發(fā)布時間：2020-01-20 22:05

【摘要】：鈦金屬及其合金因具有比強度高、導電性好、抗腐蝕性強、耐熱性高及生物相容性好等特點,在微/納機電系統(MEMS/NEMS)領域具有廣闊的應用前景。MEMS/NEMS中構件尺寸處于微米甚至納米量級,接觸副間易發(fā)生摩擦及其粘著等現象,嚴重影響系統運行的可靠性。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中的應用范圍。本論文提出利用石墨烯材料優(yōu)異的力學性能及減摩耐磨性能,運用自組裝技術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)極薄對微構件尺寸精度無明顯影響;相對于傳統有機鏈狀分子膜,其承載能力高,顯著增強了鈦基體表面的摩擦磨損性能。薄膜與基體間界面結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,石墨烯分子化學惰性強,不易于直接通過自組裝工藝制備石墨烯薄膜。針對上述問題,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,置氨基基團于薄膜頂端;然后選擇化學活性強、易于組裝的氧化石墨烯(GO)材料作為石墨烯的前驅體,通過APS氨基與GO分子表面含氧基團的吸附作用,制備界面結合力強的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,易于在對摩過程中產生黏附現象,薄膜的摩擦學性能有待增強。針對上述問題,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,成功制備出石墨烯/硅烷薄膜。薄膜的表面活性大大降低,摩擦學性能顯著提高�；谏鲜鏊枷�,本論文首次利用自組裝技術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.運用多種表征手段對薄膜表面及界面特性進行表征,揭示了薄膜的制備機理,結合宏觀低載摩擦試驗結果,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,與基底結合力好;GO的含氧基團可與APS的氨基基團發(fā)生化學反應,在樣品表面形成完整均勻的GO-APS自組裝膜,薄膜具有較強的界面結合力;高溫法和水熱法均可有效去除GO膜表面的大量含氧基團,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件表面的潤滑改性處理。2.系統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、滑動速度及生物腐蝕等條件對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及較強的耐磨性能,其平面結構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層間為化學鍵合,保證薄膜具有較強的耐磨性能。薄膜具有良好的耐生物腐蝕性能,石墨烯的碳環(huán)結構和致密的APS自組裝膜緩解腐蝕劑對鈦基體的腐蝕作用,因而具有優(yōu)良的生物摩擦學性能。3.系統研究了薄膜的納米摩擦學性能,探討了載荷、滑動速度、濕度、溫度等試驗及環(huán)境條件對薄膜納米摩擦性能的影響。結果表明,石墨烯/硅烷膜有效的增強了鈦基體的摩擦磨損性能:石墨烯/硅烷膜在所有測試條件下均具有較穩(wěn)定的摩擦學性能,薄膜的摩擦力及粘附力值較低,耐磨性能強。水熱還原法制備的石墨烯/硅烷薄膜的納米摩擦學性能最優(yōu)。4.研究了HRGO-APS自組裝膜微觀磨損性能。HRGO-APS自組裝膜在對磨時具有較低的粘附力和摩擦力,并且石墨烯材料具有較強的抗摩擦剪切能力,顯著地增強鈦基體的耐磨性能;并從石墨烯材料的力學性能及HRGO薄膜片層狀結構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石墨烯薄膜在表面工程領域的應用,為極小間隙的金屬材料微型接觸副表面潤滑問題的研究提供一條新途徑,為石墨烯納米薄膜技術在微/納機電系統零件表面改性處理的應用提供了試驗及理論依據。
【圖文】：

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

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

【參考文獻】

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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：2571380