復合納米薄膜制備及其摩擦學行為研究.pdf

1、微/納機電系統(tǒng)(MEMS/NEMS)技術(shù)的發(fā)展催生了許多新的科學問題，降低粘著力和摩擦力已成為微機械制作和使用過程中必須解決的問題，微構(gòu)件表面改性和潤滑是改善構(gòu)件表面摩擦學性能、提高抗粘附性能、保持系統(tǒng)穩(wěn)定的兩個有效方法。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)件之間的摩擦學性能的新方法，主要研究內(nèi)容和成果包括以下幾個方面：
　　 第一，創(chuàng)新地提出

2、了一種三明治結(jié)構(gòu)的復合納米薄膜，并成功運用沉積設備以及分子自組裝技術(shù)制備了該復合結(jié)構(gòu)薄膜及對比組薄膜。選用兩種偶聯(lián)劑材料將彈性體材料通過化學鍵鏈接到單晶硅基底材料上，考察了不同基團、反應時間、反應溫度對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化學氣相沉積(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中基團的反應效果。
　　 第三，運用摩擦磨損試驗機(UMT)對彈性自組裝薄膜(A187SEBS、APSSEBS)、硬質(zhì)超薄DLC薄膜(DLC(F)、DLC(C))以及彈性自組裝膜\DLC雙層復合納米薄膜(AI87DLC(F)、A187DLC(C)、APSDLC(F)、APSDLC(C))這三種類型薄膜進行了微觀摩擦學行為研究。結(jié)果表明：單晶硅表面運用自組裝和沉積技術(shù)進行改性修飾后可以顯著改善其摩擦學性能，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，兩種自組裝復合納米薄膜的摩擦系數(shù)相當，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，同時可以承受更高的載荷。對比三種類型薄膜，對低載工況，A187DLC(F)復合納米薄膜的摩擦系數(shù)最穩(wěn)定，而對于高載工況，DLC(F)膜具有更好的摩擦學性能。
　　 第四，對制備

6、的薄膜進行納米力學性能測試，結(jié)果表明：由于薄膜厚度較小，隨著載荷增加，尺寸效應的影響較明顯。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，推導了接觸剛度與最大壓入深度之間的線性關系表達式，并進行了實驗驗證；討論了針尖形貌對測試結(jié)果的影響，推導了針尖曲率半徑與測試誤差之間的關系表達式，發(fā)現(xiàn)誤差主要來源于非理想的探針針

7、尖所導致的接觸面積確定問題，針尖曲率半徑越大，誤差越大。
　　 第六，對三種類型的薄膜進行了劃痕測試，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到8000μN；A187DLC的臨界載荷高于APSDLC的臨界載荷。加載速率對薄膜的臨界載荷測試影響不大，但是薄膜一旦失效，加載速率越慢，測得的側(cè)向力越大。
　　 第七，對塑性和彈塑性材料進行了循環(huán)載荷接觸研究，結(jié)果表明：低載時材料的硬度隨循環(huán)次數(shù)增加而增加

8、，對于高載，硬度呈減小趨勢，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合納米薄膜，在低載條件下具有優(yōu)秀的摩擦學性能和力學性能，可以用于微機械設計中，為解決微構(gòu)件之間的摩擦學問題提供了一種新的思路。
　　 本文在國家自然科學基金(No50475124