第卷第期摩擦学学报
年月
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立
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
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势对铜和镍与三氯十八硅烷和氨基丙基三甲氧基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
实验部分
自组装分子膜制备
分别制备了三氯十八硅烷和氨基丙基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速率扫描面积高度分辨率
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时间为以增强沉积膜同基体的结合强度离子溅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
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
将表面沉积和纳米薄膜的钢球安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
基金项目国家自然科学基金资助项目
收稿日期修回日期联系人张会臣
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
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的表面结构均匀其中自组装分子膜的岛式结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
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
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
式中及为自组装分子的势函数参数
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
当滑动速度为时薄膜与
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
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
装分子膜表面形貌图像载荷为滑动
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
明显与此同时分子团簇位置出现了迁移见
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
摩擦学学报第卷
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
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摩擦力的实验与分析物理学报
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
粘着力的实验与分析物理学报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
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
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
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：张会臣， 高玉周， 李亚斌， 王存山， 严立
作者单位：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)
刊名：
摩擦学学报
英文刊名：TRIBOLOGY
TRIBOLOGY
TRIBOLOGY
TRIBOLOGY
年，卷(期)：2004,24(1)
被引用次数：7次
参考文献(10条)
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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)
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引证文献(7条)
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本文链接：https://www.doczj.com/doc/c76959161.html,/Periodical_mcxxb200401002.aspx