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镁合金和单晶硅表面纳米有机薄膜的制备及功能特性研究

作　者: 刘应辉
导　师: 康志新
学　校: 华南理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 镁合金 单晶硅 有机镀膜 自组装分子膜 纳米薄膜 浸润性 耐腐蚀性 微摩擦学特性
分类号: TB383.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


功能性纳米薄膜的制备研究已成为当前新材料科学研究领域的热点,其不仅能够提高材料的表面性能,同时可拓展材料的使用范围。三嗪硫醇类化合物纳米薄膜由于其独特的性能越来越得到广泛的应用,可以对多种材料表面进行功能化和高性能化改性,同时对解决MEMS/NEMS系统中存在的低载荷下界面的粘着、摩擦、磨损及润滑等技术问题具有重要的研究意义。本论文主要采用有机镀膜技术和自组装技术分别在镁合金和单晶硅这两种MEMS/NEMS微器件材料上制备得到不同类型的三嗪硫醇类有机纳米薄膜,并研究了薄膜形成的机理及其浸润性、耐蚀性、介电性和微摩擦学特性。得到主要结论如下:（1）通过循环伏安有机镀膜技术在AM60镁合金表面制备了疏水耐蚀有机薄膜（PDH）。分析结果表明有机薄膜反应分为两个步骤:镁合金基体与DHN有机单体首先发生电化学反应成膜,然后有机单体之间发生聚合反应使膜层增厚。有机镀膜前后镁合金表面发生了由亲水到疏水功能特性的转变,经不同循环次数有机镀膜后其表面与蒸馏水的接触角稳定在112°附近。所形成的有机膜层在0.1 mol/L NaCl水溶液中使腐蚀电流密度从18400 nA·cm-2降低到540 nA·cm-2,降低了2个数量级,腐蚀电位正移114 mV,其保护效率达到97.07 %;电荷传递电阻Rct从2.24 kΩ·cm2提高到16.88 kΩ·cm2。有机薄膜在镁合金表面起到疏水防护层的作用,使其耐蚀性得到明显提高。（2）通过恒电流有机镀膜技术在Mg-Mn-Ce镁合金表面制备了具有低表面自由能和较高介电常数的有机纳米薄膜（PAT）。该有机薄膜厚度属于纳米尺度范围,原子力显微镜（AFM）形貌表明有机镀膜后在镁合金表面形成致密、有序的纳米有机薄膜。有机镀膜后其表面自由能从基体的37.96 mJ/m2降低到1.57 mJ/m2,得到低表面自由能的表面;薄膜的厚度和重量随有机镀膜时间延长先增加后略有降低,在镀膜20 min时膜厚和膜重均达到最大值,分别为147.5 nm和23.5μg/cm2,此时薄膜的介电常数也达到最佳,在1 kHz下可达24.922。（3）采用自组装方法在羟基化硅基底表面制备了自组装单分子薄膜（TES）。自组装后硅片表面分子膜与蒸馏水的接触角为51.8°,分子膜的厚度为3.7 nm。自组装分子膜的形成过程如下:首先经过羟基化在硅片表面形成羟基,然后表面的羟基-OH与有机单体中的硅烷醇基团-Si-OH之间以及有机单体之间的羟基发生结合,最后脱水缩合形成以Si-O-Si化学键结合的自组装分子膜。通过AFM观察了自组装分子膜的表面形貌,发现硅表面被一层取向比较有序的薄膜所覆盖,同时存在部分的“岛状簇”。（4）通过UMT-2多功能摩擦磨损试验机研究了两种有机纳米薄膜（PAT和TES）在微载荷下的的摩擦、磨损性能。有机镀膜后镁合金的摩擦系数从基体的0.381下降到0.174,但在50 mN载荷下往复滑动35次后,薄膜即开始遭到破坏。硅片自组装分子膜后其摩擦系数从硅基底的0.494下降到0.102,在载荷100 mN下的耐磨寿命为130次往复滑动,经过300次循环后薄膜才完全遭到破坏。用鹅卵石模型分析了自组装分子膜的耐磨机理,认为TES单体含有的Si—O键与硅基体之间较强的共价键结合力以及三嗪硫醇化合物本身的润滑作用对提高自组装分子膜的微观磨损性能起到了重要作用。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章 绪论  12-28
  1.1 引言  12-13
  1.2 功能特性薄膜的研究概况  13-17
    1.2.1 镁合金表面有机薄膜改性技术研究现状  13-16
    1.2.2 有机介电薄膜的研究现状  16-17
  1.3 自组装单分子膜及纳米薄膜的微摩擦特性研究概况  17-24
    1.3.1 自组装单分子膜制备技术研究现状  17-21
    1.3.2 薄膜材料在微摩擦学领域的研究现状及进展  21-23
    1.3.3 具有特殊浸润性功能薄膜材料在微摩擦学领域的研究现状  23-24
  1.4 本课题研究目的、意义和内容  24-27
    1.4.1 研究目的和意义  24-26
    1.4.2 研究内容  26-27
  1.5 课题来源  27-28
第二章 镁合金表面疏水纳米有机薄膜的制备、成膜机理及耐蚀性研究  28-43
  2.1 引言  28
  2.2 研究方法及过程  28-30
    2.2.1 薄膜的制备  28-29
    2.2.2 薄膜的表征  29-30
  2.3 试验结果与分析  30-42
    2.3.1 薄膜的生成机理  30-35
    2.3.2 薄膜的浸润性变化  35-37
    2.3.3 薄膜的表面形貌  37-38
    2.3.4 薄膜的耐腐蚀性  38-40
    2.3.5 薄膜的腐蚀机理研究  40-42
  2.4 本章小结  42-43
第三章 镁合金表面低表面自由能有机介电薄膜的制备及性能研究  43-55
  3.1 引言  43
  3.2 研究方法及过程  43-45
    3.2.1 试验材料  43-44
    3.2.2 薄膜的制备与表征  44-45
  3.3 试验结果与分析  45-53
    3.3.1 薄膜的生成机理  45-47
    3.3.2 薄膜的浸润性变化  47-49
    3.3.3 薄膜的膜重和膜厚  49
    3.3.4 薄膜的表面形貌  49-52
    3.3.5 薄膜的介电性能  52-53
  3.4 本章小结  53-55
第四章 单晶硅表面自组装纳米薄膜的制备及特性研究  55-65
  4.1 引言  55
  4.2 研究方法及过程  55-57
    4.2.1 自组装分子膜的制备  55-56
    4.2.2 自组装分子膜的表征  56-57
  4.3 试验结果与分析  57-63
    4.3.1 自组装分子膜的表面特性  57-58
    4.3.2 自组装分子膜的成分表征  58-61
    4.3.3 自组装分子膜的表面形貌  61-63
  4.4 本章小结  63-65
第五章 不同有机纳米薄膜的微摩擦学性能研究  65-76
  5.1 引言  65
  5.2 研究方法及过程  65-67
    5.2.1 试验材料及薄膜制备  65-66
    5.2.2 薄膜的微摩擦学性能测试  66-67
  5.3 试验结果与分析  67-74
    5.3.1 有机膜的结合强度及摩擦系数分析  67-68
    5.3.2 有机膜的耐磨性及磨损失效分析  68-70
    5.3.3 分子膜的结合强度及摩擦系数分析  70-71
    5.3.4 分子膜的耐磨性及磨损失效分析  71-73
    5.3.5 分子膜的耐磨机理研究  73-74
  5.4 本章小结  74-76
结论  76-79
参考文献  79-88
攻读硕士学位期间取得的研究成果  88-90
致谢  90-91
附件  91

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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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