界面接觸特性對兩種自組裝分子膜摩擦特性的影響

1、第 卷第 期 年 月摩擦學學報界面接觸特性對兩種自組裝分子膜摩擦特性的影響張會臣 高玉周 李亞斌 王存山 嚴大連海事大學材料工藝研究所 遼寧大連大連理工大學三束材料改性國家重點實驗室 遼寧大連立摘要 利用多功能微摩擦磨損試驗機 在不同滑動速度和載荷條件下 采用不同摩擦副分析了界面接觸特性對自組裝分子膜摩擦特性的影響 同時采用 氨基丙基 三甲氧基硅烷 和 勢對銅和鎳與三氯十八硅烷自組裝分子膜之間的相互作用進行了比較 結果表明 鎳同 和 對摩的摩擦系數均大于銅同 種自組裝分子膜對摩的摩擦系數 這是因為鎳與自組裝分子膜間具有較強的相互作用所致 銅和鎳與 對摩的摩擦系數隨滑動速度的增加而增大 隨載荷增

2、加而減小 銅與 對摩的摩擦系數隨滑動速度的增加而減小 載荷對摩擦系數的影響則很小 而鎳與 對摩的摩擦系數隨滑動速度增加而增大 隨載荷增加而減小 可以用分子弛豫來解釋 種自組裝分子膜的摩擦特性差異關鍵詞 自組裝單分子膜 界面 接觸 摩擦中圖分類號文獻標識碼文章編號近年來 隨著通信 航天 生物制藥和芯片實驗室中微電子機械系統(tǒng) 的發(fā)展 對靜摩擦和摩 擦控制提出了新的要求 在微電子機械系統(tǒng)中 表面間的間隙通常只有幾納米 而且要求高速相對運動 輕載和數十億個工作循環(huán) 在納米尺度 與特征尺寸高次方呈比例的慣性力及電磁力等的作用相對減小 而與尺寸的低次方呈比例的粘性力 彈性力 表面張力和靜電力等的作用相對增

3、大 隨著尺寸的減小 表面積與體積之比相對增大 因而熱傳導及化學反應等加速 表面間的摩擦阻力顯著增大 此時粘著 靜摩擦和摩擦成為亟待解決的技術關鍵自組裝分子膜是解決微電子機械系統(tǒng)的潤滑 控制摩擦副間粘著 靜摩擦和摩擦的潛在材料 因而受到了廣泛關注 相關研究主要著眼于自組裝分子三甲氧基硅烷 種自組裝分子膜 其制備方法詳見文獻 采用 公司制造的 型原子力顯微鏡 表征自組裝分子膜的結構 掃描面積 掃描速率 高度分辨率 和 納米薄膜制備用離子束增強沉積方法在直徑 的 鋼球表面制備 和 納米薄膜 沉積前真空室的真空度為 采用輔助離子源濺射清洗鋼 球表面 電壓為 以增強沉積膜 時間為同基體的結合強度 離子濺

4、射沉積條件 流量為工作氣壓為 沉積時間為 所得到的納米薄膜的厚度約為膜摩擦學特性的原子力顯微鏡分析 本文作者采用多功能微摩擦磨損試驗機考察了界面接觸特性對自組裝分子膜摩擦特性的影響 期望為自組裝分子膜的應用提供理論依據自組裝分子膜摩擦系數測試在多功能微摩擦磨損試驗機 上測定摩擦系數 試驗機的結構簡圖和摩擦副的接觸形式見圖 將表面沉積 和 鋼球安 納米薄膜的裝于夾頭上 用雙面膠帶將沉積自組裝分子膜的單晶硅片固定在可以旋轉的試樣臺上 通過設定不同的載荷和滑動速度分別考察載荷和滑動速度對摩擦系數的影響 試驗選用的載荷為 滑動速度實驗部分自組裝分子膜制備分別制備了三氯十八硅烷 氨基丙基 和基金項目 國

5、家自然科學基金資助項目收稿日期 聯系人張會臣 修回日期 作者簡介 張會臣 男 年生 博士 教授 目前主要從事邊界潤滑理論和磁記錄納米摩擦學研究第 期張會臣等界面接觸特性對兩種自組裝分子膜摩擦特性的影響表面結構均勻 其中 島 式結 自組裝分子膜的構特征更明顯 種自組裝分子膜的表面粗糙度 分別為 和銅和鎳薄膜在不同滑動速度和載荷下同 自組裝分子膜對摩時的摩擦系數示于圖 可以看出當圖 微摩擦磨損試驗機的結構和摩擦副接觸形式示意圖為試驗環(huán)境為大氣 相對濕度結果與討論薄膜與 自組裝分子膜對摩時的摩擦性能圖 示出了所制備的 和 自組裝分子圖 和 自組裝分子膜的 圖像膜的 形貌照片 可以看出 種自組裝分子膜

6、的圖 自組裝膜同銅和鎳沉積膜對摩時的摩擦系數隨滑動速度和載荷變化的關系曲線載荷為 時 隨著滑動速度增加 及 薄膜與 自組裝分子膜對摩的摩擦系數逐漸增大 這是由于隨著滑動速度增大 分子的弛豫時間不足 從而產生較大剪切阻力所致 而 薄膜同 自組裝分子膜對摩的摩擦系數的增加幅度 由滑動速度為時的增加到滑動速度為時的 比 薄膜同 自組裝分子膜對摩的摩擦系數增加幅度時的 增加到滑動速度為 時的大得多 見圖 根據 等的摩擦起源學說 摩擦力的產生源于犁削效應 粘著效應和塑性變形 摩擦系數可以表示為摩擦學學報第 卷式中 和 分別為犁削效應 塑性變形效應和粘著效應對摩擦系數的貢獻在載荷為毫牛量級時 表面效應更加

7、突出 粘著效應對摩擦系數的貢獻增大 自組裝分子膜同銅 鎳薄膜之間的物理吸附作用主要取決于范德華力 范德華力可以采用 勢 簡稱 勢 表示為可以將銅和鎳的參數代入式 進行定性的比較 對于銅 對于鎳經對比可知 鎳薄膜與自組裝分子膜的相互作用力大于銅薄膜與自組裝分子膜的相互作用力 該定性分析結果同圖 所示試驗結果相對應當滑動速度為 薄膜與 時自組裝分子膜對摩時的摩擦系數隨著載荷增加而呈減小趨勢 見圖 這是因為隨著載荷增大 自組裝分子膜的結構趨于致密 剪切阻力減小所致薄膜與 自組裝分子膜對摩時的摩擦性能銅及鎳薄膜在不同滑動速度和載荷下同 自組裝分子膜的對摩時的摩擦系數示于圖 可以看出式中 及為自組裝分子

8、的勢函數參數為粘著能 為晶格常 數 由于銅和鎳薄膜對應于同一種分子沉積膜 因此圖 自組裝膜同銅和鎳沉積膜對摩時的摩擦系數隨滑動速度和載荷變化的關系曲線當載荷 時 薄膜與 自組裝分子膜對摩的摩擦系數隨滑動速度增加逐漸減小 圖 這是由于銅與自組裝分子膜的相互作用較弱 隨著滑動速度的增加 銅與自組裝分子膜的作用時間縮短 且短鏈自組裝分子沉積膜受弛豫效應的影響相對較小所致 而 薄膜與 自組裝分子膜對摩時的摩擦系數隨滑動速度的增加而增大 這是由于 薄膜同分子鏈較短 表面能較大的 分子沉積膜之間的相互作用力較大所致 當速度為 時 薄膜摩擦系數隨載荷增加變化不大 而 薄膜摩擦系數隨載荷增加而減小 見圖 其原

9、因在于 較薄的 自組裝分子膜與銅薄膜的相互作用較弱 故載荷增加對摩擦特性影響不大 而隨著載荷增加 自組裝分子沉積膜趨于致密 流動性減弱 同鎳薄膜之間相互作用減弱圖 分別示出了與銅和鎳薄膜對摩的 自組裝分子膜表面形貌 滑動 圖像 載荷為速度為 可以看出 與銅薄膜對摩 后 自組裝分子膜的表面變形均勻 自組裝分子膜的表面變形由里向外逐漸減弱 見圖 而與鎳薄膜對摩后的 自組裝分子膜的表面變形較為明顯 與此同時 見 分子團簇位置出現了遷移 圖 這是由于鎳薄膜與 自組裝分子膜之間的相互作用較強所致 這同圖 所示的摩擦系數測定結果相一致結論與銅沉積膜相比 鎳沉積膜同 和 自組裝膜對摩時的摩擦系數較大 這是因

10、為鎳與自組裝分子膜之間的相互作用較強所致自組裝分子膜的摩擦特性同其弛豫特性和界面接觸特性密切相關 可以利用 勢定性分析結果來關聯和對比自組裝分子膜同金屬薄膜之間的相互作用第 期張會臣等界面接觸特性對兩種自組裝分子膜摩擦特性的影響圖 與銅和鎳沉積薄膜對摩后的 自組裝分子膜的 圖像參考文獻任嗣利 楊生榮 張俊彥自組裝單分子膜的摩擦學研究進展 摩擦學學報雒建斌 溫詩鑄 錢林茂二氧化 硅及其硅烷自組裝膜微觀摩擦力與粘著力的研究 摩擦力的實驗與分析 物理學報雒建斌 溫詩鑄 錢林茂二氧化硅及其硅烷自組裝膜微觀摩擦力與粘著力的研究 粘著力的實驗與分析 物理學報薛群基 張俊彥 楊生榮二氧化鈦復合膜的 硅烷自組

11、裝膜及硅烷 表征與摩擦性能研究 摩擦學學報張會臣 佘云川 劉世永滑動條件下自組裝分子 膜粘著效應對摩擦力的影響 摩擦學學報 增 刊摩擦學學報第 卷界面接觸特性對兩種自組裝分子膜摩擦特性的影響作者：作者單位：刊名：英文刊名：張會臣， 高玉周， 李亞斌， 王存山， 嚴立張會臣,高玉周,李亞斌,嚴立(大連海事大學,材料工藝研究所,遼寧,大連,116026)， 王存山(大連理工大學,三束材料改性國家重點實驗室,遼寧,大連,116023)摩擦學學報TRIBOLOGYTRIBOLOGYTRIBOLOGYTRIBOLOGY2004,24(1)7次年，卷(期)：被引用次數：參考文獻(10條)1.Stephen

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13、林茂;雒建斌;溫詩鑄 二氧化硅及其硅烷自組裝膜微觀摩擦力與粘著力的研究期刊論文-物理學報 2000(11)6.錢林茂;雒建斌;溫詩鑄 二氧化硅及其硅烷自組裝膜微觀摩擦力與粘著力的研究 II. 粘著力的實驗與分析期刊論文-物理學報 2000(11)7.張俊彥;楊生榮;薛群基 硅烷自組裝膜及硅烷/二氧化鈦復合膜的XPS表征與摩擦性能研究期刊論文-摩擦學學報 2000(04)8.張會臣;佘云川;劉世永 滑動條件下自組裝分子膜粘著效應對摩擦力的影響 2002(04)9.Suh N P;Sin H C The genesis of friction 198110.Asako Koike Molecula

14、r dynamics study of tribological behav-ior of confined branched and linearperfluoropolyethers 1999本文讀者也讀過(10條)1. 干寧.王志穎.葛從辛.徐偉民.Gan Ning.Wang Zhiying.Ge Congxin.Xu Weimin 巰基丁二酸鎳()自組裝單分子層修飾金電極的制備及H2O2傳感器的研制期刊論文-分析儀器2006(4)2. 李建平.楊志宇 納米六氰合鐵酸鎳化學修飾電極對多巴胺電催化還原的研究會議論文-20053. 宋雪.王乃鑫.張國俊.紀樹蘭.劉忠洲 中空纖維聚離子復合膜組

15、裝及其滲透汽化性能會議論文-20084. 劉莎.季世軍.閆錦.孫昌國.張會臣 OTS/MPS復合自組裝分子膜的摩擦特性分析期刊論文-大連海事大學學報2003,29(4)5. 徐國華.Higashitani Ko OTS自組裝單分子膜形成過程的AFM研究期刊論文-物理化學學報1999(5)6. 馬言順.龍遠德.翦英紅.黃天寶 新型高效液相色譜酰胺鍵合固定相的制備與評價期刊論文-分析化學2004,32(2)7. 張會臣.孫昌國.閆錦.嚴立 復合自組裝分子膜的摩擦特性研究期刊論文-電子顯微學報2004,23(2)8. 宋雪.張國俊.紀樹蘭.王乃鑫.劉忠洲.SONG Xue.ZHANG Guojun.

16、JI Shulan.WANG Naixin.LIU Zhongzhou 單內皮層中空纖維聚離子復合膜的組裝及其滲透汽化性能期刊論文-膜科學與技術2009,29(5)9. 吳少暉.隋曉麗.張曦.陶映初.WU Shao-hui.SUI Xiao-li.ZHANG Xi.TAO Ying-chu CS-PAA聚電解質絡合物的形成及其機理研究期刊論文-武漢大學學報（自然科學版）2000,46(4)10. 仝維鋆.高長有 戊二醛交聯調控層狀組裝微膠囊的性能會議論文-引證文獻(7條)1.孫昌國.張會臣 鋁金屬薄膜上制備OTS自組裝分子膜的摩擦學特性期刊論文-大連海事大學學報 2008(3)2.姚舜暉.蘇演良.高文顯.鄭凱文 摻雜不同鈦含量氮化鋯薄膜的制備及其摩擦性能研究期刊論文-摩擦學學報2006(5)3.張俊彥 薄膜/涂層的摩擦學設計及其研究進展期刊論文-摩擦學學報 2006(4)4.孫昌國.張會臣 基于自組裝技術改性處理鎂和鋁金屬的摩擦學特性研究期刊論文-功能