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超薄非晶PS薄膜微观力学性能研究

发布时间:2020-04-12 19:55
【摘要】:随着纳米技术的快速发展,超薄非晶聚合物薄膜在柔性传感器、半导体材料和纳米涂层等领域得到应用,而且纳米尺度下非晶聚合物薄膜的物理性能,结构稳定性、抗拉伸性、抗弯曲性和延展性等,也受到人们的关注。已有研究发现,受限条件下聚合物薄膜的玻璃化转变温度(Tg)随着膜厚的改变而改变。受纳米效应的影响,非晶聚合物薄膜的力学性能,如弹性模量和黏弹性等,均与本体有明显区别。受表征方法、材料的结构等因素的影响,受限条件下非晶聚合物薄膜的杨氏模量变化趋势仍未达成统一认识。为探讨非晶聚合物薄膜的力学性能与本体间的联系,同时为纳米薄膜的应用提供理论基础,本文以聚苯乙烯(PS)薄膜为研究体系,使用微观力学新方法进行相关研究,结果如下:(1)通过原子力显微镜(AFM)对PS薄膜进行测量,得到力—形变实验数据。然后确定力学接触模型对实验数据拟合。利用Hertzian模型、Derjaguin-Muller-Toporov(DMT)模型、Johnson-Kendall-Roberts(JKR)模型计算PS薄膜杨氏模量,对比厚度阈值以上的PS薄膜模量与本体的关系。实验结果表明,通过JKR模型计算的PS薄膜模量与本体模量一致。JKR模型与原子力显微镜纳米力学表征(AFM-NMM)相结合的方法适用于PS薄膜的微观力学测量。(2)利用JKR模型研究探针半径、黏附力、载荷、基底等因素对PS薄膜模量的影响。实验发现探针半径为15 nm,针尖在实验前后没有磨损,针尖与样品间黏附力的绝对值接近或小于载荷时,硅基底支撑的厚度阈值以上的PS薄膜杨氏模量与本体模量一致。(3)通过屈曲力学与AFM-NMM实验,研究了PS超薄膜模量的变化。屈曲力学实验表明PS薄膜模量随膜厚(50 nm附近)降低呈减小的趋势。AFM-NMM实验表明,与聚乙烯醇(PVA)基底相比,刚性(Si)基底支撑的PS薄膜的模量随膜厚(100 nm附近)降低而变大,非晶PS薄膜的异质性随膜厚降低而增强。同时,刚性基底、薄膜内残余应力等因素也会造成超薄膜杨氏模量升高。
【图文】:

示意图,表面褶皱,弹性模量,薄膜


,L逦^逦L逦丨逡逑图1.2通过表面褶皱来确定薄膜弹性模量的示意图137]逡逑Figure邋1.2邋Schematic邋diagram邋of邋determining邋the邋elastic邋modulus邋of邋a邋film邋by邋surface邋wrinkles1371逡逑图1.2是通过对软质基底的压缩使上层刚性膜形成表面褶皱的示意图。周期逡逑性褶皱的波长(A)与基底的模量(私)、薄膜的模量(及)和薄膜的厚度有关。逡逑假设基底的变形为线性弹,,基底足够厚,相对于上层刚性膜,基底近似为半无限逡逑空间,贝!J:逡逑4逡逑

示意图,矩形薄膜,超薄薄膜,聚二甲基硅氧烷


厚度的降低,模量降低。逡逑最近,Crosby和他的同事报道了浮在液体上的聚合物薄膜的完整的应力-应逡逑变曲线的测量结果[43]。图1.3邋(a)是该方法获得的从160邋nm至15邋nm厚的PS薄逡逑膜的应力-应变曲线。随着膜厚度的减小,失效应变急剧下降。由不同厚度的斜逡逑率可以明显得看出,随着薄膜模量的降低,其杨氏模量也逐渐降低。图1.3(b)是逡逑实现这些测量的工程设置图。漂浮在水面上的薄膜一端夹紧,另一端连接到悬臂逡逑上,通过移动固定在夹具上的液体储存器,移动悬臂梁来控制薄膜的应变。如图逡逑1.3(c)所示,通过悬臂的偏转计算薄膜的应力。这一方法有可能解决许多关于聚逡逑合物薄膜从弹性体系到非线性力学再到失效的力学性能的测量问题。但是由于所逡逑有的测量必须在液体上面进行,薄膜在拉伸过程中可能会受到液体的表面张力的逡逑影响。各种不同聚合物在纳米限域下的力学性能已经被研宄,但实验表征技术不逡逑同
【学位授予单位】:郑州大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TB383.2;TQ325.2

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