【摘要】：隨著納米技術(shù)的進(jìn)步和社會需求的增加,器件微型化成為不可避免的趨勢。器件微型化導(dǎo)致比表面積增大,表面效應(yīng)顯著增強(qiáng),使得粘附力、摩擦力等表面力成為影響器件性能和使用壽命的關(guān)鍵因素。而對器件表面構(gòu)筑微結(jié)構(gòu),是解決這一問題的有效方法之一。研究微納尺度下微結(jié)構(gòu)表面的摩擦行為,有助于深化人們對表面摩擦原理的理解,而且對微納米器件的制造和發(fā)展有一定的指導(dǎo)意義。本文采用分子動力學(xué)方法建立納米尺度下硅基底表面干摩擦模型,構(gòu)建條紋狀、網(wǎng)格狀、凹坑狀3種微結(jié)構(gòu)表面,研究微結(jié)構(gòu)形狀、尺寸對摩擦的影響。研究結(jié)果表明,表面微結(jié)構(gòu)可以顯著降低探針與硅基底表面之間的滑動摩擦力,其中網(wǎng)格狀微結(jié)構(gòu)表面減摩能力最好,其次為條紋狀微結(jié)構(gòu)表面,凹坑狀微結(jié)構(gòu)表面減摩能力最弱。凹坑狀、條紋狀微結(jié)構(gòu)表面的摩擦力隨寬度尺寸的增加而增加,網(wǎng)格狀微結(jié)構(gòu)表面的摩擦力受寬度尺寸的影響較小。三種微結(jié)構(gòu)表面的摩擦力均隨深度尺寸的增加而減小。本文還用分子動力學(xué)方法建立了水環(huán)境下探針在硅基底表面滑動的摩擦模型,討論水分子層厚度、微結(jié)構(gòu)形狀、尺寸以及表面各向異性對濕摩擦的影響。研究結(jié)果表明,基底表面水分子層會增大表面摩擦力,且摩擦力隨水分子層數(shù)量的增加先增加而后略有下降。微結(jié)構(gòu)表面可以明顯削弱水分子對探針的粘附,不同形狀的微結(jié)構(gòu)表面的探針與水分子分離時(shí)的運(yùn)動距離隨微結(jié)構(gòu)寬度尺寸的變化不同,但均隨深度尺寸的增加而減小。對于條紋狀微結(jié)構(gòu)表面,濕摩擦狀態(tài)下,垂直條紋表面的摩擦力小于平行條紋表面的摩擦力;而在干摩擦狀態(tài)下,垂直條紋表面的摩擦力大于平行條紋表面的摩擦力。
【圖文】：

的創(chuàng)新來源。這些結(jié)構(gòu)通常從分子尺度，到微納米級尺度，，最后形成宏觀結(jié)構(gòu)，具有高逡逑度的層次性。例如，荷葉表面具有優(yōu)異的自清潔功能，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)在顯微鏡下荷葉的表逡逑面存在陣列微小凸起，如圖１－１邋（ａ），這些微納凸起使得水滴只能接觸到凸起微結(jié)構(gòu)的逡逑頂端，而無法使荷葉表面完全浸潤，從而具有超疏水性ｗ。鯊魚表皮排列著大量的盾鱗逡逑結(jié)構(gòu)［６］，如圖１－１邋（ｃ）所示，這些盾淲結(jié)構(gòu)順?biāo)鞣较�，可以使表層周圍的渦流層轉(zhuǎn)變逡逑為小阻力的層流層，進(jìn)而有效地降低鯊魚游動時(shí)水流所帶來的阻力。游泳運(yùn)動員所穿著逡逑的泳衣上面的褶皺就是模仿鯊魚表皮結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)結(jié)果，褶皺的存在可以減小水流對運(yùn)動逡逑員的阻力。壁虎能夠在垂直的墻壁上以及天花板上自由地行動，這主要得益于壁虎腳底逡逑面上分級的剛毛結(jié)構(gòu)，如圖１－１邋（ｂ）所示，壁虎可以依靠這些的剛毛結(jié)構(gòu)的范德華力吸逡逑附在墻壁上乃至光滑的玻璃表面［７】。水黽腿部的微納米級多層結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒖諝庥行У匚义细皆诙鄬游⒔Y(jié)構(gòu)的空隙中

光刻技術(shù)利用蝕刻工藝將圖案轉(zhuǎn)移到基底上ｌ２Ｇ］。光刻技術(shù)利用照射源和光敏聚合物逡逑材料，在抗敏的抗蝕圖層上發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，即改變曝光區(qū)域的物理和化學(xué)性質(zhì)，根據(jù)逡逑圖案將特定部分去除。如圖１－２為光刻技術(shù)制造的方形凸臺和條紋微結(jié)構(gòu)表面。逡逑圖１－２光刻技術(shù)得到的方形凸臺和條紋微結(jié)構(gòu)表面逡逑電化學(xué)法包含電化學(xué)沉積、原電池反應(yīng)、電化學(xué)聚合、陽極氧化等｜２２］。其中，電化逡逑學(xué)沉積法通過對電解參數(shù)的控制，制取不同形狀、不同組合、不同粒度及分布的納米材逡逑料，常用于合成具有納米結(jié)構(gòu)的純金屬、合金、納米薄膜等材料。逡逑氣相沉積法根據(jù)有無發(fā)生化學(xué)反應(yīng)分為兩種，一是化學(xué)氣相沉積法（ＣＶＤ），二是逡逑物理氣相沉積法（ＰＶＤ）。材料氣化或氣態(tài)物質(zhì)通過凝結(jié)、化學(xué)反應(yīng)或轉(zhuǎn)化沉積于固體材逡逑料表面并形成固態(tài)沉積物。此方法可以改變材料的機(jī)械、電、熱、光學(xué)、耐磨腐蝕性以逡逑及耐磨性［２３１。逡逑溶膠－凝膠法的工作原理是利用水解反應(yīng)，將散在溶劑中的原料制成活性單體并聚逡逑合，然后形成溶膠，進(jìn)一步生成具有空間結(jié)構(gòu)的凝膠。最后對凝膠進(jìn)行干燥、熱處理固逡逑化制備出具有納米結(jié)構(gòu)的材料制備有機(jī)－無機(jī)結(jié)構(gòu)材料時(shí)常用的方法就是溶膠－凝膠逡逑法。逡逑等離子處理技術(shù)的原理是借助于等離子體與待處理表面之間的相互作用，使得表面逡逑形成新的官能團(tuán)
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O613.72;TH117.1

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本文編號：2585426