硅基超疏水表面的制备及摩擦学性能研究

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1、学校代码10530学号201510161713分类号TH117.1密级公开硕士学位论文硅基超疏水表面的制备及摩擦学性能研究学位申请人童佳威张言指导教师刘思思副教授言学院名称机械工程学院学科专业工程硕士（机械工程领域）研究方向先进制造工艺及装备二零一八年六月PreparationandTribologicalPropertiesofSuperhydrophobicSurfacesofSiliconSubstrateCandidateTongJiaweiSupervisorAd.Prof.LiuSisiCollegeSchoolofMec

2、hanicalEngineeringProgramMechanicalEngineeringSpecializationAdvancedManufacturingTechnologyandEquipmentUniversityXiangtanUniversityDateJune,2018湘潭大学硕士学位论文摘要微机电系统（MEMS）常以单晶硅（Si）为主要结构材料，但由于微构件间的微观黏着和磨损，导致器件工作稳定性和使用耐久性降低，因此在Si表面实现超疏水改性，是减小微结构间黏着和摩擦的有效途径。超疏水性能可以通过自组装分子膜（SAM

3、）修饰和制备表面微观织构来实现。采用分子动力学方法对SAM的结构特征进行模拟，研究了Si表面N-3-(三甲氧基硅烷基)丙基乙二胺（DA）-月桂酰氯（LA）（DA-LA）双层复合自组装分子膜（SAMs）的结构特性，确定了DA、LA分子的最佳覆盖率，当DA-LA分子呈类锯齿状有序排布时，所形成的DA-LASAMs体系最为稳定。进一步讨论了SAMs表面的微观润湿性能，构建纳米水滴进行1000ps的表面润湿模拟，结果表明，羟基化Si表面、DASAM表面表现为亲水性，DA-LASAMs表面表现为疏水性。对表面径向分布函数计算发现：DA-LA双层

4、复合SAMs表面不存在氢键，固-液间作用力是弱范德华力，使其保持了良好的疏水性。依据润湿理论设计了硅基超疏水表面方柱织构几何参数，并通过光刻、感应耦合等离子体刻蚀实现织构制备，进而使用湿法刻蚀得到腔形织构。借助扫描电子显微镜和能谱仪对微织构形貌和表面化学组分进行表征。进一步在方柱织构和腔形织构化Si表面修饰DA-LA低表面能双层复合SAMs，形成微/纳复合结构，采用红外光谱仪、原子力显微镜（AFM）、触角测量仪对SAMs的化学组分、表面形貌、表观接触角进行了表征，分析了几何形貌和参数对润湿性能的影响规律，以及表面自由能特性，结果表明，

5、随织构表面柱间距的增大，在表面逐渐形成超疏水性能，表观接触角最高达到170.35°；DA-LASAMs表面自由能最小，DA表面次之，羟基化表面自由能最大。通过施加水平扰动、增大水滴体积和滴落高度考察织构化超疏水表面的润湿稳定性。结果表明，施加水平振动扰动时，水滴在腔形织构表面未发生润湿状态转变，超疏水性能稳定；增加水滴体积和滴落高度时，腔形织构化超疏水表面稳定性优于方柱织构化超疏水表面。采用AFM微球探针对平整、织构化以及SAMs-织构化Si表面进行微观摩擦学测量与分析，结果表明，织构化Si表面相比平整Si表面的黏着力降低了58.4%

6、、63.3%，摩擦力降低了45.9%，、50.3%；SAMs-织构化Si表面较平整Si黏着力降低了68.6%、79.8%，摩擦力降低了62.6%、67.5%，表现出优异的减黏着、减摩性能。关键词：单晶硅；微纳复合结构；超疏水表面；润湿行为；摩擦学性能I湘潭大学硕士学位论文AbstractMicro-electromechanicalsystems(MEMS)oftenusesinglecrystalsilicon(Si)asthemainstructuralmaterial.However,duetothemicroscopicadh

7、esionandwearbetweenmicro-components,causingthedevicetoworkstabilityanddurabilityofuse.It'saeffectivewaytoreduceadhesionandfrictionthatachievesuperhydrophobicityonSisurface.Thesuperhydrophobicsurfacecanbepreparedbymakingregularmicro-structuresandchangingthechemicalcompos

8、ition.ThestructuralcharacteristicsofSAMcanbesimulatebythemoleculardynamicsmethods.Thispaperresearchedthestruct