【摘要】：鈦金屬及其合金因具有比強(qiáng)度高、導(dǎo)電性好、抗腐蝕性強(qiáng)、耐熱性高及生物相容性好等特點(diǎn),在微/納機(jī)電系統(tǒng)(MEMS/NEMS)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。MEMS/NEMS中構(gòu)件尺寸處于微米甚至納米量級(jí),接觸副間易發(fā)生摩擦及其粘著等現(xiàn)象,嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。改善鈦基體表面摩擦磨損性能可極大拓展鈦及其合金在MEMS/NEMS中的應(yīng)用范圍。本論文提出利用石墨烯材料優(yōu)異的力學(xué)性能及減摩耐磨性能,運(yùn)用自組裝技術(shù)在鈦基體表面制備石墨烯/硅烷自組裝薄膜,以提高鈦基體表面摩擦磨損性能。此薄膜厚度(在5nm以下)極薄對(duì)微構(gòu)件尺寸精度無(wú)明顯影響;相對(duì)于傳統(tǒng)有機(jī)鏈狀分子膜,其承載能力高,顯著增強(qiáng)了鈦基體表面的摩擦磨損性能。薄膜與基體間界面結(jié)合性能及薄膜表面特性是自組裝薄膜摩擦性能研究中兩大關(guān)鍵問題。第一、制備鈦基體表面石墨烯薄膜,需要著重解決薄膜與基體間結(jié)合力的問題。相比于硅類基體材料,鈦基體材料表面不易形成有序程度高、均勻性好的分子自組裝薄膜;另外,石墨烯分子化學(xué)惰性強(qiáng),不易于直接通過(guò)自組裝工藝制備石墨烯薄膜。針對(duì)上述問題,本論文首先采用γ-氨基丙基-三乙氧基硅烷(APS)作為中間粘附層,優(yōu)化APS薄膜自組裝工藝,制備均勻有序的APS分子薄膜,置氨基基團(tuán)于薄膜頂端;然后選擇化學(xué)活性強(qiáng)、易于組裝的氧化石墨烯(GO)材料作為石墨烯的前驅(qū)體,通過(guò)APS氨基與GO分子表面含氧基團(tuán)的吸附作用,制備界面結(jié)合力強(qiáng)的GO-APS自組裝薄膜。第二、需要解決GO自組裝薄膜表面活性高的問題。GO材料耐磨性良好,但GO薄膜表面擁有大量含氧基團(tuán),易于在對(duì)摩過(guò)程中產(chǎn)生黏附現(xiàn)象,薄膜的摩擦學(xué)性能有待增強(qiáng)。針對(duì)上述問題,本論文采用高溫及水熱還原工藝去除GO薄膜表面含氧基團(tuán),成功制備出石墨烯/硅烷薄膜。薄膜的表面活性大大降低,摩擦學(xué)性能顯著提高�；谏鲜鏊枷�,本論文首次利用自組裝技術(shù)成功地在鈦基體表面制備了石墨烯/硅烷納米薄膜。獲得主要研究成果如下:1.運(yùn)用多種表征手段對(duì)薄膜表面及界面特性進(jìn)行表征,揭示了薄膜的制備機(jī)理,結(jié)合宏觀低載摩擦試驗(yàn)結(jié)果,獲得薄膜組裝及表面還原處理的最佳工藝。APS自組裝薄膜均勻有序,與基底結(jié)合力好;GO的含氧基團(tuán)可與APS的氨基基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),在樣品表面形成完整均勻的GO-APS自組裝膜,薄膜具有較強(qiáng)的界面結(jié)合力;高溫法和水熱法均可有效去除GO膜表面的大量含氧基團(tuán),降低薄膜的表面能,其中水熱法的還原效果好于高溫還原法。所制備的石墨烯/硅烷薄膜為疏水性薄膜,膜厚小于5nm,適合于接觸間隙極小的構(gòu)件表面的潤(rùn)滑改性處理。2.系統(tǒng)地研究了還原氧化石墨烯/硅烷納米膜的宏觀摩擦磨損性能,探討了載荷、滑動(dòng)速度及生物腐蝕等條件對(duì)薄膜摩擦磨損性能的影響。石墨烯膜層具有較低的摩擦系數(shù)及較強(qiáng)的耐磨性能,其平面結(jié)構(gòu)使薄膜將摩擦功傳遞至更大范圍,提高薄膜的承載能力;石墨烯層與APS層間為化學(xué)鍵合,保證薄膜具有較強(qiáng)的耐磨性能。薄膜具有良好的耐生物腐蝕性能,石墨烯的碳環(huán)結(jié)構(gòu)和致密的APS自組裝膜緩解腐蝕劑對(duì)鈦基體的腐蝕作用,因而具有優(yōu)良的生物摩擦學(xué)性能。3.系統(tǒng)研究了薄膜的納米摩擦學(xué)性能,探討了載荷、滑動(dòng)速度、濕度、溫度等試驗(yàn)及環(huán)境條件對(duì)薄膜納米摩擦性能的影響。結(jié)果表明,石墨烯/硅烷膜有效的增強(qiáng)了鈦基體的摩擦磨損性能:石墨烯/硅烷膜在所有測(cè)試條件下均具有較穩(wěn)定的摩擦學(xué)性能,薄膜的摩擦力及粘附力值較低,耐磨性能強(qiáng)。水熱還原法制備的石墨烯/硅烷薄膜的納米摩擦學(xué)性能最優(yōu)。4.研究了HRGO-APS自組裝膜微觀磨損性能。HRGO-APS自組裝膜在對(duì)磨時(shí)具有較低的粘附力和摩擦力,并且石墨烯材料具有較強(qiáng)的抗摩擦剪切能力,顯著地增強(qiáng)鈦基體的耐磨性能;并從石墨烯材料的力學(xué)性能及HRGO薄膜片層狀結(jié)構(gòu)角度解釋了其提高基底耐磨性能的原理。本文研究成果有望促進(jìn)石墨烯薄膜在表面工程領(lǐng)域的應(yīng)用,為極小間隙的金屬材料微型接觸副表面潤(rùn)滑問題的研究提供一條新途徑,為石墨烯納米薄膜技術(shù)在微/納機(jī)電系統(tǒng)零件表面改性處理的應(yīng)用提供了試驗(yàn)及理論依據(jù)。
【圖文】：

基體表面的羥基脫水結(jié)合，剩余的硅羥基形成有機(jī)分子間的鍵合，使薄膜具有較高的致密度，硅基體表面APS SAM膜的結(jié)構(gòu)見圖1-1。圖1-1. 硅基表面APS SAM膜的結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1-1. The schematic for the structure of APS SAM on Si substrate硫化物有機(jī)分子SAM膜只適用于惰性金屬基體材料，而對(duì)于鎂、鋁和鈦等極易氧化的金屬基體材料，此類SAM膜的適應(yīng)性不好；脂肪酸類SAM膜末端端基多為惰性基團(tuán)，不易于制備多層膜，單一的脂肪酸SAM膜耐磨性有限，限制其在摩擦學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。有機(jī)硅烷分子的端基基團(tuán)種類很多，可適用于不用應(yīng)用背景下材料的表面改性需求；一些有機(jī)硅烷分子的分子鏈兩端頭部基團(tuán)及端基基團(tuán)均為活性基團(tuán)，，可以實(shí)現(xiàn)同質(zhì)或異質(zhì)的多層SAM膜制備。因此，有機(jī)硅烷SAM膜相比于有機(jī)硫化物SAM膜和脂肪酸SAM膜適應(yīng)性更好

圖 1-2.有機(jī)鏈狀分子的多層 SAM 膜示意圖ure 1-2. Schematic of multilayer SAM of linear-chain organic molecM膜制備工藝簡(jiǎn)單，其分子兩端均有活性基團(tuán)，可以作制備異質(zhì)的多層SAM膜。一方面，APS SAM作為多層S
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TG174.4

【參考文獻(xiàn)】

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1 W. J. van Ooij,M. Stacy,A. Seth,T. Mugada,J. Gandhi,P. Puomi;Corrosion Protection Properties of Organofunctional Silanes ——An Overview[J];Tsinghua Science and Technology;2005年06期

本文編號(hào)：2571380