【摘要】：微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)常以單晶硅(Si)為主要結(jié)構(gòu)材料,但由于微構(gòu)件間的微觀黏著和磨損,導(dǎo)致器件工作穩(wěn)定性和使用耐久性降低,因此在Si表面實(shí)現(xiàn)超疏水改性,是減小微結(jié)構(gòu)間黏著和摩擦的有效途徑。超疏水性能可以通過自組裝分子膜(SAM)修飾和制備表面微觀織構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。采用分子動力學(xué)方法對SAM的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行模擬,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)雙層復(fù)合自組裝分子膜(SAMs)的結(jié)構(gòu)特性,確定了 DA、LA分子的最佳覆蓋率,當(dāng)DA-LA分子呈類鋸齒狀有序排布時,所形成的DA-LA SAMs體系最為穩(wěn)定。進(jìn)一步討論了 SAMs表面的微觀潤濕性能,構(gòu)建納米水滴進(jìn)行l(wèi)OOOps的表面潤濕模擬,結(jié)果表明,羥基化Si表面、DASAM表面表現(xiàn)為親水性,DA-LA SAMs表面表現(xiàn)為疏水性。對表面徑向分布函數(shù)計算發(fā)現(xiàn):DA-LA雙層復(fù)合SAMs表面不存在氫鍵,固-液間作用力是弱范德華力,使其保持了良好的疏水性。依據(jù)潤濕理論設(shè)計了硅基超疏水表面方柱織構(gòu)幾何參數(shù),并通過光刻、感應(yīng)耦合等離子體刻蝕實(shí)現(xiàn)織構(gòu)制備,進(jìn)而使用濕法刻蝕得到腔形織構(gòu)。借助掃描電子顯微鏡和能譜儀對微織構(gòu)形貌和表面化學(xué)組分進(jìn)行表征。進(jìn)一步在方柱織構(gòu)和腔形織構(gòu)化Si表面修飾DA-LA低表面能雙層復(fù)合SAMs,形成微/納復(fù)合結(jié)構(gòu),采用紅外光譜儀、原子力顯微鏡(AFM)、觸角測量儀對SAMs的化學(xué)組分、表面形貌、表觀接觸角進(jìn)行了表征,分析了幾何形貌和參數(shù)對潤濕性能的影響規(guī)律,以及表面自由能特性,結(jié)果表明,隨織構(gòu)表面柱間距的增大,在表面逐漸形成超疏水性能,表觀接觸角最高達(dá)到170.35°;DA-LA SAMs表面自由能最小,DA表面次之,羥基化表面自由能最大。通過施加水平擾動、增大水滴體積和滴落高度考察織構(gòu)化超疏水表面的潤濕穩(wěn)定性。結(jié)果表明,施加水平振動擾動時,水滴在腔形織構(gòu)表面未發(fā)生潤濕狀態(tài)轉(zhuǎn)變,超疏水性能穩(wěn)定;增加水滴體積和滴落高度時,腔形織構(gòu)化超疏水表面穩(wěn)定性優(yōu)于方柱織構(gòu)化超疏水表面。采用AFM微球探針對平整、織構(gòu)化以及SAMs-織構(gòu)化Si表面進(jìn)行微觀摩擦學(xué)測量與分析,結(jié)果表明,織構(gòu)化Si表面相比平整Si表面的黏著力降低了 58.4%、63.3%,摩擦力降低了 45.9%,、50.3%;SAMs-織構(gòu)化Si表面較平整Si黏著力降低了 68.6%、79.8%,摩擦力降低了 62.6%、67.5%,表現(xiàn)出優(yōu)異的減黏著、減摩性能。
【圖文】：

．滯后逡逑體表面，由于現(xiàn)實(shí)中實(shí)際固體表面總存在一定粗糙度，能決定表面的潤濕性能。將水滴滴落在理想固體上，可狀態(tài)時若水滴本征接觸角４＝０°，可稱其是超親水表面；０９０°邋Ｓ邋NB邋＜１５０°時，稱為疏水表面；１５０°邐＜１８０能用以描述液滴滴落后表面的靜態(tài)潤濕性能，但若要對進(jìn)行考察，可引入接觸角滯后進(jìn)行表征［１９］。如圖１．４所

逑固體逡逑圖１．３接觸角示意圖逡逑１．２．１．２接觸角滯后逡逑相對理想固體表面，由于現(xiàn)實(shí)中實(shí)際固體表面總存在一定粗糙度，，因此，表面化學(xué)逡逑組成和粗糙度均能決定表面的潤濕性能。將水滴滴落在理想固體上，可獲得表面的本征逡逑接觸角，達(dá)平衡狀態(tài)時若水滴本征接觸角４＝０°，可稱其是超親水表面；０°＜之＜９０°時，逡逑稱為親水表面；９０°邋Ｓ邋NB邋＜１５０°時，稱為疏水表面；１５０°邐＜１８０°時，稱為超疏逡逑水表面。接觸角能用以描述液滴滴落后表面的靜態(tài)潤濕性能，但若要對動態(tài)過程中力作逡逑用下的液滴運(yùn)動進(jìn)行考察，可引入接觸角滯后進(jìn)行表征［１９］。如圖１．４所示是水滴下滑的逡逑示意圖。水滴處于傾斜的固體表面將動未動狀態(tài)下，體積增加側(cè)的接觸角即為前進(jìn)角NB邋；逡逑水滴處于傾斜固體表面將動未動狀態(tài)下體積減小側(cè)的接觸角即為后退角＆。將逡逑定義為接觸角滯后。由于接觸角滯后大小取決于固、液間的相互作用力和能量
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG174.4

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2659653