硅基超疏水表面的制备及摩擦学性能研究

发布时间：2020-05-12 04:27

【摘要】：微机电系统(MEMS)常以单晶硅(Si)为主要结构材料,但由于微构件间的微观黏着和磨损,导致器件工作稳定性和使用耐久性降低,因此在Si表面实现超疏水改性,是减小微结构间黏着和摩擦的有效途径。超疏水性能可以通过自组装分子膜(SAM)修饰和制备表面微观织构来实现。采用分子动力学方法对SAM的结构特征进行模拟,研究了 Si表面N-3-(三甲氧基硅烷基)丙基乙二胺(DA)-月桂酰氯(LA)(DA-LA)双层复合自组装分子膜(SAMs)的结构特性,确定了 DA、LA分子的最佳覆盖率,当DA-LA分子呈类锯齿状有序排布时,所形成的DA-LA SAMs体系最为稳定。进一步讨论了 SAMs表面的微观润湿性能,构建纳米水滴进行lOOOps的表面润湿模拟,结果表明,羟基化Si表面、DASAM表面表现为亲水性,DA-LA SAMs表面表现为疏水性。对表面径向分布函数计算发现:DA-LA双层复合SAMs表面不存在氢键,固-液间作用力是弱范德华力,使其保持了良好的疏水性。依据润湿理论设计了硅基超疏水表面方柱织构几何参数,并通过光刻、感应耦合等离子体刻蚀实现织构制备,进而使用湿法刻蚀得到腔形织构。借助扫描电子显微镜和能谱仪对微织构形貌和表面化学组分进行表征。进一步在方柱织构和腔形织构化Si表面修饰DA-LA低表面能双层复合SAMs,形成微/纳复合结构,采用红外光谱仪、原子力显微镜(AFM)、触角测量仪对SAMs的化学组分、表面形貌、表观接触角进行了表征,分析了几何形貌和参数对润湿性能的影响规律,以及表面自由能特性,结果表明,随织构表面柱间距的增大,在表面逐渐形成超疏水性能,表观接触角最高达到170.35°;DA-LA SAMs表面自由能最小,DA表面次之,羟基化表面自由能最大。通过施加水平扰动、增大水滴体积和滴落高度考察织构化超疏水表面的润湿稳定性。结果表明,施加水平振动扰动时,水滴在腔形织构表面未发生润湿状态转变,超疏水性能稳定;增加水滴体积和滴落高度时,腔形织构化超疏水表面稳定性优于方柱织构化超疏水表面。采用AFM微球探针对平整、织构化以及SAMs-织构化Si表面进行微观摩擦学测量与分析,结果表明,织构化Si表面相比平整Si表面的黏着力降低了 58.4%、63.3%,摩擦力降低了 45.9%,、50.3%;SAMs-织构化Si表面较平整Si黏着力降低了 68.6%、79.8%,摩擦力降低了 62.6%、67.5%,表现出优异的减黏着、减摩性能。
【图文】：

示意图,接触角,示意图,润湿性能

．滞后逡逑体表面，由于现实中实际固体表面总存在一定粗糙度，能决定表面的润湿性能。将水滴滴落在理想固体上，可状态时若水滴本征接触角４＝０°，可称其是超亲水表面；０９０°邋Ｓ邋NB邋＜１５０°时，称为疏水表面；１５０°逦＜１８０能用以描述液滴滴落后表面的静态润湿性能，但若要对进行考察，可引入接触角滞后进行表征［１９］。如图１．４所

示意图,固体表面,液滴,接触角滞后

逑固体逡逑图１．３接触角示意图逡逑１．２．１．２接触角滞后逡逑相对理想固体表面，由于现实中实际固体表面总存在一定粗糙度，，因此，表面化学逡逑组成和粗糙度均能决定表面的润湿性能。将水滴滴落在理想固体上，可获得表面的本征逡逑接触角，达平衡状态时若水滴本征接触角４＝０°，可称其是超亲水表面；０°＜之＜９０°时，逡逑称为亲水表面；９０°邋Ｓ邋NB邋＜１５０°时，称为疏水表面；１５０°逦＜１８０°时，称为超疏逡逑水表面。接触角能用以描述液滴滴落后表面的静态润湿性能，但若要对动态过程中力作逡逑用下的液滴运动进行考察，可引入接触角滞后进行表征［１９］。如图１．４所示是水滴下滑的逡逑示意图。水滴处于倾斜的固体表面将动未动状态下，体积增加侧的接触角即为前进角NB邋；逡逑水滴处于倾斜固体表面将动未动状态下体积减小侧的接触角即为后退角＆。将逡逑定义为接触角滞后。由于接触角滞后大小取决于固、液间的相互作用力和能量
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG174.4

【参考文献】