基于接触几何的微纳米尺度下的粘着研究

发布时间：2018-05-13 00:22

本文选题：粘着 + 微纳米尺度　；参考：《华南理工大学》2014年博士论文

【摘要】：随着微纳米装置和仪器的快速发展，微纳米尺度下的粘着变得越来越重要。小尺度的机械系统有较高的表面积-体积比，所以更多地受到表面效应而非惯性效应的影响。粘着力是微机电系统(MEMS)在制造和使用中失效的一个主要原因。MEMS的进一步实用化和微型化，都迫切地需要研究和控制粘着力。本文在接触几何的基础上，建立了单峰接触粘着模型，利用原子力显微镜研究了两表面间的粘着、特殊结构表面的粘着和类金刚石膜的减粘效应。本文的主要研究内容如下：（1）精确的接触几何对于粘着的量化计算至关重要，为此本文建立了单峰接触粘着模型。在粗糙峰和随机表面光滑性假设的基础上，通过微分几何曲面论获得每一点的主曲率。在曲面当前点的一级近似下，把曲面与粗糙峰的接触等价地转化成一个刚性平面和弹性椭圆抛物面间的接触。这种转化保持了原有的接触区间隙和弹性变形性质。随后，通过连续介质接触力学理论和Hamaker方法，用数值方法来求解曲面上每一点的接触面积和粘着力。最后本文给出了两个算例，，说明模型在一定程度上是可行的。（2）为了研究两平面间的粘着和避免针尖磨损，本文采用针尖直径约为1.7μm的平头探针。实验采用的样品是硅片、石英和蓝宝石。实验分别在潮湿的空气中、高纯干燥氮气中(手套箱中)、蒸馏水中和氯化钾溶液中进行。研究表明，真实接触面积只占表观接触面积的很小一部分。热力学表面自由能并不能预测两表面间粘着力的大小。用原子力显微镜测量粘着力的稳定性和重复性取决于样品特征、测量参数和环境。不同环境下，对粘着力有影响的相互作用和因素有所不同，各相互作用和因素之间相互耦合决定了最终的粘着力。（3）为了研究温度对粘着的影响，实验采用的接触几何是平面与粗糙表面的接触。实验分别在潮湿的空气中和高纯干燥氮气中进行。样品温度从30°C变化到200°C。结果表明，200°C以内的温度对探针微悬臂的法向弹性系数的影响基本可以忽略。在这个温度范围内，每一温度下的粘着力分布都是正态的。在高纯干燥氮气中，粘着力随着温度的升高而持续下降。但在潮湿的空气环境下，随温度的升高，粘着力先增大，在约100°C时达到最大值，接着开始下降。在下降的过程中，开始较为缓慢，在150°C附近，粘着力急剧下降，并在高温区保持较平稳的状态。（4）在潮湿的空气中和高纯干燥氮气中，我们研究了尖探针、平头探针和小球探针与周期性绝缘表面接触时的粘着行为。结果表明：粘着行为极大地依赖于接触几何、表面形貌和环境，并且这三个因素是共同作用来决定最终的粘着力的。在同一点的多次测量中，多峰接触时的粘着力都出现了分层的现象。在手套箱中不除静电的情况下和在空气中，粘着力在各层逐渐增加，并有层间跳跃的现象。粘着力的增加起因于静电荷的积累和毛细弯月面半径的增大。静电荷只有在接触-分离之后才增加，并且具有累加效应，当达到饱和后，粘着力将表现得平稳。在手套箱中除静电的情况下，粘着力各层的变化不大。在利用小球探针时，我们还发现粘着来源的不同会导致同一点粘着力在区间段上的波动情况不同。具体情况是：有静电时，波动较小；去静电时，波动最大；空气中，波动最小。（5）在空气中和高纯干燥氮气中，基于不同的接触几何，我们研究了掺杂金属的类金刚石(DLC)膜的减粘效应。结果发现，在不同的接触几何和环境下，DLC膜都可以有效地减小粘着力和磨损。粘着力的减小原因是表面能的降低和DLC膜对水的接触角的增大。粘着力的减小幅度与接触几何、DLC膜的粗糙度、与DLC膜配对的材料特性和所处的环境都密切相关。并且，这些因素是共同作用来决定最后的粘着力减小幅度的。
[Abstract]:With the rapid development of micro - nano - devices and instruments , the adhesion of micro - nano - scale becomes more and more important .

( 1 ) The precise contact geometry is critical to the quantification of adhesion . For this purpose , a single - peak contact sticking model is established . The contact area and adhesion force of each point on the surface are obtained by means of differential geometric surface theory on the basis of rough peaks and stochastic surface smoothness assumptions . The contact area and adhesion force of each point on the surface are solved by numerical method at the first - order approximation of the current point of the curved surface .

( 2 ) In order to study the adhesion between the two planes and avoid the wear of the needle tip , a flat probe with a diameter of about 1.7 渭m is used in the experiment . The experimental results show that the real contact area is only a very small part of the apparent contact area . The experimental results show that the real contact area is only a small part of the apparent contact area . The stability and repeatability of the adhesion force can not be predicted by the atomic force microscope .

( 3 ) In order to study the influence of temperature on adhesion , the contact geometry used in the experiment was carried out in wet air and high - purity dry nitrogen . The experimental results show that the influence of temperature within 200 掳 C varies from 30 掳 C to 200 掳 C .

( 4 ) In humid air and high - purity dry nitrogen , we studied the adhesion behavior of tip probe , flat probe and ball probe in contact with periodic insulating surface . The results show that adhesion behavior is dependent on contact geometry , surface topography and environment .
When de - static , the fluctuation is greatest ;
In the air , the fluctuation is minimal .

( 5 ) In air and high - purity dry nitrogen , based on different contact geometry , we studied the thinning effect of DLC films doped with metal . The results show that DLC films can effectively reduce the adhesion and wear under different contact geometry and environment . The reduction of adhesion is related to the reduction of surface energy and the contact angle between DLC films .

【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH-39

【参考文献】