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稀土复合氨基硅烷自组装薄膜的制备及纳米摩擦学性能研究

作　者: 杨倩倩
导　师: 程先华
学　校: 上海交通大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 氨基硅烷稀土分子自组装纳米摩擦微观磨损原子力显微镜
分类号: TB383.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着纳机电系统(NEMS)和微机电系统(MEMS)的快速发展,纳米摩擦学已成为摩擦学研究中最活跃的前沿领域之一。微型机械因受到尺寸效应的影响,使零件表面粘附力、摩擦力和润滑膜粘滞力相对于体积而言显得非常突出,成为影响其性能、稳定性和使用寿命的关键因素。为此,仅从宏观的、连续介质的角度进行研究,难以深入了解摩擦学现象和揭示其机理,必须研究以界面上的分子或原子为分析对象的纳米摩擦学特性。为解决纳米级的润滑和零磨损问题,十分有必要开展制备具有低摩擦、耐磨损特性的表面膜的研究工作。自组装分子膜技术能够从纳米尺度摩擦粘着机理出发,改善界面纳米摩擦和微观磨损性能,为解决微纳机电系统中纳米摩擦粘着问题提供了有效途径。然而,目前有机自组装薄膜还存在结构稳定性以及界面结合力较差、承载能力低、耐磨性较差、对温度和湿度比较敏感等缺点,极大地限制了润滑薄膜在微机械中的应用。薄膜的界面结合强度是影响自组装分子薄膜摩擦性能的关键因素。本论文针对这一基本原理,利用稀土元素特殊的物理化学性质,运用分子自组装技术在硅基底表面制备了稀土复合3-氨丙基三乙氧基硅烷(简称氨基硅烷)纳米薄膜,并深入研究了其成膜机理。以原子力显微镜为测试手段,研究了复合薄膜的纳米摩擦学及纳米观尺度下的微观磨损型性能,并通过机理探讨,阐明了稀土元素对于薄膜的结构与性质的作用机理及其提高纳米摩擦学性能的作用机制。第一,通过不同组装阶段的接触角变化图线、原子力显微镜图像和薄膜厚度分析,研究了稀土元素在氨基硅烷薄膜表面的组装过程。原子力显微镜图像和光电子能谱仪所测图谱均表明在基片表面成功组装了氨基硅烷稀土复合薄膜。最终测得复合薄膜的厚度为15nm。第二,通过热力学计算得知,稀土镧(La)在组装过程中的自由能变化均为负值,其键能差为-336 KJ/mol;稀土镧能够化学吸附于基底并自发的与基底发生化学键合,形成硅烷/稀土薄膜自组装薄膜,其与基底之间的结合力非常强。利用薄膜表面自由能计算公式,计算了薄膜的表面自由能。结果表明,磷酸化后的氨基硅烷薄膜的表面自由能最高,氨基硅烷薄膜次之,稀土复合薄膜的表面自由能最低,从而论证了自组装过程的自发性。第三,通过研究稀土复合自组装分子膜的组装动力学,得出了稀土溶液PH值和稀土溶液浓度等因素对组装效果的影响。通过分析水在稀土自组装薄膜表面接触角的变化,研究了镧元素在硅烷薄膜表面上的吸附过程:第一步为镧元素的静电吸附,第二步为吸附于基底上的镧离子与磷酸基官能团发生化学键合。通过Materials Studio软件对自组装薄膜在硅基底上的吸附过程进行了分子动力学模拟,直观地阐述了组装过程中的能量变化,为改善成膜工艺提供了新的途径。第四,利用原子力显微镜研究了载荷、速度和湿度等条件下对硅基片和组装薄膜的纳米摩擦性能的影响。研究结果表明:硅基片和组装薄膜表面的摩擦力随着速度、载荷和相对湿度的增加而增加,粘附力随着相对湿度的增加而增加,速度和载荷对硅基片和薄膜表面的粘附力几乎没有影响;在相同条件下,稀土复合氨基硅烷薄膜表面的粘附力和摩擦力最低,变化幅度最小。第五,设计了表征纳米条件下薄膜微观磨损性能的实验步骤,运用原子力显微镜研究了稀土复合自组装薄膜在纳米条件下的微观磨损性能,探讨了探针载荷、磨损次数、纵向滑动速度和横向步距等因素对自组装膜表面微观磨损深度的影响。随着载荷增大和摩擦循环次数的增多,硅基片和各组装薄膜微观磨损深度均线性增加,滑动速度对硅基片和各组装薄膜的微观磨损深度的影响很小。随着横向步距的增大,微观磨损深度呈线性降低,即横向步距越小,则微观磨损量越大。第六,在纳米摩擦条件下,载荷与粘附力在同一数量级,因此,粘附力对摩擦力的影响不能被忽视;根据Laplace和Kelvin以及范德华力计算公式推导了相对湿度对材料表面粘附力影响的计算公式。分析了相对湿度对表面粘附力的影响,发现较低湿度下,表面的范德华力对粘附力起主要作用;较高湿度下,水分子的毛细力作用显著。提出了将复合薄膜表面的稀土元素和薄膜中的基团视为通过两段弹簧连接于基底上的振子的弹簧双振子模型,并利用这一模型探讨解释了稀土复合自组装膜的纳米摩擦行为;用鹅卵石模型分析了稀土复合自组装薄膜的微观磨损机理。本文基于制备具有优异纳米减摩抗磨性能的稀土复合氨基硅烷自组装薄膜,探讨了组装薄膜的工艺方法及成膜机理,深入研究了微观尺度下的纳米摩擦磨损性能,阐述了纳米摩擦磨损机理。本文的研究成果为微机械运动副纳米尺度润滑问题的研究提供了一条新途径,开拓了稀土表面工程研究的新领域。

全文目录

摘要  5-8
ABSTRACT  8-14
第一章绪论  14-26
  1.1 课题背景及研究意义  14-16
    1.1.1 课题背景  14-15
    1.1.2 研究意义  15-16
  1.2 国内外研究现状  16-23
    1.2.1 纳米薄膜润滑在MEMS/NEMS 系统中的应用  16-17
    1.2.2 自组装薄膜技术研究现状  17-19
    1.2.3 稀土元素在纳米摩擦及润滑领域中的应用  19-20
    1.2.4 MEMS 纳米摩擦学研究中存在的问题及发展趋势  20-21
    1.2.5 有序分子膜的纳米摩擦学研究现状  21-23
  1.3 本论文的主要研究内容  23-24
  1.4 本论文研究拟解决的关键问题  24-26
第二章稀土复合自组装薄膜的制备  26-43
  2.1 前言  26
  2.2 稀土复合自组装薄膜在单晶硅基底表面的制备  26-31
    2.2.1 试验材料和试剂  27-28
    2.2.2 硅基片表面的羟基化处理  28-29
    2.2.3 氨基硅烷在硅基片表面的自组装  29
    2.2.4 氨基硅烷自组装薄膜表面-NH2 官能团的原位磷酸化  29-30
    2.2.5 稀土复合自组装薄膜的制备  30-31
  2.3 稀土复合自组装薄膜组装各阶段的表征  31-42
    2.3.1 表征参数及相关仪器介绍  31-32
    2.3.2 氨基硅烷自组装薄膜的表征  32-34
    2.3.3 磷酸化后氨基硅烷薄膜的表面性能表征  34-37
    2.3.4 氨基硅烷稀土复合薄膜的表面性能表征  37-42
  2.4 本章小结  42-43
第三章稀土复合自组装膜的组装机理研究及分子动力学模拟  43-67
  3.1 前言  43
  3.2 稀土复合自组装薄膜的组装机理研究  43-46
    3.2.1 有机硅烷基底膜类型的选择  43-44
    3.2.2 稀土元素在所选氨基硅烷表面组装机理  44-46
  3.3 稀土复合自组装薄膜组装过程的热力学研究  46-49
    3.3.1 稀土复合自组装薄膜组装过程的化学反应热分析  46-47
    3.3.2 组装薄膜的表面自由能的计算  47-49
  3.4 稀土复合自组装薄膜组装过程的反应动力学研究  49-55
    3.4.1 稀土溶液PH 值对稀土元素化学吸附过程的反应动力学影响  49-52
    3.4.2 稀土溶液浓度对稀土元素化学吸附过程的反应动力学影响  52-53
    3.4.3 稀土复合自组装薄膜组装过程的动力学研究  53-55
  3.5 薄膜自组装过程的分子动力学模拟  55-65
    3.5.1 Materials Studio 软件介绍  55
    3.5.2 氨基硅烷在硅基片上组装过程的分子动力学分析  55-62
    3.5.3 氨基硅烷原位磷酸化过程分析  62-64
    3.5.4 稀土复合氨基硅烷自组装过程分析  64-65
  3.6 本章小结  65-67
第四章稀土复合自组装薄膜的纳米摩擦学性能测试  67-83
  4.1 前言  67
  4.2 稀土复合自组装薄膜的纳米摩擦实验过程  67-71
    4.2.1 原子力显微镜介绍及其在纳米摩擦学实验中的应用  67-70
    4.2.2 粘附力及摩擦系数的测试  70-71
  4.3 硅基片和自组装薄膜纳米摩擦学性能研究  71-78
    4.3.1 温度对纳米摩擦力和粘附力的影响  71-73
    4.3.2 载荷对纳米摩擦力和粘附力的影响  73-75
    4.3.3 湿度对纳米摩擦力和粘附力的影响  75-77
    4.3.4 扫描速度对纳米摩擦力和粘附力的影响  77-78
  4.4 粘滑效应  78-81
    4.4.1 粘滑效应实验表征  78-80
    4.4.2 粘滑模型及分析  80-81
  4.5 本章小结  81-83
第五章稀土复合自组装薄膜微观磨损性能研究  83-92
  5.1 前言  83
  5.2 硅基片及自组装薄膜的微观磨损试验过程  83-85
    5.2.1 微观磨损的表征及研究方法  83-84
    5.2.2 微观磨损试验步骤  84-85
  5.3 硅基片和自组装薄膜微观磨损研究  85-91
    5.3.1 法向载荷对微观磨损的影响  85-87
    5.3.2 摩擦循环次数对微观磨损的影响  87-89
    5.3.3 纵向滑动速度对微观磨损的影响  89-90
    5.3.4 横向移动步距对微观磨损的影响  90-91
  5.4 本章小结  91-92
第六章稀土复合自组装薄膜的纳米摩擦影响因素及机理研究  92-104
  6.1 前言  92
  6.2 硅基片和自组装薄膜纳米摩擦机理研究  92-101
    6.2.1 薄膜表面的表面力分析  92-95
    6.2.2 粘附力对薄膜表面纳米摩擦力的影响  95-96
    6.2.3 硅基片和组装薄膜表面粘着功的讨论  96-99
    6.2.4 纳米摩擦弹簧双振子模型  99-101
  6.3 稀土复合自组装薄膜微观磨损耐磨机理研究  101-103
    6.3.1 微观磨损的鹅卵石模型  101-102
    6.3.2 稀土复合自组装薄膜耐磨机理研究  102-103
  6.4 本章小结  103-104
第七章总结与展望  104-107
  7.1 论文主要内容及结论  104-105
  7.2 研究展望  105-107
参考文献  107-113
附录  113-119
致谢  119-120
作者攻读硕士期间已发表或录用的论文  120-121
作者攻读硕士学位期间申请的发明专利  121-122
作者攻读硕士期间获得的奖励及荣誉  122

稀土复合氨基硅烷自组装薄膜的制备及纳米摩擦学性能研究

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