基于硅烷的自组装分子膜摩擦学性能研究

发布时间：2020-05-10 08:10

【摘要】： 自组装分子膜的研究不仅具有深远的理论意义,而且因其在微纳米器件中的广泛应用而具有重要的现实价值。本文以氟代和非氟代硅烷分子膜为对象,应用X射线光电子能谱(XPS)、原子力显微镜(AFM)和接触角测量仪等实验仪器对硅烷分子膜的形貌、成分和润湿性进行了表征。通过多功能摩擦磨损试验机(UMT-2)深入地研究了分子膜的摩擦学性质,详细比较了氟代和非氟代硅烷分子膜摩擦学性能的差异,最后,对单相和混合自组装分子膜的生长过程和摩擦学性质进行了简要的对比分析。自组装分子膜基底的粗糙度对其润湿性和摩擦性质有着重要的决定作用,硅烷分子膜都是疏水性薄膜,以粗糙的多孔硅取代光滑硅片作基底时,当去离子水液滴在基底表面上处于平衡状态后,水滴同多孔硅基底的接触区为复合接触区,既有液-固接触部分又有液-气接触部分,并且液-气接触部分占主导地位,从而使分子膜同去离子水的接触角达到较大的值甚至超过160o,即表现出超疏水性。氟代和非氟代硅烷分子膜的性质有着显著的差异,氟代分子膜的表面能低从而使其疏水性优于非氟代分子膜。由于氟代分子的高刚性、强抗氧化性、独特的螺旋结构以及分子之间较强的范德华作用力,因此氟代分子膜的结构致密、有序性好并且缺陷少,这些因素共同决定了氟代分子膜优良的摩擦学性质,不仅能够有效地降低摩擦系数,而且同基底接合地更加紧密。硅烷分子的链长对分子膜的性质有着重要的影响,长链硅烷分子之间的分子间作用力强而且分子末端缺陷少,因而有利于生成致密有序的分子膜,所以相对于链长较短的分子膜,长链分子膜的接触角更大并且摩擦学性质更好,即表现出更低的摩擦系数。论文最后探究了单相氟代硅烷分子膜以及氟代和非氟代混合硅烷分子膜的生长机理,结果表明单相氟代硅烷分子膜随组装过程的进行生长较快,而且生成的分子膜的结构有序性、致密性好且缺陷少。进一步的实验发现单相氟代硅烷分子膜的粗糙度小、疏水性和降低摩擦系数的能力明显优于混合分子膜。
【图文】：

粗略模型,自组装膜,硫醇分子,长链分子

子膜的降摩性能[11]，这种模型如图1.1所示。图1.1 硫醇分子弯曲的粗略模型，顶部的弯曲可以避免较长链分子的顶端甲基基团同上表面潜在突起的碰撞，虚线表示硫醇分子在碰撞过程中构型的改变混合自组装膜有很多特殊的令人感兴趣的新的性质，因此，在单相自组装膜的基础上，对自组装膜的组合进行研究也引起了学者们极大的兴趣。混合自组装膜的制备方法同单相自组装膜的制备方法没有本质的区别，因此可以通过灵活地选择不同种类、链长以及选择带不同尾基官能团的分子并且组装成膜，就可2

曲线,体积分数,聚合物,聚合物分子

[ ]12μ <0.0006~0.001，，如图1.2所示，图1.2 摩擦系数同受限的聚合物分子体积分数的关系曲线：通过检测各种聚合物的折射率得到聚合物的绝对吸附量从而算出体积分数。红色和绿色符号分别表示中性分子在非极性和良溶剂中的情况；蓝色符号表示阳离子型聚合电解质—壳聚糖在pH值为3.5的溶液中的情况，壳聚糖在每片云母基片上的吸附量是1.2mg/m-2，图中数据是两次独立的实验结果，每次实验取不同接触点的实验结果；黑色符号及相应的灰色区域表示带电分子刷的实验结果，剪切速率范围是250-500nm/s-1。上面三小图表示带不同电荷以及不带电荷的聚合物分子在溶液中的构型，其中正号和负号分别表示阳离子和阴离子基于高聚物分子在润滑中的特殊现象及在摩擦界面间表现出的极好的减摩作用，揭示高分子润滑特性的机理也越来越受到学者们的青睐，已成为摩擦学3
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TH117.1

【引证文献】