3-氨基丙基-三乙氧基硅烷-稀土復(fù)合薄膜的制備及其摩擦學(xué)性能研究.pdf

1、隨著微電機(jī)系統(tǒng)(MEMS)及納電機(jī)系統(tǒng)(NEMS)的迅速發(fā)展，對靜摩擦和摩擦控制提出了新的要求。因此，迫切需要解決納米級的潤滑和零磨損問題。自組裝分子膜技術(shù)從納米尺度研究界面相互作用及摩擦粘著機(jī)理，為解決MEMS/NEMS系統(tǒng)中摩擦粘著問題提供了有效途徑。目前，有機(jī)自組裝薄膜還存在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及界面結(jié)合強(qiáng)度差、承載能力低、耐磨性較差、對溫度和濕度比較敏感等缺點(diǎn)，極大地限制了潤滑薄膜在微機(jī)械中的應(yīng)用。 針對界面結(jié)合強(qiáng)度是影響自組裝

2、薄膜綜合性能的關(guān)鍵因素，本論文利用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3-氨基丙基-三乙氧基硅烷(APTES)-稀土(RE)復(fù)合薄膜(簡稱APTES/RE)，有效提高了薄膜的界面結(jié)合強(qiáng)度，降低了其表面能，進(jìn)而提高了APTES/RE復(fù)合薄膜的摩擦學(xué)性能，取得了原創(chuàng)性的研究成果。 第一，通過熱力學(xué)計算，在磷酸化后的APTES薄膜表面組裝稀土之后，薄膜表面的自由能變?yōu)?27.12KJ/mol，焓變?yōu)?4.23KJ/mol，

3、表明稀土能夠化學(xué)吸附于磷酸化后的APTES薄膜表面，形成APTES/RE復(fù)合薄膜。 第二，運(yùn)用分子自組裝技術(shù)在Si/SiO2表面制備了APTES/RE復(fù)合薄膜，采用原子力顯微鏡(AFM)和接觸角測定儀研究了APTES/RE復(fù)合薄膜的最佳成膜工藝。研究結(jié)果表明：將制備好的APTES薄膜磷酸化30min后，在PH值為5～6、濃度為2mol/ml的稀土組裝溶液中組裝5h后制備的APTES/RE復(fù)合薄膜的效果最好。 第三，采用X

4、射線光電子能譜儀(XPS)分析技術(shù)，研究了APTES/RE復(fù)合薄膜表面典型元素的化學(xué)狀態(tài)。結(jié)果表明：在磷酸化后的APTES薄膜表面組裝稀土后，稀土與薄膜表面的P=O以及P-OH之間發(fā)生了配位化學(xué)反應(yīng)，形成了比較穩(wěn)定的稀土配合物，從而顯著提高了APTES薄膜的界面結(jié)合強(qiáng)度。 第四，在多功能微摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(UMT)上系統(tǒng)地研究了宏觀條件下組裝薄膜的摩擦磨損性能。結(jié)果表明：在相同試驗(yàn)參數(shù)下，APTES/RE復(fù)合薄膜比APTES薄膜和

5、磷酸化后的APTES薄膜具有更優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。稀土提高了薄膜表面的承載能力，并增強(qiáng)了薄膜的界面結(jié)合強(qiáng)度，從而顯著提高了薄膜的摩擦磨損性能。 第五，采用掃描電鏡(SEM)探討了組裝薄膜的磨損機(jī)制。結(jié)果表明：APTES薄膜和磷酸化后的APTES薄膜的磨損形式主要是脆性破裂，而APTES/RE復(fù)合薄膜的磨損形式主要是研磨磨損和微裂紋。稀土與-PO(OH)2基團(tuán)之間具有較高的界面強(qiáng)度，能夠抵抗往復(fù)載荷形成的沖擊，有效地抑制了基片表面A

6、PTES薄膜的脫落和大規(guī)模轉(zhuǎn)移，從而避免了薄膜表面在磨損過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的脆性破裂。 第六，采用原子力顯微鏡(AFM)研究了硅基片和組裝薄膜的納米摩擦學(xué)性能，探討了載荷、速度、相對濕度以及摩擦次數(shù)等因素對其摩擦學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：硅基片和組裝薄膜表面的摩擦力隨著速度、載荷和相對濕度的增加而增加；粘附力隨著相對濕度的增加而增加，速度和載荷對硅基片和薄膜表面的粘附力幾乎沒有影響；在相同試驗(yàn)條件下，APTES/RE復(fù)合薄膜由于其表面