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溶胶-凝胶法制备TiO_2纳米薄膜及其摩擦学性能研究

作　者: 晁闻柳
导　师: 万勇
学　校: 青岛理工大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: TiO2 溶胶凝胶 薄膜 金属掺杂 分子自组装 紫外光照 摩擦学性能
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


纳米TiO2因具备优异的物理化学特性而可被广泛地应用于化学、光学、生物、机械和电子等领域。目前,TiO2薄膜因具备较高的光催化活性,成为一种公认的催化材料,而其光致亲水性能被用于自清洁薄膜,已形成产业化并实现了大规模的生产。本文利用溶胶-凝胶法,以玻璃为基底,制备了均匀、致密的TiO2纳米薄膜,并研究了其摩擦学性能;同时,利用金属掺杂以及分子自组装技术,在玻璃表面制备了TiO2纳米复合薄膜;此外,还考察了紫外光照对TiO2薄膜摩擦学性能的影响。研究发现:（1）采用溶胶-凝胶法制备的TiO2纳米薄膜致密且均匀,表面具备超亲水性能;摩擦实验测得在0.5N载荷下薄膜的耐磨寿命为150s。（2）采用Cu离子及Ni离子掺杂后,TiO2纳米薄膜致密、均匀度依然良好,且薄膜的表面粗糙度变小;掺杂后薄膜的摩擦学性能明显改善,且当Cu离子及Ni离子掺杂量为5%（摩尔浓度）时,薄膜的抗磨减摩性能最佳。（3）利用分子自组装技术,在TiO2纳米薄膜表面气相沉积了一层十七氟癸基三甲氧基硅烷（FAS）单分子膜,得到TiO2- FAS复合双层薄膜,并发现其摩擦学性能显著提高,在0.5N载荷下耐磨寿命达到550s。（4）采用紫外光照处理后的TiO2纳米薄膜摩擦学性能明显恶化,通过考察薄膜的亲水性能,以及紫外光照前后表面形貌的变化,发现导致恶化的原因有:紫外光照恢复了薄膜的超亲水性能从而加大了薄膜表面的粘附磨损;紫外光照后薄膜的表面形貌被破坏。其中,后者是导致薄膜摩擦学性能恶化的主要原因。TiO2纳米薄膜的摩擦学性能影响了其在实际应用的正常持久发挥,本文通过常用金属掺杂、分子自组装技术,显著改善了薄膜的抗磨减摩性能,并研究了紫外光照后薄膜摩擦学性能恶化的因素,这些实验结果对TiO2纳米薄膜的应用拓展有着十分重要的意义。

全文目录


摘要  7-8
Abstract  8-10
第1章 绪论  10-26
  1.1 纳米科技与纳米陶瓷材料  10
  1.2 Ti0_2的结构及性质  10-12
  1.3 Ti0_2薄膜的制备方法  12-17
    1.3.1 物理气相沉积（PVD）法  12-13
    1.3.2 化学气相沉积（CVD）法  13-14
    1.3.3 液相沉积（LPD）法  14-15
    1.3.4 溶胶-凝胶（Sol-gel）法  15-17
  1.4 Ti0_2薄膜的研究现状  17-24
    1.4.1 光催化性能的研究  17-19
    1.4.2 亲水性能的研究  19-21
    1.4.3 摩擦学性能的研究  21-24
  1.5 研究的背景及意义  24
  1.6 本文研究的主要内容及目标  24-26
第2章 实验原理、方法及实验设备  26-33
  2.1 Ti0_2薄膜的制备原理  26
  2.2 制备方法  26-28
    2.2.1 基底的清洗及功能化处理  26-27
    2.2.2 薄膜的制备  27-28
  2.3 实验仪器与设备  28-33
    2.3.1 薄膜制备设备  28-29
    2.3.2 薄膜性能表征设备  29-33
第3章 金属掺杂Ti0_2薄膜的摩擦学性能研究  33-52
  3.1 引言  33
  3.2 实验与表征  33-35
    3.2.1 薄膜的制备  33-34
    3.2.2 薄膜的表征  34
    3.2.3 薄膜的摩擦学性能评价  34-35
  3.3 Cu-Ti0_2薄膜结果与讨论  35-43
    3.3.1 XPS 表征  35-38
    3.3.2 XRD 表征  38-39
    3.3.3 AFM 表征  39-40
    3.3.4 摩擦学性能  40-43
  3.4 Ni-Ti0_2薄膜结果与讨论  43-51
    3.4.1 XPS 表征  43-47
    3.4.2 XRD 表征  47-48
    3.4.3 AFM 表征  48-49
    3.4.4 摩擦学性能  49-51
  3.5 本章小结  51-52
第4章 FAS-Ti0_2复合薄膜的摩擦学性能研究  52-61
  4.1 前言  52-53
  4.2 实验与表征  53-55
    4.2.1 FAS-Ti0_2薄膜的制备  53-54
    4.2.2 薄膜的表征  54-55
  4.3 结果与讨论  55-59
    4.3.1 薄膜的XPS 表征  55-58
    4.3.2 薄膜的摩擦学性能表征  58-59
  4.4 本章小结  59-61
第5章 紫外光照对 Ti0_2薄膜摩擦学性能的影响  61-70
  5.1 前言  61
  5.2 实验与表征  61-63
    5.2.1 薄膜的制备  61
    5.2.2 薄膜的表征  61-62
    5.2.3 紫外光照处理  62-63
  5.3 结果与讨论  63-68
    5.3.1 紫外光照前后Ti0_2薄膜的亲水性能  63-64
    5.3.2 紫外光照前后Ti0_2薄膜的表面形貌  64
    5.3.3 紫外光照前后Ti0_2薄膜的摩擦学性能  64-66
    5.3.4 紫外光照对Ti0_2薄膜的摩擦学性能的影响机制  66-68
  5.4 本章小结  68-70
结论  70-72
参考文献  72-80
攻读硕士学位期间发表的学术论文  80-81
致谢  81

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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