夹层氧化石墨烯/二元离子液体润滑薄膜的摩擦学性能研究
发布时间：2021-06-25 18:44
单晶硅（Si）作为微机电系统（MEMS）的主要结构材料,其较大的黏着和微观摩擦力严重制约着MEMS的发展,对Si表面进行减黏、减摩和抗磨改性处理是解决这一问题的重要手段。本文在Si基底上设计的一种夹层氧化石墨烯/二元离子液体润滑薄膜,是以N-氨乙基-3-氨丙基三甲氧基硅烷（DA）为基底连接层;以氧化石墨烯（GO）为中间加强层;以1-羧乙基-3-甲基咪唑氯盐（[CMIM]Cl）和1-十二烷基-3-甲基咪唑鎓六氟磷酸盐（[DMIM]PF6）所组成的二元离子液体为剪切润滑层。通过分子动力学模拟方法,对润滑薄膜体系的结构特性进行研究,确定了最佳覆盖率、接枝位置和吸附比条件下的润滑薄膜体系,且进一步讨论了润滑薄膜体系上表面的润湿特性。结果表明:当GO、上层DA、[CMIM]Cl的覆盖率分别为50%,50%,100%,GO与上层DA的取代位置分别在最小单元格的线性位置和四个顶点位置;以及[CMIM]Cl与[DMIM]PF6的分子数目比为1:1时,可得到结构稳定的薄膜结构。在润湿性能分析中,通过表面径向分布函数计算发现:夹层氧化石墨烯/二元离子液体润滑薄膜...
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
微机电系统
湘潭大学硕士学位论文2图1.2失效的MEMS器件的示例：（a）磨损失效；（b）粘附失效薄膜的体系和类别繁多，依照其制备方法和机理的不同，用于处理MEMS微/宏观摩擦学问题的薄膜可分为如下三种类型：（1）有序分子膜：高取向固体有序膜（highorderedsolidfilm）、分子束外延生长膜、自组装分子薄膜（Self-assembledmonolayers，SAMs）等；（2）液体润滑剂薄膜：多烷基环戊烷薄膜（MACs）、全氟聚醚（PFPE）薄膜、离子液体薄膜等；（3）碳基硬质薄膜：类金刚石薄膜（DLC）、石墨烯薄膜等[15]。对薄膜制备方法、运用领域和摩擦学性能的研究发现，SAMs、石墨烯薄膜和离子液体薄膜的制备方法简单、成本低，由它们复合而成的润滑薄膜具有较好的摩擦学性能，因此该种润滑薄膜在MEMS的薄膜体系中被广泛运用和发展。自组装分子薄膜具有高致密度、低表面能、良好的结构稳定性和有序性等特征，可降低Si基底表面的黏着和微/宏观摩擦系数，能用于改善MEMS器件表面的摩擦性能[16-17]。近几年来，专家学者们已将各类单层SAMs成功应用于MEMS中，然其承载性能和耐磨性能不佳，难以保持稳定和持久的润滑效果。与单层SAMs相比，同样具有纳米量级厚度的多层SAMs的结构可调性增加，通过合理的分子设计，可极大的提高薄膜的润滑性能。然而，目前制备的多层SAMs仍然存在承载性能较差和分子流动性不佳等自身缺陷，不能进一步降低器件表面的摩擦系数[18]。因此，通过引入高承载和良好减摩抗磨性能的材料，本文设计了一种新型的润滑薄膜，其能够在局部润滑失效后仍能实现自润滑机制[19]。石墨烯是一种新型二维平面纳米材料，具有良好的导电性能、机械特性和力学性能，已在电子、材料、能源等领域备受关注[20-24]，如图1.3（a）所示。近几年来，研究者在微摩擦磨
湘潭大学硕士学位论文3具有较强的亲水性，将会导致表面表现出较高的黏着现象，摩擦系数仍难以进一步降低。图1.3结构示意图：（a）石墨烯的结构示意图；（b）氧化石墨烯的结构示意图离子液体（IonicLiquids，ILs，如图1.4所示），具有低挥发性、良好的热/化学稳定性和良好的导热性，作为改善MEMS器件表面性能的润滑薄膜已得到广泛的研究[29-31]。图1.4离子液体的结构示意图目前，在Si基底上制备的ILs薄膜大都是单组分ILs薄膜。研究表明，该类单组分ILs薄膜存在耐磨性能差或承载性能不佳等局限。相比单组分的ILs薄膜，多组分ILs薄膜具有良好的分子流动性，因此能进一步改善器件表面的耐磨性能。基于以上结论，本文针对各薄膜材料的制备手段和摩擦学性能改进方法进行了深入的研究，设计出一种以Si为基底，具有低黏着、高承载、减摩和耐磨的夹层氧化石墨烯/二元离子液体润滑薄膜体系，通过模拟与实验相结合的方法，阐明了润滑薄膜体系的结构与润滑薄膜特性之间的关联；通过全面探究润滑薄膜体系微/宏观的摩擦学性能的方式，揭示改性后Si基底表面的减黏、减摩抗磨机理，以实现MEMS器件接触界面间的有效自润滑和耐磨防护。
【参考文献】：
期刊论文
[1]速度对聚四氟乙烯摩擦系数影响的分子动力学模拟[J]. 潘登,刘长鑫,张泽洋,高玉金,郝秀红. 物理学报. 2019(17)
[2]离子液体在低碳烯烃/烷烃分离中的应用研究进展[J]. 尹新旺,张继军,冯世超,苏仪,万印华,张少峰,刘燕. 化工进展. 2019(09)
[3]低能Cu13团簇沉积薄膜的分子动力学模拟研究[J]. 张世旭,刘惠伟,贺亦文,张梅玲,李公平. 原子核物理评论. 2019(02)
[4]不同构型聚α-烯烃分子润滑性的分子动力学模拟[J]. 刘沙沙,王琳,苑世领,曹晓荣. 高等学校化学学报. 2019(07)
[5]硅晶体热导率及点缺陷散射影响的分子动力学模拟[J]. 毛亦尘,熊扬恒,岳亚楠. 哈尔滨工业大学学报. 2019(07)
[6]Effect of Graphene Surface Functional Groups on the Mechanical Property of PMMA Microcellular Composite Foams[J]. 李美娟,CHENG Ping,LIU Cheng,沈强,ZHANG Lianmeng. Journal of Wuhan University of Technology（Materials Science）. 2019(03)
[7]离子液体应用的研究进展[J]. 孙健,李岱霖,倪菲,高华晶,金朝辉. 应用化工. 2019(07)
[8]表面活性剂自组装的分子动力学模拟进展[J]. 张记刚,刘刚,程宏杰,尹志鹏,丁彬,燕友果. 精细化工. 2019(09)
[9]基于微机电系统技术的薄膜离子源制备与实验研究[J]. 王亚军,徐翱,席仕伟,杨林,金大志,陈磊. 原子能科学技术. 2019(07)
[10]MEMS传感器在锚杆加固边坡监测中的应用研究[J]. 李文龙,高燕. 地球科学进展. 2019(04)
博士论文
[1]水中纳米气泡的气体状态与稳定机理的探究[D]. 周利民.中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) 2019
硕士论文
[1]咪唑类离子液体组合设计及其萃取精馏分离醇酯工艺[D]. 耿雪丽.青岛科技大学 2019
[2]硅烷基二元掺杂离子液体润滑薄膜制备及摩擦学性能研究[D]. 阮双双.湘潭大学 2019
[3]自组装分子/离子液体复合薄膜的制备及摩擦学性能研究[D]. 张言.湘潭大学 2017
[4]混合自组装膜共吸附法的制备及其微摩擦学性能研究[D]. 刘帅.中国矿业大学 2015
[5]自组装分子膜摩擦学特性的分子动力学模拟[D]. 刘硕.大连海事大学 2011
[6]Si（100）表面MPS自组装膜的分子模拟研究[D]. 张铭.天津大学 2006
本文编号：3249747
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
微机电系统
湘潭大学硕士学位论文2图1.2失效的MEMS器件的示例：（a）磨损失效；（b）粘附失效薄膜的体系和类别繁多，依照其制备方法和机理的不同，用于处理MEMS微/宏观摩擦学问题的薄膜可分为如下三种类型：（1）有序分子膜：高取向固体有序膜（highorderedsolidfilm）、分子束外延生长膜、自组装分子薄膜（Self-assembledmonolayers，SAMs）等；（2）液体润滑剂薄膜：多烷基环戊烷薄膜（MACs）、全氟聚醚（PFPE）薄膜、离子液体薄膜等；（3）碳基硬质薄膜：类金刚石薄膜（DLC）、石墨烯薄膜等[15]。对薄膜制备方法、运用领域和摩擦学性能的研究发现，SAMs、石墨烯薄膜和离子液体薄膜的制备方法简单、成本低，由它们复合而成的润滑薄膜具有较好的摩擦学性能，因此该种润滑薄膜在MEMS的薄膜体系中被广泛运用和发展。自组装分子薄膜具有高致密度、低表面能、良好的结构稳定性和有序性等特征，可降低Si基底表面的黏着和微/宏观摩擦系数，能用于改善MEMS器件表面的摩擦性能[16-17]。近几年来，专家学者们已将各类单层SAMs成功应用于MEMS中，然其承载性能和耐磨性能不佳，难以保持稳定和持久的润滑效果。与单层SAMs相比，同样具有纳米量级厚度的多层SAMs的结构可调性增加，通过合理的分子设计，可极大的提高薄膜的润滑性能。然而，目前制备的多层SAMs仍然存在承载性能较差和分子流动性不佳等自身缺陷，不能进一步降低器件表面的摩擦系数[18]。因此，通过引入高承载和良好减摩抗磨性能的材料，本文设计了一种新型的润滑薄膜，其能够在局部润滑失效后仍能实现自润滑机制[19]。石墨烯是一种新型二维平面纳米材料，具有良好的导电性能、机械特性和力学性能，已在电子、材料、能源等领域备受关注[20-24]，如图1.3（a）所示。近几年来，研究者在微摩擦磨
湘潭大学硕士学位论文3具有较强的亲水性，将会导致表面表现出较高的黏着现象，摩擦系数仍难以进一步降低。图1.3结构示意图：（a）石墨烯的结构示意图；（b）氧化石墨烯的结构示意图离子液体（IonicLiquids，ILs，如图1.4所示），具有低挥发性、良好的热/化学稳定性和良好的导热性，作为改善MEMS器件表面性能的润滑薄膜已得到广泛的研究[29-31]。图1.4离子液体的结构示意图目前，在Si基底上制备的ILs薄膜大都是单组分ILs薄膜。研究表明，该类单组分ILs薄膜存在耐磨性能差或承载性能不佳等局限。相比单组分的ILs薄膜，多组分ILs薄膜具有良好的分子流动性，因此能进一步改善器件表面的耐磨性能。基于以上结论，本文针对各薄膜材料的制备手段和摩擦学性能改进方法进行了深入的研究，设计出一种以Si为基底，具有低黏着、高承载、减摩和耐磨的夹层氧化石墨烯/二元离子液体润滑薄膜体系，通过模拟与实验相结合的方法，阐明了润滑薄膜体系的结构与润滑薄膜特性之间的关联；通过全面探究润滑薄膜体系微/宏观的摩擦学性能的方式，揭示改性后Si基底表面的减黏、减摩抗磨机理，以实现MEMS器件接触界面间的有效自润滑和耐磨防护。
【参考文献】：
期刊论文
[1]速度对聚四氟乙烯摩擦系数影响的分子动力学模拟[J]. 潘登,刘长鑫,张泽洋,高玉金,郝秀红. 物理学报. 2019(17)
[2]离子液体在低碳烯烃/烷烃分离中的应用研究进展[J]. 尹新旺,张继军,冯世超,苏仪,万印华,张少峰,刘燕. 化工进展. 2019(09)
[3]低能Cu13团簇沉积薄膜的分子动力学模拟研究[J]. 张世旭,刘惠伟,贺亦文,张梅玲,李公平. 原子核物理评论. 2019(02)
[4]不同构型聚α-烯烃分子润滑性的分子动力学模拟[J]. 刘沙沙,王琳,苑世领,曹晓荣. 高等学校化学学报. 2019(07)
[5]硅晶体热导率及点缺陷散射影响的分子动力学模拟[J]. 毛亦尘,熊扬恒,岳亚楠. 哈尔滨工业大学学报. 2019(07)
[6]Effect of Graphene Surface Functional Groups on the Mechanical Property of PMMA Microcellular Composite Foams[J]. 李美娟,CHENG Ping,LIU Cheng,沈强,ZHANG Lianmeng. Journal of Wuhan University of Technology（Materials Science）. 2019(03)
[7]离子液体应用的研究进展[J]. 孙健,李岱霖,倪菲,高华晶,金朝辉. 应用化工. 2019(07)
[8]表面活性剂自组装的分子动力学模拟进展[J]. 张记刚,刘刚,程宏杰,尹志鹏,丁彬,燕友果. 精细化工. 2019(09)
[9]基于微机电系统技术的薄膜离子源制备与实验研究[J]. 王亚军,徐翱,席仕伟,杨林,金大志,陈磊. 原子能科学技术. 2019(07)
[10]MEMS传感器在锚杆加固边坡监测中的应用研究[J]. 李文龙,高燕. 地球科学进展. 2019(04)
博士论文
[1]水中纳米气泡的气体状态与稳定机理的探究[D]. 周利民.中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) 2019
硕士论文
[1]咪唑类离子液体组合设计及其萃取精馏分离醇酯工艺[D]. 耿雪丽.青岛科技大学 2019
[2]硅烷基二元掺杂离子液体润滑薄膜制备及摩擦学性能研究[D]. 阮双双.湘潭大学 2019
[3]自组装分子/离子液体复合薄膜的制备及摩擦学性能研究[D]. 张言.湘潭大学 2017
[4]混合自组装膜共吸附法的制备及其微摩擦学性能研究[D]. 刘帅.中国矿业大学 2015
[5]自组装分子膜摩擦学特性的分子动力学模拟[D]. 刘硕.大连海事大学 2011
[6]Si（100）表面MPS自组装膜的分子模拟研究[D]. 张铭.天津大学 2006
本文编号：3249747
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