lb膜的摩擦學性能研究概述

1、第 2 2卷第 4期 2 0 0 5 年 0 8 月華 東 交 通 大 學 學 報 J o u r n a lo fEa s tC h i n aJ i a o t o n gUn i v e r s i t yV0 1 ． 2 2N o ． 4At． ，2 0 0 5文章編號 ： 1 0 0 5 —0 5 2 3 ( 2 o o 5 ) 0 4 —0 1 6 9— 0 4L B膜 的摩 擦學性 能研究概 述 王 衛(wèi) ， 何 忠義 ，

2、 黃 曉 東， 熊麗萍 ( 華東交通大學 基礎科學學院 ， 江西 南 昌 3 3 0 0 1 3 )摘要 ： 對 L B膜技 術在摩擦 學 中的研 究和 應用進行 了綜述 ， 介紹 了幾種 L B技術等方 面的最新研 究成果 ．關 鍵 詞 ： L B 膜 ； 摩擦 學； 研 究中圖分 類號 ： R 3 1 8 ． 7 ： T H 1 1 7 ． 2文獻標識碼 ： A1 前 言 L B ( 1 _ a n g n u i r —B l o

3、 d g e t t ) 技 術 是將 氣 液 界 面上 的 單層膜通過物理機械作用轉移到 固體基片上 ， 得到 有序單層或多層膜 ． L B 膜?與其他膜相 比有 以下特 點 ： 1 ) 膜的厚度可以從零點幾納米至幾納米 ； 2 ) 高度 各 向異性的層狀結構 ； 3 ) 理論上具有幾乎沒有缺陷 的單分子層 膜 ． L B膜 技術在材料學 、 光學 2、 電化 學 【 3J 和生 物 仿 生 學 【J 等 領 域 顯 示 了 巨 大

4、 的理 論 價 值 和應 用 潛力 ．L B膜 除 了在 上述 諸多 領域 的廣 泛應 用 前 景外 ，近年來 ， 在 摩擦 學領 域 的研 究 及 其 應用 越 來 越 受 到 重視 ． 早在 2 0 世紀 2 0 年代有研究報道在 固體表面 上的單分子膜用來 降低兩 金屬表 面之間 的滑動摩 擦系數 ， 2 0 世紀六十年代 ， K u h n 首次將具有 光致變 色特性的螺 吡喃引入 L B膜 ， 把分子設 計的思想 引入 L B

5、膜 的設計 ， 被認為是 L B技術 的劃 時代 的工 作 ． 2 0 世紀 8 0 年代 ， 隨著納米科技特別是納米摩擦 學的發(fā)展 ， 利用 L B等技術制備分子有序 體系超 薄 膜的研 究， 成 為摩擦學研究 的前沿 之一 ， 受 到各 國學者 的廣泛 關 注 ．我們知道 ， 納 米摩 擦學 的核心 內容是從 原子 、分子水平上揭 示摩擦、 磨損本質 ， 以期 進一 步發(fā)展 納米潤滑技術 ． 覆蓋在 固體表面上的分子排列有序 而結構

6、致密的單分子層或 由若干單 分子重疊而成 的多分子層膜的有序分子膜可望成 為新一代優(yōu)秀 的潤滑材料 ． 依據成膜機理不 同有序分子膜 5 可分 為 L B( L a n g m u i r —B l o d g e t t ) 膜 ， 自組 裝 膜 ( S e l f —A s ．s e m b l e dM o n o l a y e r ， S A M) ， 分子沉積膜 ( M o l e c u l a rD e ．p o s

7、i t i o nF i l m， M D F ) ， 分子束外延生長膜 ， 高取向固體 有序膜以及剪切誘導有序膜等 ． 由于具有膜厚易于 控制、 制備過程簡單 、 缺陷少 、 可引入具有特殊功能 的基 團等特點 ， 所 以 L B膜受到各 國學 者的廣泛注 意 而成 為最 為活躍 的研 究前 沿 ．2L B膜的摩 擦學特性 隨著現代計算機技術 的飛速發(fā)展 ， 使得磁盤向高密度、 大容量 和高速 度的方 向發(fā) 展， 由于磁 頭和 磁記錄

8、體之 間的摩擦 而產生磨損 ， 需要在磁記錄體 表面 涂覆一 層質 地 均 勻且 性 能 穩(wěn) 定 的超 薄潤 滑 層 ．對此 ， 應用 硬脂 酸 L B膜及 脂 肪 酸 鋇鹽 和 鈣鹽 L B膜 已有 相關研 究報 道 J ．S e t o 等 將 L B膜作 為金屬薄膜磁記錄介 質的保護層 ， 發(fā)現只需要一層脂肪酸( C 。 6 ～ C 2 2 ) 鋇鹽單分 子層就可 以使金屬 薄膜的摩擦 系數 由 0 ． 8 降低到 0 ． 2 ，

9、 但層數增多卻無更明顯的效果 ． 日本國立工業(yè) 收稿 日期 ： 2 0 0 5 —0 4 —1 2基金項 目： 江西省科技廳項 目( 0 3 3 0 0 6 3 ) 和華東交通大學 校立基金資助項 目( 3 0 3 0 6 3 )作者簡介 ： 王 衛(wèi)( 1 9 6 1 一) ， 男 ， 江西 九江人 ， 副教授 ．維普資訊 http://www.cqvip.com 第 4 期 王 衛(wèi) ， 等 ： I J 3 膜的摩擦學性 能研究概述

10、 1 7 1在水表面形成的穩(wěn)定單層 ， 并且把此單層成功地以 L B膜 形式 沉積在 一 硬 盤 上 ， 證 明此 3層 的 L B膜 在 實際上可以作為硬盤的潤滑劑 ．大 量 已發(fā) 表 的研究 結果 表 明 ， L B膜 作 為薄 膜 潤 滑成功應用于工程實 際的兩個關鍵難點是設 法提 高其負荷 承載能力或 機械穩(wěn)定性 和提 高膜基結 合 強度 ． 純 L B 膜不能完全勝任現代工況對其 的要求 ，所以在 L B 膜中引入具有特殊功能

11、 的基團以滿足特 定 工況要 求 的研究 越來 越受 到重 視 ．3 納米微粒 L B膜摩擦學行 為有機分子 L B膜的穩(wěn)定性 較差 ， 影 響了其在摩 擦學 領域 的應 用 ， 而 近 年 來 隨著 納 米 科 技 的發(fā) 展 ，超微 粒 的研 究 也 日益 受 到 人 們 的 關 注 而得 到迅 猛 發(fā)展 ． 超微粒 _ 8J 一般 是 無 機 顆 粒 ， 性 能 穩(wěn)定 ， 在整 個 體系 中無 規(guī) 則 堆 積 ， 不 易單 獨 成

12、膜 ， 而 長 鏈 兩 親 分 子可 形成 聚集規(guī) 整 的有 序分 子 膜 ， 但 熱 穩(wěn) 定性 及 力 學穩(wěn)定性又不如無機物膜 ， 因此將兩者復合是一 種 行 之 有效 的辦法 ．余來貴等_ lJ 的研究結果表明， 表面修飾納米微 粒 L B膜 可顯 著 降低 金 屬 基 體 的摩 擦 系 數 ， 與 脂 肪 酸 L B膜相 比， M o S 2 納 米微 粒 L B膜 可 承受更 高 負荷 及具有更優(yōu)異的耐磨性 能， 其耐磨壽命 比

13、硬脂酸 L B膜高數百倍 以上 ． 通過 紅外 和 X P S的分析 ， M o S 2 一D D P L B膜在 摩擦 過 程 中 由于剪 切 力 的作 用 ， 經歷 了 有序化減弱及 納米微粒表面修飾 劑的部分分解等 摩擦化學 變化 ． 摩擦后 的磨 痕形貌分析結果 顯示 ，在磨痕的邊緣形成 M o 、 S的富集 ． 說 明在摩擦 力作 用下 ， 其表面修飾劑發(fā)生分解而使 M o S 2 微粒暴露于 表面 ， 同時被擠壓到磨痕邊緣

14、， 而分解后的 M o S 2 無 機納米核則起到承載負荷及抗磨作用 ．不 同金 屬基體對 Mo S 2 一D D P納 米 微粒 L B膜 摩 擦學性能影響研究表明 ， C u 基體上 L B 膜耐磨壽命 最佳 ， 其中較 A g 基體提高 1 0 0 倍 以上 ， 這應歸因于 L B 膜與 A g 基體的結合較弱 ．表面修飾 L a納米微粒 L B膜_ l， 同樣表現出優(yōu)異的抗磨性能， A F M觀察表 明， 其納米微粒均勻分布于膜

15、的表面． 雙炔酸與原位形成 的 C d S 納 米微 粒復合 L B 膜【 nJ 可顯著提高雙炔酸 L B膜的抗磨性 能 ． 磨痕表面原子力顯微鏡觀察結果顯示納米微粒 分 布 于 L B膜 表 面 ， 而 經 一 定 次 數 摩 擦 后 其 磨 痕 表 面仍 可 見納米微 粒 存 在 ． 由于 納米 微 粒 起 了 承 載及 抗磨作用 ， 從而此 L B膜在 摩擦過程 中表現 出優(yōu)異 的耐磨性能 ．4C 6 o I 3 3 膜摩擦學行為

16、 C 6 。 分子具 有低 的表面能、 高度對成 、 弱 的分子 間鍵合以及高的承載能力 ， 被認為是新一代超級潤 滑材料【J ． 閻逢元 等研究了 C 6 0 的摩擦相變現象 ，并發(fā)現將 C 6 。 作為潤滑油添加劑具有極壓和減摩作 用 ．薛群基等的研究結果表明 ， 含 C 6 o ／ C 7 o L B 膜 ， 其 摩擦系數隨著滑動速度增加而增加 ， 隨負荷增加而 減小 ． 但摩 擦系數隨 負荷或速 度的變化幅度不大 ，說 明 C

17、~／ C 7 o L B膜 的負 荷 承 載能 力 和速 度 適 應性 較 好 ． 純 C 6 。 L B膜的摩擦 ， 摩擦系數隨速度和負荷的變 化趨勢同 C 6 0 ／混合粉的情形相同， 其數值也很接 近 ， 摩 擦 系數 與其 它潤 滑膜 ( 如 流體 潤滑 膜 或 M o S 2 ，石墨膜等) 相比顯得較大 ， 但 L B膜的層數對摩擦 系數 的影 響并無 明顯規(guī) 律 ．在 C 6 0 或 C ~／ C 7 0 中加 入 適 量

18、的長 鏈 有 機 分 子 ，如脂肪 酸 ， 其 摩擦系數值 明顯小于單純 C ~／ C , - , o L B膜 的值 ， 但 比脂肪酸 L B 膜 的摩擦 系數大 ， 但其耐磨 壽命卻遠遠高于 任何一種單一體系 ， 提高 約十倍 ．這說 明 C 6 。 與脂肪酸分子之間存在協(xié)同效應 ． 它可歸 因于混合膜 中 C 6 。 分子通常的聚集體被分割成納米 尺 度 以及脂 鏈 中 的 C 6 。 分 子在摩 擦 中 的承載作 用 ．張平余等

19、_ 5J 通過 酸堿締合 以及不 同脂 鏈鏈長 設計 S A ／ O A ／ A A體系分子“ 限域阱” ， 制備出分散性 能優(yōu)異且有序性 良好的 C 6 o ／ S A ／ A A ／ O AL B膜 ， 較所 研究 的其它 C 6 0 L B膜 表 現 出最 優(yōu) 的耐 磨性 能 ， 表 明 ，通過 選 擇更 好 限域 作用 又 與 C 6 0 問 相互 作 用 較 弱 的 有機分子制膜是獲得低摩擦高耐磨 C 6 。 L B膜的有效

20、途徑 ．5 展 望 雖然 L B技術 提供 了在 分 子水 平 上 利用 人 工 控 制的排布方式組建分子聚集體的可能性 ， 但是距 離 大規(guī)模 的實用 階段還有 很長一 段路要走 ． 要 把 L B膜 在摩 擦 學領 域 得 到更 好 的應 用 ， 以下 幾 方 面值 得 進一步深 入研究 ： 1 ) 改進膜材料 的設計 、 合成 和制備工藝 ， 研究更為穩(wěn)定 ， 高強度的 L B膜以滿足實際 應 用需 要 ； 2 ) 通過 合 成