【摘 要】
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单晶硅(Silicon,Si)及其化合物是微机电系统(Micro-electromechanical Systems,MEMS)的主要器件材料,随着MEMS在不同领域中的广泛应用,Si微型构件的尺寸不断缩小到微/纳米尺度,由此带来的尺度效应使得Si表面的黏着力、摩擦力不断增大,从而严重制约了其在MEMS中的可靠运行。因此,对Si基材料表面进行减黏、减摩和抗磨性能改善迫在眉睫,纳米润滑薄膜技术成为解
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单晶硅（Silicon,Si）及其化合物是微机电系统（Micro-electromechanical Systems,MEMS）的主要器件材料,随着MEMS在不同领域中的广泛应用,Si微型构件的尺寸不断缩小到微/纳米尺度,由此带来的尺度效应使得Si表面的黏着力、摩擦力不断增大,从而严重制约了其在MEMS中的可靠运行。因此,对Si基材料表面进行减黏、减摩和抗磨性能改善迫在眉睫,纳米润滑薄膜技术成为解决这一问题的重要手段。本文基于纳米润滑薄膜结构及组分特性,设计了一种以Si为基底,N-[3-（三甲氧基烷基）丙基]乙二胺（DA）为基底连接层,1-羧乙基-3-甲基咪唑氯盐（[CMIM]Cl）为中间强化层,1-十二烷基-3-甲基咪?六氟磷酸盐（[DMIM]PF6）为表面润滑层的硅烷基二元掺杂离子液体（Ionic Liquids,ILs）润滑薄膜体系,运用分子动力学模拟方法研究了润滑薄膜的分子结构特性及润湿特性;基于模拟结果,通过自组装和喷覆方法在Si基底表面制备了润滑薄膜,并借助傅里叶变换红外光谱仪、接触角测量仪、X射线衍射仪等分析手段对薄膜结构进行了表征分析;最后采用微摩擦磨损试验机和原子力显微镜研究了润滑薄膜的微/纳摩擦学性能。研究结果表明:当[CMIM]Cl分子在DA表面的覆盖率为50%,且相邻两分子按2a×2 2a规律排列。[CMIM]Cl和[DMIM]PF6分子数目比为1:4时,[DMIM]PF6分子的吸附能为-52.9 kcal·mol-1,硅烷基二元掺杂ILs润滑薄膜的模拟模型结构最稳定。该膜层的润湿性能模拟结果相较于单组分ILs膜层显示出最低的表面能,在微/纳摩擦学试验中,硅烷基二元掺杂ILs润滑薄膜在微/纳观尺度下均表现出优异的摩擦学性能。纳观尺度下,相对于Si表面,润滑薄膜表面的黏着力降低了63%,且在不同载荷下的平均摩擦力值降低了60%。微观尺度下当载荷为100 mN时,该薄膜的磨损寿命显著增强,耐磨时间高达4500 s,相对于同等实验条件下Si和DA表面的磨损寿命提高了70倍;当载荷增大至500 mN,该薄膜仍然表现出最长的耐磨时间,摩擦系数稳定在0.22左右。这主要归因于键合相[CMIM]Cl分子在膜层中形成更密集有序的层状结构,增强了薄膜的刚度和强度,且流动相[DMIM]PF6分子易于流回到磨损轨道,实现自补充润滑特性,二者的协同作用有效地改善了薄膜的自润滑性能。研究结果为解决MEMS系统器件失效的摩擦学问题提供了有效的方法和途径。
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