界面接触特性对两种自组装分子膜摩擦特性的影响

1、第 卷第 期 年 月摩擦学学报界面接触特性对两种自组装分子膜摩擦特性的影响张会臣 高玉周 李亚斌 王存山 严大连海事大学材料工艺研究所 辽宁大连大连理工大学三束材料改性国家重点实验室 辽宁大连立摘要 利用多功能微摩擦磨损试验机 在不同滑动速度和载荷条件下 采用不同摩擦副分析了界面接触特性对自组装分子膜摩擦特性的影响 同时采用 氨基丙基 三甲氧基硅烷 和 势对铜和镍与三氯十八硅烷自组装分子膜之间的相互作用进行了比较 结果表明 镍同 和 对摩的摩擦系数均大于铜同 种自组装分子膜对摩的摩擦系数 这是因为镍与自组装分子膜间具有较强的相互作用所致 铜和镍与 对摩的摩擦系数随滑动速度的增加而增大 随载荷增

2、加而减小 铜与 对摩的摩擦系数随滑动速度的增加而减小 载荷对摩擦系数的影响则很小 而镍与 对摩的摩擦系数随滑动速度增加而增大 随载荷增加而减小 可以用分子弛豫来解释 种自组装分子膜的摩擦特性差异关键词 自组装单分子膜 界面 接触 摩擦中图分类号文献标识码文章编号近年来 随着通信 航天 生物制药和芯片实验室中微电子机械系统 的发展 对静摩擦和摩 擦控制提出了新的要求 在微电子机械系统中 表面间的间隙通常只有几纳米 而且要求高速相对运动 轻载和数十亿个工作循环 在纳米尺度 与特征尺寸高次方呈比例的惯性力及电磁力等的作用相对减小 而与尺寸的低次方呈比例的粘性力 弹性力 表面张力和静电力等的作用相对增

3、大 随着尺寸的减小 表面积与体积之比相对增大 因而热传导及化学反应等加速 表面间的摩擦阻力显著增大 此时粘着 静摩擦和摩擦成为亟待解决的技术关键自组装分子膜是解决微电子机械系统的润滑 控制摩擦副间粘着 静摩擦和摩擦的潜在材料 因而受到了广泛关注 相关研究主要着眼于自组装分子三甲氧基硅烷 种自组装分子膜 其制备方法详见文献 采用 公司制造的 型原子力显微镜 表征自组装分子膜的结构 扫描面积 扫描速率 高度分辨率 和 纳米薄膜制备用离子束增强沉积方法在直径 的 钢球表面制备 和 纳米薄膜 沉积前真空室的真空度为 采用辅助离子源溅射清洗钢 球表面 电压为 以增强沉积膜 时间为同基体的结合强度 离子溅

4、射沉积条件 流量为工作气压为 沉积时间为 所得到的纳米薄膜的厚度约为膜摩擦学特性的原子力显微镜分析 本文作者采用多功能微摩擦磨损试验机考察了界面接触特性对自组装分子膜摩擦特性的影响 期望为自组装分子膜的应用提供理论依据自组装分子膜摩擦系数测试在多功能微摩擦磨损试验机 上测定摩擦系数 试验机的结构简图和摩擦副的接触形式见图 将表面沉积 和 钢球安 纳米薄膜的装于夹头上 用双面胶带将沉积自组装分子膜的单晶硅片固定在可以旋转的试样台上 通过设定不同的载荷和滑动速度分别考察载荷和滑动速度对摩擦系数的影响 试验选用的载荷为 滑动速度实验部分自组装分子膜制备分别制备了三氯十八硅烷 氨基丙基 和基金项目 国

5、家自然科学基金资助项目收稿日期 联系人张会臣 修回日期 作者简介 张会臣 男 年生 博士 教授 目前主要从事边界润滑理论和磁记录纳米摩擦学研究第 期张会臣等界面接触特性对两种自组装分子膜摩擦特性的影响表面结构均匀 其中 岛 式结 自组装分子膜的构特征更明显 种自组装分子膜的表面粗糙度 分别为 和铜和镍薄膜在不同滑动速度和载荷下同 自组装分子膜对摩时的摩擦系数示于图 可以看出当图 微摩擦磨损试验机的结构和摩擦副接触形式示意图为试验环境为大气 相对湿度结果与讨论薄膜与 自组装分子膜对摩时的摩擦性能图 示出了所制备的 和 自组装分子图 和 自组装分子膜的 图像膜的 形貌照片 可以看出 种自组装分子膜

6、的图 自组装膜同铜和镍沉积膜对摩时的摩擦系数随滑动速度和载荷变化的关系曲线载荷为 时 随着滑动速度增加 及 薄膜与 自组装分子膜对摩的摩擦系数逐渐增大 这是由于随着滑动速度增大 分子的弛豫时间不足 从而产生较大剪切阻力所致 而 薄膜同 自组装分子膜对摩的摩擦系数的增加幅度 由滑动速度为时的增加到滑动速度为时的 比 薄膜同 自组装分子膜对摩的摩擦系数增加幅度时的 增加到滑动速度为 时的大得多 见图 根据 等的摩擦起源学说 摩擦力的产生源于犁削效应 粘着效应和塑性变形 摩擦系数可以表示为摩擦学学报第 卷式中 和 分别为犁削效应 塑性变形效应和粘着效应对摩擦系数的贡献在载荷为毫牛量级时 表面效应更加

7、突出 粘着效应对摩擦系数的贡献增大 自组装分子膜同铜 镍薄膜之间的物理吸附作用主要取决于范德华力 范德华力可以采用 势 简称 势 表示为可以将铜和镍的参数代入式 进行定性的比较 对于铜 对于镍经对比可知 镍薄膜与自组装分子膜的相互作用力大于铜薄膜与自组装分子膜的相互作用力 该定性分析结果同图 所示试验结果相对应当滑动速度为 薄膜与 时自组装分子膜对摩时的摩擦系数随着载荷增加而呈减小趋势 见图 这是因为随着载荷增大 自组装分子膜的结构趋于致密 剪切阻力减小所致薄膜与 自组装分子膜对摩时的摩擦性能铜及镍薄膜在不同滑动速度和载荷下同 自组装分子膜的对摩时的摩擦系数示于图 可以看出式中 及为自组装分子

8、的势函数参数为粘着能 为晶格常 数 由于铜和镍薄膜对应于同一种分子沉积膜 因此图 自组装膜同铜和镍沉积膜对摩时的摩擦系数随滑动速度和载荷变化的关系曲线当载荷 时 薄膜与 自组装分子膜对摩的摩擦系数随滑动速度增加逐渐减小 图 这是由于铜与自组装分子膜的相互作用较弱 随着滑动速度的增加 铜与自组装分子膜的作用时间缩短 且短链自组装分子沉积膜受弛豫效应的影响相对较小所致 而 薄膜与 自组装分子膜对摩时的摩擦系数随滑动速度的增加而增大 这是由于 薄膜同分子链较短 表面能较大的 分子沉积膜之间的相互作用力较大所致 当速度为 时 薄膜摩擦系数随载荷增加变化不大 而 薄膜摩擦系数随载荷增加而减小 见图 其原

9、因在于 较薄的 自组装分子膜与铜薄膜的相互作用较弱 故载荷增加对摩擦特性影响不大 而随着载荷增加 自组装分子沉积膜趋于致密 流动性减弱 同镍薄膜之间相互作用减弱图 分别示出了与铜和镍薄膜对摩的 自组装分子膜表面形貌 滑动 图像 载荷为速度为 可以看出 与铜薄膜对摩 后 自组装分子膜的表面变形均匀 自组装分子膜的表面变形由里向外逐渐减弱 见图 而与镍薄膜对摩后的 自组装分子膜的表面变形较为明显 与此同时 见 分子团簇位置出现了迁移 图 这是由于镍薄膜与 自组装分子膜之间的相互作用较强所致 这同图 所示的摩擦系数测定结果相一致结论与铜沉积膜相比 镍沉积膜同 和 自组装膜对摩时的摩擦系数较大 这是因

10、为镍与自组装分子膜之间的相互作用较强所致自组装分子膜的摩擦特性同其弛豫特性和界面接触特性密切相关 可以利用 势定性分析结果来关联和对比自组装分子膜同金属薄膜之间的相互作用第 期张会臣等界面接触特性对两种自组装分子膜摩擦特性的影响图 与铜和镍沉积薄膜对摩后的 自组装分子膜的 图像参考文献任嗣利 杨生荣 张俊彦自组装单分子膜的摩擦学研究进展 摩擦学学报雒建斌 温诗铸 钱林茂二氧化 硅及其硅烷自组装膜微观摩擦力与粘着力的研究 摩擦力的实验与分析 物理学报雒建斌 温诗铸 钱林茂二氧化硅及其硅烷自组装膜微观摩擦力与粘着力的研究 粘着力的实验与分析 物理学报薛群基 张俊彦 杨生荣二氧化钛复合膜的 硅烷自组

11、装膜及硅烷 表征与摩擦性能研究 摩擦学学报张会臣 佘云川 刘世永滑动条件下自组装分子 膜粘着效应对摩擦力的影响 摩擦学学报 增 刊摩擦学学报第 卷界面接触特性对两种自组装分子膜摩擦特性的影响作者：作者单位：刊名：英文刊名：张会臣， 高玉周， 李亚斌， 王存山， 严立张会臣,高玉周,李亚斌,严立(大连海事大学,材料工艺研究所,辽宁,大连,116026)， 王存山(大连理工大学,三束材料改性国家重点实验室,辽宁,大连,116023)摩擦学学报TRIBOLOGYTRIBOLOGYTRIBOLOGYTRIBOLOGY2004,24(1)7次年，卷(期)：被引用次数：参考文献(10条)1.Stephen

12、 M H Nano-lubrication: concept and design外文会议 20022.Komvopoulos K Surface engineering and microtribology for microelectromechanical System 19963.Bhushan B Microtribological studies of doped single-crystal silicon and polysilicon for MEMSdevices 19974.任嗣利;杨生荣;张俊彦 自组装单分子膜的摩擦学研究进展期刊论文-摩擦学学报 2000(05)5.钱

13、林茂;雒建斌;温诗铸 二氧化硅及其硅烷自组装膜微观摩擦力与粘着力的研究期刊论文-物理学报 2000(11)6.钱林茂;雒建斌;温诗铸 二氧化硅及其硅烷自组装膜微观摩擦力与粘着力的研究 II. 粘着力的实验与分析期刊论文-物理学报 2000(11)7.张俊彦;杨生荣;薛群基 硅烷自组装膜及硅烷/二氧化钛复合膜的XPS表征与摩擦性能研究期刊论文-摩擦学学报 2000(04)8.张会臣;佘云川;刘世永 滑动条件下自组装分子膜粘着效应对摩擦力的影响 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本文读者也读过(10条)1. 干宁.王志颖.葛从辛.徐伟民.Gan Ning.Wang Zhiying.Ge Congxin.Xu Weimin 巯基丁二酸镍()自组装单分子层修饰金电极的制备及H2O2传感器的研制期刊论文-分析仪器2006(4)2. 李建平.杨志宇 纳米六氰合铁酸镍化学修饰电极对多巴胺电催化还原的研究会议论文-20053. 宋雪.王乃鑫.张国俊.纪树兰.刘忠洲 中空纤维聚离子复合膜组

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16、JI Shulan.WANG Naixin.LIU Zhongzhou 单内皮层中空纤维聚离子复合膜的组装及其渗透汽化性能期刊论文-膜科学与技术2009,29(5)9. 吴少晖.隋晓丽.张曦.陶映初.WU Shao-hui.SUI Xiao-li.ZHANG Xi.TAO Ying-chu CS-PAA聚电解质络合物的形成及其机理研究期刊论文-武汉大学学报（自然科学版）2000,46(4)10. 仝维鋆.高长有 戊二醛交联调控层状组装微胶囊的性能会议论文-引证文献(7条)1.孙昌国.张会臣 铝金属薄膜上制备OTS自组装分子膜的摩擦学特性期刊论文-大连海事大学学报 2008(3)2.姚舜晖.苏演良.高文显.郑凯文 掺杂不同钛含量氮化锆薄膜的制备及其摩擦性能研究期刊论文-摩擦学学报2006(5)3.张俊彦 薄膜/涂层的摩擦学设计及其研究进展期刊论文-摩擦学学报 2006(4)4.孙昌国.张会臣 基于自组装技术改性处理镁和铝金属的摩擦学特性研究期刊论文-功能材料 20