纳米自组装膜的制备及其微摩擦学性能研究

论文摘要

微电子机械系统（MEMS）的研究近年来受到了人们的极大关注,但对含有驱动器的,即有相对回转或移动动作的MEMS装置,这些微构件中均存在多种摩擦部件,由于尺寸小,在运动过程中表面粘着力、摩擦力及表面张力等相对于传统机械而言,表现得非常突出。因此,基于自组装的纳米薄膜材料的研究是纳米科学研究的热点。本研究选择聚合物（聚丙烯酸）对无机纳米颗粒（二氧化钛和氢氧化铁）表面进行修饰改性,用溶胶-凝胶法得到具有核/壳结构的无机/高分子纳米微粒复合物。然后利用正负离子组装的方法在石英玻璃表面交替沉积带正离子基团的重氮树脂（DR）和带负离子基团的二氧化钛/聚丙烯酸（TiO2/PAA）复合物和氢氧化铁/聚丙烯酸（Fe（OH）3/PAA）复合物,形成多层自组装薄膜。然后在紫光灯照射下将重氮树脂和复合物表面间的静电作用转化为共价键,并利用重氮树脂的光敏性能,借助于紫外光谱（UV）分析自组装膜材料的微观性能,利用原子力显微镜对自组装膜的表面形貌进行表征,对微摩擦性能进行测试。由紫外分光光度计所测得的紫外光谱可以看出,随着自组装双层薄膜层数的增加,重氮基团的数目线性增加,在380nm波长处的特征吸收峰强度也线性增加。紫光灯照射后,重氮基团吸收峰强度显著降低,重氮基团消失。通过原子力显微镜的轻敲模式对5层的PAA-Fe（OH）3/DR,PAA-TiO2/DR双层自组装膜表面形貌观察发现:纳米PAA-TiO2和PAA-Fe（OH）3固体颗粒在自组装膜表面分散较为均匀,只有少量团聚现象。典型的PAA-TiO2纳米颗粒粒径约为200nm,PAA-Fe（OH）3纳米颗粒粒径约为100nm。并且可以看到,随着组装膜层数的增加,自组装膜表面的纳米颗粒数也相应增加,其表面的粗糙度也相应增加。利用原子力显微镜研究了PAA-Fe（OH）3/DR和PAA-TiO2/DR纳米自组装膜的最大静摩擦系数,滑动摩擦系数,和表面黏附力还有针尖脱离粘附时的距离。研究得出,按照我们实验方法所制备的PAA-Fe（OH）3/DR和PAA-TiO2/DR纳米自组装膜具有很好的润滑性能。PAA-Fe（OH）3/DR最大静摩擦系数要小于同等条件下PAA-TiO2/DR双层自组装膜的最大静摩擦系数,滑动摩擦系数要稍大于PAA-TiO2/DR双层自组装膜的滑动摩擦系数,但是也是处于极低的范围之内,同时PAA-Fe（OH）3/DR在脱离针尖的过程中,发生黏附脱离时针尖和样品表面的距离也比PAA-TiO2/DR脱离时距离要小。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 核壳结构复合物的研究进展
• 1.1.1 核壳粒子特点
• 1.1.2 制备核壳粒子的方法
• 1.2 分子自组装的研究进展
• 1.2.1 分子自组装体系
• 1.2.2 分子自组装体系特点
• 1.2.3 分子自组装的主要方法
• 1.3 基于重氮树脂的自组装研究进展
• 1.4 本课题的研究意义
• 第2章 二氧化钛/聚丙烯酸/重氮树脂自组装膜的研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 二氧化钛胶体的制备
• 2.2.2 二氧化钛/聚丙烯酸核壳结构纳米溶胶的制备
• 2.2.3 基于静电荷自组装氢氧化铁/聚丙烯酸/重氮树脂膜的制备及紫外光谱表征
• 2.2.4 表面形貌表征
• 2.2.5 表面力学性能测定
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 二氧化钛胶体的制备
• 2.3.2 二氧化钛/聚丙烯酸复合物的制备
• 2.3.3 基于静电荷自组装二氧化钛/聚丙烯酸/重氮树脂膜的制备及紫外光谱表征
• 2.3.4 表面形貌表征
• 2.3.5 表面力学性能测定
• 2.3.6 小结
• 第3章 氢氧化铁/聚丙烯酸/重氮树脂自组装膜的研究
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 氢氧化铁胶体的制备
• 3.2.2 氢氧化铁/聚丙烯酸核壳结构纳米溶胶的制备
• 3.2.3 基于静电荷自组装氢氧化铁/聚丙烯酸/重氮树脂膜的制备及紫外光谱表征
• 3.2.4 表面形貌表征
• 3.2.5 表面力学性能测定
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 氢氧化铁胶体的制备
• 3.3.2 氢氧化铁/聚丙烯酸复合物的制备
• 3.3.3 基于静电荷自组装氢氧化铁/聚丙烯酸/重氮树脂膜的制备及紫外光谱表征
• 3.3.4 表面形貌表征
• 3.3.5 表面力学性能测定
• 3.3.6 小结
• 第4章 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读硕士期间发表的论文