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自组装分子膜的制备及其摩擦学特性研究

作　者: 李亚斌
导　师: 张会臣
学　校: 大连海事大学
专　业: 载运工具运用工程
关键词: 自组装分子膜润滑原子力显微镜摩擦力学模型
分类号: TB383
类　型: 硕士论文
年　份: 2003年
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内容摘要

随着纳米科学技术的迅速发展，特别是微电子机械系统和高速磁记录技术的迅速发展，迫切需要解决纳米级的润滑和零磨损问题，自组装分子膜（SAMs）技术是解决这一问题的有效途径。本文对SAMs的制备和摩擦学性能进行了研究，并且建立了原子力显微镜（AFM）针尖在试样表面滑动的力学模型，得出主要结论如下： 1、使用AFM观察了不同反应时间下3-氨基丙基三甲氧基硅烷（APS）在Si/SiO₂表面形成的SAMs形貌，对APS膜的形成机理及形貌特征进行了分析，研究表明：APS膜的形成可分为两个阶段：“岛”式结构数量增多和“岛”式结构长大阶段。 2、使用多功能微摩擦磨损实验机（UMT）分析了在恒定载荷下OTS膜、APS膜摩擦系数随滑动速度的变化规律和在恒定速度下OTS膜、APS膜摩擦系数随载荷的变化规律，研究表明：OTS膜的摩擦系数随滑动速度的增加而增大，而APS膜的摩擦系数随滑动速度的增加而减小。OTS膜、APS膜摩擦系数都是随载荷的增大而减小。分子链长的不同是造成OTS膜、APS膜摩擦学性能差异的主要原因。 3、在不同滑动速度和不同载荷条件下，采用不同摩擦副分析了界面接触特性对SAMs摩擦特性的影响，结果表明：镍无论是与OTS和APS间的摩擦系数都大于铜与两种SAMs的摩擦系数，铜和镍与OTS间的摩擦系数随滑动速度的增大而增大，随载荷的增加而减小；铜与APS间的摩擦系数随滑动速度的增大而减小，而载荷的影响则很小；而镍与APS间的摩擦系数随滑动速度的增大而增大，随载荷的增大而减小。 4、建立了AFM针尖在试样表面滑动的力学模型，并通过实验进行了验证。结果表明，微凸体间距变大使摩擦力曲线的周期变大，振幅变小；作用势V₀反映的是表面自由能的大小，V₀增大，摩擦力曲线的振幅变大；阻尼反映的是速度对摩擦力的影响，阻尼变小，摩擦力曲线的振幅基本保持不变，曲线整体下移，但幅度较小。在一定范围内速度对摩擦力的影响不大。

全文目录

中文摘要  3-4
英文摘要  4-8
第1章绪论  8-19
  1．1 概述  8-10
    1．1．1 传统润滑原理  8-9
    1．1．2 纳米润滑及其要求  9-10
  1．2 纳米润滑薄膜的特性  10-12
    1．2．1 粘着和键合  10-11
    1．2．2 耐磨性和自修复特性  11-12
  1．3 纳米润滑薄膜的结构  12-14
    1．3．1 纳米润滑薄膜的组成  12-13
    1．3．2 混合分子膜  13-14
  1．4 自组装分子膜及其特性  14-17
    1．4．1 烷烃自组装分子膜的摩擦磨损特性  14-15
    1．4．2 金表面烷基硫醇的摩擦特性  15
    1．4．3 自组装单分子膜对粗糙固体粘着和变形的影响  15
    1．4．4 纳米粒子对自组装分子膜摩擦学特性的影响  15-16
    1．4．5 液体环境下自组装分子膜的摩擦特性  16-17
    1．4．6 评价自组装分子膜优劣的标准  17
  1．5 本文的研究内容和意义  17-19
第2章 APS自组装分子膜的形成机理与形貌特征  19-32
  2．1 原子力显微镜测试技术  19-22
    2．1．1 工作原理  19-20
    2．1．2 原子力显微镜工作模式  20-22
  2．2 硅烷自组装分子膜成膜的理论分析  22-24
    2．2．1 基体表面羟基化对成膜的影响  22-23
    2．2．2 反应物浓度对成膜的影响  23
    2．2．3 反应温度对成膜的影响  23-24
    2．2．4 溶剂种类对成膜的影响  24
  2．3 实验研究  24-26
    2．3．1 材料  24
    2．3．2 样品的制备  24-26
    2．3．3 样品表面的AFM分析  26
  2．4 实验结果与讨论  26-31
  2．5 小结  31-32
第3章 SAMs摩擦学性能的研究  32-41
  3．1 概述  32-33
  3．2 多功能微摩擦磨损实验机工作原理  33-35
  3．3 实验部分  35-36
    3．3．1 材料和样品的制备  35
    3．3．2 摩擦性能的测试  35-36
  3．4 实验结果与讨论  36-40
    3．4．1 自组装分子膜的变形  36
    3．4．2 墓体、OTS膜、APS膜摩擦系数的比较  36-38
    3．4．3 OTS膜、APS膜摩擦系数随滑动速度的变化规律  38-39
    3．4．4 OTS膜、APS膜摩擦系数随载荷的变化规律  39-40
  3．5 小结  40-41
第4章界面接触特性对SAMs摩擦特性的影响  41-51
  4．1 概述  41
  4．2 Ni、Cu纳米薄膜的制备  41-43
    4．2．1 离子束增强沉积设备结构及沉积工艺流程  41-42
    4．2．2 膜层的扫描电镜（SEM）表征  42-43
  4．3 摩擦性能的测试  43
  4．4 实验结果与讨论  43-50
    4．4．1 金属表面能的理论分析  43-44
    4．4．2 薄膜与OTS自组装分子膜间的摩擦系数  44-48
    4．4．3 薄膜与APS自组装分子膜间的摩擦系数  48-50
  4．5 小结  50-51
第5章 AFM针尖在试样表面滑动的力学模型  51-62
  5．1 模型的建立  51-57
    5．1．1 粘着力的理论分析  51-55
    5．1．2 模型的建立和参数的确定  55-57
  5．2 数值模拟结果与分析  57-59
  5．3 实验验证  59-60
  5．4 小结  60-62
第6章结论  62-64
攻读学位期间公开发表的论文  64-65
致谢  65-66
参考文献  66-69

自组装分子膜的制备及其摩擦学特性研究

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