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稀土复合纳米薄膜的制备及其摩擦学性能研究

白涛  
【摘要】: 微电子机械系统(MEMS)具有体积小、质量轻、集成度高和智能化高等特点,受到国内外科学界、产业界的高度重视。由于MEMS结构尺寸微型化后,构件之间的间距处在纳米量级范围,摩擦及其粘着等行为严重影响了MEMS的可靠性。微构件材料表面改性被认为是改善摩擦、降低其粘附、减小磨损、提高MEMS系统稳定性的有效方法。近30年发展起来的分子有序薄膜技术为解决这个难题提供了有效途径。 分子自组装技术是近年来发展起来的制备超薄膜的新型技术。运用该技术,可以将分子通过化学作用嫁接到摩擦表面,形成“分子刷”以降低摩擦磨损。自组装薄膜优异的润滑性能引起了研究者极大的兴趣。因此,分子自组装膜的制备及其摩擦学性能研究成为摩擦学研究领域的热点。 本论文针对微机电系统中微构件表面改性问题,根据稀土元素特殊的物理化学性质,运用自组装技术制备了具有优异摩擦学性能的稀土复合纳米薄膜,取得了原创性的研究成果。 第一,通过热力学计算,稀土元素在组装过程中的自由能变化均为负值。因此,稀土能够通过化学键合吸附于基底形成稀土自组装薄膜。利用Legendre微分变换和Maxwell关系式,得出薄膜表面能的表达式。研究了薄膜组装过程中化学吸附作用与其表面能的关系,为稀土复合纳米薄膜的自组装提供了理论依据。 第二,采用分子自组装技术在羟基化后的玻璃和单晶硅基片表面制备了稀土复合纳米薄膜。探讨了影响自组装薄膜制备的各种动力学因素,确定了稀土复合纳米薄膜的最佳组装条件。研究结果表明:pH值为5~6、稀土浓度为0.5wt%的自组装溶液适合稀土复合薄膜的自组装制备。 第三,运用原子力显微镜(AFM)观察了薄膜的表面形貌、X射线光电子能谱仪(XPS)分析了薄膜表面典型元素的化学状态、接触角测定仪评价了其表面能,研究了稀土复合纳米薄膜的组装机理。研究结果表明:通过稀土元素与有机硅烷表面的磺酸基官能团反应,可以使稀土元素与基底之间形成化学键合,从而有效地提高稀土复合纳米薄膜与基底之间的结合力。 第四,系统深入地研究了宏观条件下稀土复合纳米薄膜的摩擦磨损性能。研究结果表明:稀土复合纳米薄膜具有优异的减摩抗磨性能。由于稀土元素特殊的原子结构和巯基硅烷链状分子的偏刚性,稀土复合纳米薄膜具有较高的承载能力和减摩性能,能够提高薄膜的减摩抗磨性能。 第五,利用原子力显微镜开展了稀土复合纳米薄膜的微摩擦学性能研究,探讨了载荷、滑动速度、湿度、温度等参数对纳米薄膜微摩擦磨损性能的影响。研究结果表明:在相同的载荷下,稀土复合纳米薄膜表面的粘滞力、摩擦力都明显小于单晶硅基片;在相同的滑动速度下,稀土复合纳米薄膜表面的摩擦力远小于单晶硅片表面的摩擦力;稀土复合纳米薄膜性质稳定,其表面粘滞力和摩擦力受温度、湿度变化的影响较小。 第六,利用原子力显微镜研究了稀土复合纳米薄膜微观磨损性能。研究结果表明:稀土元素与磺酸基间具有较高的界面强度,稀土复合纳米薄膜具有较强的承载能力和优异的减摩抗磨性能。 本论文首次利用自组装技术成功地制备了稀土复合纳米薄膜,运用原子力显微镜、X射线光电子能谱和接触角测定仪等手段对薄膜表面进行了表征,揭示了稀土复合纳米薄膜组装机理。系统深入地研究了宏观和微观条件下稀土复合纳米薄膜的摩擦磨损性能,获得了其摩擦磨损性能随试验参数的变化规律及其磨损机理。开拓了稀土表面工程研究的新领域,为稀土复合纳米薄膜的制备技术在微机电系统中的应用提供了依据。


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