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铜、锌表面自组装单分子膜的制备及其摩擦学特性研究

作　者: 刘义芳
导　师: 万勇
学　校: 青岛理工大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 自组装单分子膜铜锌基底摩擦学性能
分类号: TB383.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

自组装单分子膜是20世纪80年代发展起来的一种新型有机超薄膜,因其具有更高的分子有序性和取向性而被广泛应用在化学、光学、生物、机械和电子等领域。自组装单分子膜结构稳定,堆积紧密,具有防止腐蚀、减小摩擦及降低磨损等作用。本文利用分子自组装技术,以金属铜和锌为基底,制备了均匀、致密的硅烷和脂肪酸有机薄膜,系统探讨了金属铜和锌表面预处理技术对有机薄膜结构、润湿性及摩擦学性能的影响,以期得到改善铜和锌基材摩擦学特性的有机薄膜。研究发现:(1)脂肪酸在锌表面上构筑的有机薄膜可明显降低锌基材表面的摩擦系数,对基材起到了明显的保护作用。首次发现锌表面经由N,N-二甲基甲酰胺(DMF)处理后,再在表面构筑硬脂酸有机薄膜,其对水的接触角达到155o,呈现出的优良的减摩和耐磨特性。(2)在纯铜片上利用分子自组装技术沉积了硬脂酸、油酸、月桂酸有机薄膜;硬脂酸薄膜的抗磨减摩性能最佳。(3)利用自组装技术,在铜片及NaOH处理后的铜片的基底上气相沉积了硅烷单分子膜,两者均表现出明显的疏水性能;在载荷0.2N的低载荷下,纯铜片基底的硅烷单分子膜的耐磨寿命达到390s左右,能很好的保护基底,但NaOH处理后的铜基底及其表面的单分子膜均不能起到减摩的作用。金属铜、锌在工业中有着广泛的应用,但因其易受腐蚀及其过高的摩擦系数造成巨大的经济损失。本文采用分子自组装技术在铜、锌基底构筑有机硅烷和脂肪酸有机薄膜,并对薄膜的摩擦学特性进行了较为系统研究,找到了一种能有效改善锌基底的有机薄膜,实验结果对铜、锌的应用拓展应具有一定的参考价值。

全文目录

摘要  7-8
Abstract  8-10
第1章绪论  10-24
  1.1 自组装膜的结构及形成机理  11-20
    1.1.1 自组装单层膜的形成机理及结构  11-12
    1.1.2 自组装单层膜类型及其影响因素  12-17
    1.1.3 SAMs 在固体表面的取向  17-18
    1.1.4 SAMs 膜的反应机理及其表面构筑  18-20
  1.2 自组装膜的摩擦学特性及其研究现状  20-23
  1.3 本文研究的主要内容及目标  23-24
第2章实验原理、方法及实验设备  24-31
  2.1 基底的加工与处理  24
  2.2 基底的粗糙化  24
    2.2.1 锌基底的粗糙化  24
    2.2.2 铜基底的粗糙化  24
  2.3 自组装分子膜的制备  24-26
    2.3.1 有机硅烷类 SAMs  25-26
    2.3.2 脂肪酸及其衍生物 SAMs  26
  2.4 实验仪器与设备  26-31
    2.4.1 薄膜制备设备  26-27
    2.4.2 薄膜性能表征设备  27-31
第3章锌表面超疏水薄膜的制备及其摩擦学特性的研究  31-46
  3.1 前言  31
  3.2 实验与表征  31-32
    3.2.1 薄膜的制备  31-32
    3.2.2 薄膜的表征  32
  3.3 结果与讨论  32-45
    3.3.1 硬脂酸SAMs 的微观结构  32-38
    3.3.2 硬脂酸 SAMs 的摩擦学特性  38-41
    3.3.3 不同有机酸SAMs 的摩擦学特性比较  41-45
  3.4 本章小结  45-46
第4章铜表面疏水薄膜的制备及其摩擦学性能的研究  46-52
  4.1 前言  46
  4.2 实验与表征  46-47
    4.2.1 试剂及材料  46
    4.2.2 基底的制备  46-47
    4.2.3 单分子膜的制备  47
    4.2.4 薄膜的表征  47
  4.3 结果与讨论  47-51
    4.3.1 薄膜表面形貌的表征  47-48
    4.3.2 薄膜的摩擦特性表征  48-51
  4.4 本章小结  51-52
第5章铜金属的表面改性及其摩擦学性能研究  52-67
  5.1 引言  52-53
  5.2 薄膜的制备与表征  53-55
    5.2.1 试剂及材料  53
    5.2.2 基底的预处理  53
    5.2.3 CuO 纳米薄膜的制备  53-54
    5.2.4 硅烷自组装单分子膜的制备  54
    5.2.5 薄膜的表征  54-55
  5.3 结果与讨论  55-66
    5.3.1 薄膜润湿性表征  55-56
    5.3.2 薄膜的SEM 表征  56-57
    5.3.3 薄膜的XPS 结果  57-63
    5.3.4 薄膜的摩擦学性能评价  63-65
    5.3.5 自组装膜的酸碱稳定性  65-66
  5.4 本章小结  66-67
结论  67-69
参考文献  69-75
攻读硕士学位期间发表的学术论文  75-76
致谢  76

铜、锌表面自组装单分子膜的制备及其摩擦学特性研究

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