具有低表面自由能疏水/超疏水有机纳米薄膜的设计、制备及微摩擦学性能研究

研究具有低表面自由能疏水/超疏水有机纳米薄膜的设计及微摩擦学特性，重点是直接在金属/非金属材料（Al、Cu、Ni、镁合金、DLC、Si等）表面设计制备具有低表面自由能的疏水/超疏水优质纳米薄膜，研究表面疏水/超疏水有机纳米薄膜的微摩擦学机理，以期提供解决在MEMS/NEMS微纳器件中金属/非金属材料表面的粘着、摩擦、磨损及润滑等问题的方法。研究内容包括：设计并合成含氟功能基团的三氮杂嗪双硫醇类有机物；利用所开发设计的有机镀膜方法，在金属/非金属表面直接制备具有低表面自由能的纳米薄膜；通过该纳米薄膜使金属/非金属材料表面具有疏水/超疏水功能特性，并揭示其微摩擦学特性；研究低表面自由能、疏水/超疏水性能与其微摩擦磨损特性之间的内在关系，并分析薄膜的厚度、分子量、极性、色散力、表面微观结构、粘着力等对薄膜微摩擦学性能的影响，为微纳器件摩擦磨损问题提供一种成本低廉、工艺简便、高效的解决方法。

本项目研究了具有低表面自由能疏水/超疏水有机纳米薄膜的设计及微摩擦学特性，直接在金属/非金属材料（硅、钛、钕铁硼、镁合金、钛合金等）表面设计制备了具有低表面自由能的疏水/超疏水优质纳米薄膜，并研究了该表面疏水/超疏水有机纳米薄膜的微摩擦学机理。研究内容包括：设计并合成含氟功能基团的三氮杂嗪双硫醇类有机物；利用开发的有机镀膜方法，在金属/非金属材料表面直接制备具有低表面自由能的纳米薄膜；通过该纳米薄膜使金属/非金属材料表面具有疏水/超疏水功能特性，并揭示其微摩擦学特性；研究低表面自由能、疏水/超疏水性能与其微摩擦磨损特性之间的内在关系，为微纳器件摩擦磨损问题提供一种成本低廉、工艺简便、高效的解决方法。. 在Ti-6Al-4V钛合金表面制备了含氟的疏水纳米薄膜ATP，利用自组装分子膜技术在钛合金表面制备了硅烷类疏水纳米薄膜TES，结合两种技术优势实现了复合薄膜TES-ATP的制备，利用化学刻蚀与有机镀膜技术制备了超疏水纳米薄膜。往复摩擦实验表明，在50 mN恒载荷下，Ti-6Al-4V基底表面摩擦系数为0.50，ATP薄膜表面摩擦系数为0.19，抗磨时效为21 s；TES薄膜表面摩擦系数为0.23，抗磨时效为30 s；TES-ATP薄膜表面摩擦系数为0.17，薄膜抗磨时效为220 s；超疏水薄膜表面摩擦系数为0.21，抗磨时效为200 s。TES-ATP薄膜具有最低的表面摩擦系数和最长耐磨寿命，超疏水薄膜摩擦学性能其次，ATP薄膜和TES薄膜均能降低基底摩擦系数，但抗磨性能欠佳。. 采用自组装方法在硅基底表面制备了自组装单分子膜TES，经自组装后硅片摩擦系数从硅基底的0.494下降到0.102，在载荷100 mN下的耐磨寿命为130次往复滑动，经过300次循环后薄膜才完全失效。. 此外，本项目还在钕铁硼表面制备了TES-ATP复合膜，镁合金表面制备了STN和OTS纳米薄膜，均显著降低了基底的表面自由能，实现了疏水化，提高了摩擦性能；在镁合金上结合微弧氧化和有机镀膜技术制备了新型超疏水薄膜；在纯钛上结合热氧化和自组装技术制备了耐磨耐蚀的超疏水薄膜。