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在材料科学的各分支中,薄膜材料科学的发展一直占据了极为重要的地位。开展新型薄膜材料的研究,直接关系到信息技术、微电子技术、计算机科学技术等领域的发展方向和进程。近年来,材料表面的疏水、超疏水特性引起人们的广泛关注,尤其是超疏水特性,在理论研究及其工业应用方面都具有潜在的价值。而在微电子领域疏水/超疏水薄膜由于具有低表面自有能有望改善其摩擦学特性,通过有机镀膜方法在表面制备疏水/超疏水表面对解决MEMS/NEMS的摩擦学问题具有重要的意义。
本论文采用有机镀膜方法在镁合金表面制备疏水/超疏水功能薄膜并对其反应过程及其性能进行分析研究,得到主要结论如下:
(1)选取三氮杂嗪类化合物(DHN)有机单体,采用在循环伏安法中选取特征点研究有机镀膜过程及反应机理,并通过各种手段XPS、AFM、SEM、FT-IR等对表面进行表征并对有机薄膜性能进行评价。分析结果表明镁合金与有机物DHN的反应过程可分为两个阶段,第一,薄膜生长阶段;第二,薄膜增厚阶段;当镀膜特征点为Et4时性能最佳,蒸馏水接触角从未镀膜的45.8°上升到106.3°,有机膜对镁合金腐蚀的保护效率达99.96%;在镁合金表面制备了有序、致密的PDH有机纳米薄膜。
(2)通过电流密度为0.2 mA/c㎡恒电流条件下进行不同时间有机镀膜。接触角在经过有机镀膜30 min后蒸馏水接触角最大从未处理的43.9°上升到117.2°;镀膜时间为60 min时,对镁合金表面保护作用最佳,且薄膜的不溶化率高达87.8%;镁合金表面纳米薄膜是具有高分子量的有机聚合物薄膜。
(3)结合化学刻蚀与有机镀膜的方法在镁合金表面制备了超疏水纳米有机薄膜。对刻蚀前后粗糙表面对有机镀膜过程的影响进行研究,随着刻蚀时间延长粗糙度上升,10s后表面粗糙度开始下降;在镁合金表面制备微纳复合结构,并具有含氟低表面自有能物质修饰,最终达到超疏水的功能特性,通过XPS、SEM、XPS等表征表面微观结构;电流密度为0.2 mA/ c㎡时镀膜的效果最佳,超疏水表面蒸馏水接触角可达158.3°。
(4)对有机镀膜表面进行纳米划痕测试,研究其膜-基结合力与摩擦学特性。当加载范围为0.5 mN~200 mN、加载速度为399 mN/min时,得到的膜-基结合强度相当,Fc1为30 mN左右、Fc2为90 mN左右;匀载荷100 mN划痕测试,经过DHN纳米有机镀膜后其摩擦系数较未处理的镁合金样品从0.127下降到0.078。