微机电系统材料表面疏水/超疏水薄膜的制备及功能特性研究

发布时间：2021-06-30 14:35

　　针对微机电系统（MEMS）器件由于尺寸减小而引发的表面力（黏着、摩擦等）问题,疏水/超疏水表面具有低表面自由能的特性,将材料表面制备疏水/超疏水的工艺用于微纳器件设备中,有望解决低载荷下界面的摩擦、磨损及润滑等问题。传统的MEMS材料为硅及其化合物,而随着金属材料在MEMS器件中的应用逐渐广泛,必须考虑金属材料由于高的化学活性而引发的腐蚀失效。在研究疏水/超疏水表面对金属材料摩擦学性能影响时,探讨疏水/超疏水表面对金属材料表面腐蚀性能的影响对延长器件的使用寿命有着重要的意义。本文从微机电系统传统材料单晶硅、以及新型的Nd Fe B及潜在的镁合金出发,以表面疏水化改性为前提,通过有机镀膜、自组装、电镀、化学镀等方法在所用材料表面制备出疏水/超疏水薄膜,探究表面浸润性对耐腐蚀性能和摩擦学特性的影响机制。主要得到如下结论:（1）将化学镀技术与有机镀膜技术结合,在单晶Si基体上先制备Ni-P薄膜后进一步获得Ni-P-ATP复合膜。Si基体经Ni-P修饰及Ni-P-ATP修饰后,表面接触角由Si基体的23.2°分别增加到67.9°及119.7°,表面自由能由基体的67.46 m J/m2分别下降... 

【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：143 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 微机电系统
        1.1.1 微机电系统概述
        1.1.2 材料及应用瓶颈
    1.2 有机薄膜材料的微摩擦学性能研究现状
        1.2.1 LB润滑膜
        1.2.2 自组装分子膜
        1.2.3 有机镀膜技术
        1.2.4 展望
    1.3 疏水/超疏水表面研究现状
        1.3.1 固体表面浸润性
        1.3.2 疏水/超疏水理论
        1.3.3 超疏水表面的制备方法
        1.3.4 超疏水表面的应用
        1.3.5 超疏水表面的展望
    1.4 研究背景、内容、目的及意义
        1.4.1 研究背景
        1.4.2 研究目的及意义
        1.4.3 研究内容
    1.5 课题来源
第二章 实验材料、仪器及测试方法
    2.1 实验材料
        2.1.1 基体材料
        2.1.2 实验试剂
    2.2 实验仪器及测试方法
        2.2.1 表面接触角及表面自由能
        2.2.2 表面形貌观测
        2.2.3 成分分析
        2.2.4 薄膜膜厚
        2.2.5 摩擦学性能
        2.2.6 腐蚀性能
第三章 单晶Si表面Ni-P-ATP复合膜的制备及摩擦学性能研究
    3.1 前言
    3.2 实验部分
        3.2.1 实验材料及前处理
        3.2.2 化学镀镍法制备Ni-P涂层
        3.2.3 Ni-P-ATP复合膜的制备
        3.2.4 测试方法及条件
    3.3 结果与讨论
        3.3.1 沉积时间对Ni-P薄膜性能的影响
        3.3.2 Ni-P-ATP复合膜的制备与分析
        3.3.3 Ni-P-ATP表面的纳米黏着性能
        3.3.4 Ni-P-ATP表面的摩擦学性能
    3.4 本章小结
第四章 NdFe B永磁体表面ATP薄膜的制备及功能特性研究
    4.1 前言
    4.2 实验部分
        4.2.1 实验材料及试剂
        4.2.2 ATP薄膜的制备
        4.2.3 ATP薄膜的表征方法
    4.3 结果与讨论
        4.3.1 电化学反应过程
        4.3.2 ATP薄膜表面形貌及浸润性
        4.3.3 ATP薄膜成膜机理分析
        4.3.4 ATP薄膜的耐腐蚀性能
        4.3.5 ATP薄膜的摩擦学性能
    4.4 本章小结
第五章 NdFe B永磁体表面TES-ATP有机纳米复合膜的制备及摩擦学性能研究
    5.1 前言
    5.2 实验部分
        5.2.1 实验材料
        5.2.2 TES自组装分子膜的制备
        5.2.3 TES-ATP有机复合膜的制备
        5.2.4 测试方法及手段
    5.3 结果与讨论
        5.3.1 TES-ATP复合膜的电化学反应过程
        5.3.2 TES-ATP有机复合膜的结构分析
        5.3.3 TES-ATP有机复合膜的成膜机理
        5.3.4 TES-ATP有机复合膜的膜厚及表面浸润性
        5.3.5 薄膜的摩擦学性能
    5.4 本章小结
第六章 Mg-Mn-Ce镁合金表面疏水性有机薄膜的制备及纳米摩擦学性能研究
    6.1 前言
    6.2 实验部分
        6.2.1 实验材料及前处理
        6.2.2 自组装分子膜技术制备OTS薄膜
        6.2.3 有机镀膜法制备STN薄膜
        6.2.4 测试方法及表征
    6.3 结果与讨论
        6.3.1 处理时间对STN薄膜与OTS薄膜浸润性的影响
        6.3.2 STN薄膜与OTS薄膜的成膜机理
        6.3.3 表面成分及形貌对浸润性的影响
        6.3.4 OTS和STN薄膜的纳米黏着机制
        6.3.5 OTS和STN薄膜的纳米摩擦行为
    6.4 本章小结
第七章Mg-Mn-Ce镁合金表面一步法制备超疏水表面及耐腐蚀性能研究
    7.1 前言
    7.2 实验部分
        7.2.1 实验材料及前处理
        7.2.2 电沉积过程
        7.2.3 测试方法
    7.3 结果与讨论
        7.3.1 沉积电压和时间对表面形貌及浸润性的影响
        7.3.2 超疏水现象形成机制分析
        7.3.3 超疏水表面成膜机理分析
        7.3.4 超疏水表面稳定性及自清洁
        7.3.5 超疏水表面的耐腐蚀行为
    7.4 本章小结
结论
    一、主要研究结论
    二、创新点
    三、后续工作的建议
参考文献
攻读博士学位期间取得的研究成果
致谢
附件


【参考文献】：
期刊论文
[1]紫外照射对FOTS自组装分子膜表面特性和摩擦特性的影响[J]. 张会臣,连峰,关光辉,朱海波.  摩擦学学报. 2013(05)
[2]烧结型NdFeB永磁体表面有机纳米复合膜的制备及性能[J]. 刘秦,康志新,方刚.  物理化学学报. 2013(04)
[3]铝合金表面用化学刻蚀和阳极氧化法制备的超疏水膜层的耐蚀性能(英文)[J]. 李松梅,李彬,刘建华,于美.  无机化学学报. 2012(08)
[4]仿生超疏水性表面的最新应用研究[J]. 陈钰,徐建生,郭志光.  化学进展. 2012(05)
[5]铜表面高疏水薄膜的制备及摩擦学性能的研究[J]. 王中乾,万勇,杨椒燕,许桢,蒲吉斌.  摩擦学学报. 2012(01)
[6]Ti-6Al-4V钛合金表面疏水性复合膜的制备及其微摩擦磨损性能[J]. 方刚,刘秦,康志新,王芳.  摩擦学学报. 2011(06)
[7]阳极氧化法快速制备低粗糙度铝基体硬超疏水表面(英文)[J]. 徐文骥,宋金龙,孙晶,陆遥.  硅酸盐学报. 2011(11)
[8]具有低表面自由能有机介电薄膜的制备及表征[J]. 刘应辉,康志新.  物理化学学报. 2011(07)
[9]微机电系统的研究与展望[J]. 陈勇华.  电子机械工程. 2011(03)
[10]Mg-Mn-Ce镁合金表面超疏水复合膜层的制备及耐腐蚀性能[J]. 康志新,赖晓明,王芬,龙雁,李元元.  中国有色金属学报. 2011(02)

博士论文
[1]超疏水性纳米界面材料的制备及研究[D]. 金美花.吉林大学 2004

硕士论文
[1]超疏水改性和剧塑性变形镁合金的耐腐蚀性能研究[D]. 侯文婷.华南理工大学 2013
[2]镁合金微弧氧化与有机镀膜的复合表面改性及复合膜功能特性研究[D]. 赖晓明.华南理工大学 2011
[3]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[D]. 刘应辉.华南理工大学 2011



本文编号：3257925