【摘要】：隨著納米技術(shù)的快速發(fā)展,超薄非晶聚合物薄膜在柔性傳感器、半導體材料和納米涂層等領域得到應用,而且納米尺度下非晶聚合物薄膜的物理性能,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、抗拉伸性、抗彎曲性和延展性等,也受到人們的關(guān)注。已有研究發(fā)現(xiàn),受限條件下聚合物薄膜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)隨著膜厚的改變而改變。受納米效應的影響,非晶聚合物薄膜的力學性能,如彈性模量和黏彈性等,均與本體有明顯區(qū)別。受表征方法、材料的結(jié)構(gòu)等因素的影響,受限條件下非晶聚合物薄膜的楊氏模量變化趨勢仍未達成統(tǒng)一認識。為探討非晶聚合物薄膜的力學性能與本體間的聯(lián)系,同時為納米薄膜的應用提供理論基礎,本文以聚苯乙烯(PS)薄膜為研究體系,使用微觀力學新方法進行相關(guān)研究,結(jié)果如下:(1)通過原子力顯微鏡(AFM)對PS薄膜進行測量,得到力—形變實驗數(shù)據(jù)。然后確定力學接觸模型對實驗數(shù)據(jù)擬合。利用Hertzian模型、Derjaguin-Muller-Toporov(DMT)模型、Johnson-Kendall-Roberts(JKR)模型計算PS薄膜楊氏模量,對比厚度閾值以上的PS薄膜模量與本體的關(guān)系。實驗結(jié)果表明,通過JKR模型計算的PS薄膜模量與本體模量一致。JKR模型與原子力顯微鏡納米力學表征(AFM-NMM)相結(jié)合的方法適用于PS薄膜的微觀力學測量。(2)利用JKR模型研究探針半徑、黏附力、載荷、基底等因素對PS薄膜模量的影響。實驗發(fā)現(xiàn)探針半徑為15 nm,針尖在實驗前后沒有磨損,針尖與樣品間黏附力的絕對值接近或小于載荷時,硅基底支撐的厚度閾值以上的PS薄膜楊氏模量與本體模量一致。(3)通過屈曲力學與AFM-NMM實驗,研究了PS超薄膜模量的變化。屈曲力學實驗表明PS薄膜模量隨膜厚(50 nm附近)降低呈減小的趨勢。AFM-NMM實驗表明,與聚乙烯醇(PVA)基底相比,剛性(Si)基底支撐的PS薄膜的模量隨膜厚(100 nm附近)降低而變大,非晶PS薄膜的異質(zhì)性隨膜厚降低而增強。同時,剛性基底、薄膜內(nèi)殘余應力等因素也會造成超薄膜楊氏模量升高。
【圖文】：

，Ｌ邐＾邐Ｌ邐丨逡逑圖１．２通過表面褶皺來確定薄膜彈性模量的示意圖１３７］逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ邋ｔｈｅ邋ｅｌａｓｔｉｃ邋ｍｏｄｕｌｕｓ邋ｏｆ邋ａ邋ｆｉｌｍ邋ｂｙ邋ｓｕｒｆａｃｅ邋ｗｒｉｎｋｌｅｓ１３７１逡逑圖１．２是通過對軟質(zhì)基底的壓縮使上層剛性膜形成表面褶皺的示意圖。周期逡逑性褶皺的波長（Ａ）與基底的模量（私）、薄膜的模量（及）和薄膜的厚度有關(guān)。逡逑假設基底的變形為線性彈，，基底足夠厚，相對于上層剛性膜，基底近似為半無限逡逑空間，貝�。剩哄义希村义�

厚度的降低，模量降低。逡逑最近，Ｃｒｏｓｂｙ和他的同事報道了浮在液體上的聚合物薄膜的完整的應力－應逡逑變曲線的測量結(jié)果［４３］。圖１．３邋（ａ）是該方法獲得的從１６０邋ｎｍ至１５邋ｎｍ厚的ＰＳ薄逡逑膜的應力－應變曲線。隨著膜厚度的減小，失效應變急劇下降。由不同厚度的斜逡逑率可以明顯得看出，隨著薄膜模量的降低，其楊氏模量也逐漸降低。圖１．３（ｂ）是逡逑實現(xiàn)這些測量的工程設置圖。漂浮在水面上的薄膜一端夾緊，另一端連接到懸臂逡逑上，通過移動固定在夾具上的液體儲存器，移動懸臂梁來控制薄膜的應變。如圖逡逑１．３（ｃ）所示，通過懸臂的偏轉(zhuǎn)計算薄膜的應力。這一方法有可能解決許多關(guān)于聚逡逑合物薄膜從彈性體系到非線性力學再到失效的力學性能的測量問題。但是由于所逡逑有的測量必須在液體上面進行，薄膜在拉伸過程中可能會受到液體的表面張力的逡逑影響。各種不同聚合物在納米限域下的力學性能已經(jīng)被研宄，但實驗表征技術(shù)不逡逑同
【學位授予單位】：鄭州大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TB383.2;TQ325.2

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本文編號：2625115