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1、學校代碼10530學號201510161713分類號TH117.1密級公開碩士學位論文硅基超疏水表面的制備及摩擦學性能研究學位申請人童佳威張言指導教師劉思思副教授言學院名稱機械工程學院學科專業(yè)工程碩士（機械工程領(lǐng)域）研究方向先進制造工藝及裝備二零一八年六月PreparationandTribologicalPropertiesofSuperhydrophobicSurfacesofSiliconSubstrateCandidateTongJiaweiSupervisorAd.Prof.LiuSisiCollegeSchoolofMec
2、hanicalEngineeringProgramMechanicalEngineeringSpecializationAdvancedManufacturingTechnologyandEquipmentUniversityXiangtanUniversityDateJune,2018湘潭大學碩士學位論文摘要微機電系統(tǒng)（MEMS）常以單晶硅（Si）為主要結(jié)構(gòu)材料，但由于微構(gòu)件間的微觀黏著和磨損，導致器件工作穩(wěn)定性和使用耐久性降低，因此在Si表面實現(xiàn)超疏水改性，是減小微結(jié)構(gòu)間黏著和摩擦的有效途徑。超疏水性能可以通過自組裝分子膜（SAM
3、）修飾和制備表面微觀織構(gòu)來實現(xiàn)。采用分子動力學方法對SAM的結(jié)構(gòu)特征進行模擬，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）雙層復合自組裝分子膜（SAMs）的結(jié)構(gòu)特性，確定了DA、LA分子的最佳覆蓋率，當DA-LA分子呈類鋸齒狀有序排布時，所形成的DA-LASAMs體系最為穩(wěn)定。進一步討論了SAMs表面的微觀潤濕性能，構(gòu)建納米水滴進行1000ps的表面潤濕模擬，結(jié)果表明，羥基化Si表面、DASAM表面表現(xiàn)為親水性，DA-LASAMs表面表現(xiàn)為疏水性。對表面徑向分布函數(shù)計算發(fā)現(xiàn)：DA-LA雙層
4、復合SAMs表面不存在氫鍵，固-液間作用力是弱范德華力，使其保持了良好的疏水性。依據(jù)潤濕理論設(shè)計了硅基超疏水表面方柱織構(gòu)幾何參數(shù)，并通過光刻、感應(yīng)耦合等離子體刻蝕實現(xiàn)織構(gòu)制備，進而使用濕法刻蝕得到腔形織構(gòu)。借助掃描電子顯微鏡和能譜儀對微織構(gòu)形貌和表面化學組分進行表征。進一步在方柱織構(gòu)和腔形織構(gòu)化Si表面修飾DA-LA低表面能雙層復合SAMs，形成微/納復合結(jié)構(gòu)，采用紅外光譜儀、原子力顯微鏡（AFM）、觸角測量儀對SAMs的化學組分、表面形貌、表觀接觸角進行了表征，分析了幾何形貌和參數(shù)對潤濕性能的影響規(guī)律，以及表面自由能特性，結(jié)果表明，
5、隨織構(gòu)表面柱間距的增大，在表面逐漸形成超疏水性能，表觀接觸角最高達到170.35°；DA-LASAMs表面自由能最小，DA表面次之，羥基化表面自由能最大。通過施加水平擾動、增大水滴體積和滴落高度考察織構(gòu)化超疏水表面的潤濕穩(wěn)定性。結(jié)果表明，施加水平振動擾動時，水滴在腔形織構(gòu)表面未發(fā)生潤濕狀態(tài)轉(zhuǎn)變，超疏水性能穩(wěn)定；增加水滴體積和滴落高度時，腔形織構(gòu)化超疏水表面穩(wěn)定性優(yōu)于方柱織構(gòu)化超疏水表面。采用AFM微球探針對平整、織構(gòu)化以及SAMs-織構(gòu)化Si表面進行微觀摩擦學測量與分析，結(jié)果表明，織構(gòu)化Si表面相比平整Si表面的黏著力降低了58.4%
6、、63.3%，摩擦力降低了45.9%，、50.3%；SAMs-織構(gòu)化Si表面較平整Si黏著力降低了68.6%、79.8%，摩擦力降低了62.6%、67.5%，表現(xiàn)出優(yōu)異的減黏著、減摩性能。關(guān)鍵詞：單晶硅；微納復合結(jié)構(gòu)；超疏水表面；潤濕行為；摩擦學性能I湘潭大學碩士學位論文AbstractMicro-electromechanicalsystems(MEMS)oftenusesinglecrystalsilicon(Si)asthemainstructuralmaterial.However,duetothemicroscopicadh
7、esionandwearbetweenmicro-components,causingthedevicetoworkstabilityanddurabilityofuse.It'saeffectivewaytoreduceadhesionandfrictionthatachievesuperhydrophobicityonSisurface.Thesuperhydrophobicsurfacecanbepreparedbymakingregularmicro-structuresandchangingthechemicalcompos
8、ition.ThestructuralcharacteristicsofSAMcanbesimulatebythemoleculardynamicsmethods.Thispaperresearchedthestruct
