金属表面微/纳米薄膜的水热法制备及其摩擦学性能的研究

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纳米材料因其结构上的特殊性导致性能上的特殊性已经广泛的受到了各个领域的热切关注。纳米薄膜是由尺寸在纳米量级的晶粒构成的薄膜,纳米颗粒是指具有1100nm尺度的细微粒子,这是处于原子簇和宏观物体交界的过渡区域内的一种典型的介观系统,呈现出异于块材的特性如表面效应和体积效应等,且其表面效应随着颗粒尺寸变小,表面积显著地增大而加强。使得材料的那些与表面状态有关的物理、化学或物理化学特性显著的与宏观大颗粒不同。为了利用纳米薄膜的优异性能,人们尝试研究纳米薄膜的多种制备方法,力图为工业化应用找到工艺简单制备成本低廉而且性能优异的制备纳米薄膜的方法。本论文的工作主要涉及这一领域,将以金属铜和金属锌为基底,采用水热技术在金属表面构筑微/纳米薄膜,之后采用自组装技术在粗糙的微/纳表面沉积具有低表面能的有机薄膜。较为系统地研究了金属表面薄膜的形成机制、表面形貌及润湿性,重点考察了薄膜的摩擦学行为,同时研究了制备条件对金属铜和金属锌表面薄膜摩擦学性能的影响。实验取得一定进展,研究发现:(1)金属铜经水热处理后得到了一层致密的薄膜,当反应物只有铜片、硫粉及去离子水时,表面生成物为Cu2S,扫描电镜下显示生成了大量的微/纳米颗粒,该薄膜表现出了一定的减摩耐磨效果;但在反应体系中加入肼和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)后,表面生成物中除Cu2S外,还存在微量的CuO,形貌与上述薄膜相似,但该薄膜具有更为优异的减摩耐磨性能,在本实验条件下该薄膜的耐磨寿命达到7200s以上,而铜基底的耐磨寿命仅为5s。(2)上述制备的薄膜表面与水的接触角分别为103°和140°,采用气相沉积法在表面沉积有机硅烷薄膜,得到的表面对水的接触角分别增大到143°和153°,后者更是表现出超疏水性。然而沉积有机硅烷后,薄膜摩擦学性能在初始阶段反遭一定程度的破坏,于是考察了选用不同脂肪酸自组装技术改性对薄膜的影响。结果发现,沉积硬脂酸(stearic acid, STA)后的薄膜接触角为150°,依然表现超疏水性,而且表现了十分优异的摩擦学性能。(3)金属锌与尿素、磷酸二氢锌(Zn(H2PO4)2·2H2O)以及十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)在水溶剂体系下经水热反应后得到磷酸锌薄膜,表面与水的接触角为0°,呈超亲水,并表现出了一定的减摩耐磨性能,耐磨寿命达800s。随后考察了硬脂酸修饰对薄膜的影响,发现修饰后的表面接触角增大到137°,呈高疏水,而耐磨寿命提高到3600s以上。同时考察了不同反应物及不同表面活性剂对所得薄膜的影响,希望找到最佳制备条件。(4)金属锌与硫脲和肼的水溶液经水热反应后得到ZnS薄膜,扫描电镜照片可以看出金属锌表面生长了大量的纳米颗粒,与水的接触角为90°,并在一定程度上降低了金属锌表面的摩擦系数,起到了保护锌基底的作用。总之,本论文结合水热和自组装技术,利用微/纳表面的微织构效应和有机薄膜的纳米润滑的协同作用,在金属铜和金属锌表面构筑的高疏水有机复合薄膜表现出了较为优异的减摩和耐磨性能。实验结果无疑对研制和开发具有减摩和耐磨特性的新型金属铜或锌材料具有一定的参考价值。
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