【摘要】：近年來,微納機(jī)電系統(tǒng)(MEMS/NEMS)在眾多領(lǐng)域中都取得了十分廣闊的應(yīng)用,但由于系統(tǒng)尺寸的減小以及表面積-體積比的增大使得表面摩擦力成為制約其發(fā)展的重要因素。理論與實(shí)驗(yàn)研究都指出,在液體環(huán)境下,固液界面的表面電荷會形成雙電層,雙電層之間的作用力對微納米尺度的摩擦有著重要的影響,但是目前研究普遍集中在摩擦副為同種材料的情況,對于不同材料構(gòu)成的摩擦副的研究很少,而且有關(guān)表面電荷對界面微納米尺度磨損影響的研究并不充分。針對以上問題,本文應(yīng)用原子力顯微鏡(AFM)研究了液體環(huán)境下表面電荷對于不同材料構(gòu)成的摩擦副表面的摩擦性能以及磨損的影響。首先建立了AFM探針-樣品雙電層間靜電力理論模型,推導(dǎo)了相應(yīng)的計算公式,分析了Si O2、Al2O3、Si3N4三種樣品固液界面表面電荷產(chǎn)生的機(jī)理,測量了三種樣品的表面電荷密度,研究了表面電荷對雙電層間靜電力的影響。最后基于探針-樣品模型推導(dǎo)了范德華力計算公式,綜合考慮靜電力及范德華力的影響對摩擦力公式進(jìn)行了修正。隨后從分析AFM探針掃描樣品表面過程中受力的變化入手,建立了一種將AFM電壓信號轉(zhuǎn)化為摩擦力的方法,并通過測量空氣中Si3N4/云母表面間的摩擦系數(shù),與前人研究進(jìn)行對比,驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性。建立了摩擦力轉(zhuǎn)化方法后,利用AFM接觸模式測量了不同p H值溶液中Si O2探針/Al2O3表面、Si3N4探針/Si O2表面以及Si3N4探針/Al2O3表面三組摩擦副的摩擦系數(shù),結(jié)合靜電力理論計算結(jié)果,分析了非對稱雙電層間靜電力對于兩表面間摩擦系數(shù)的影響機(jī)理。最后,利用AFM接觸模式進(jìn)行了不同p H值溶液中云母以及Mg O表面磨損實(shí)驗(yàn),原位測量表面磨痕深度,分析了云母和Mg O表面磨痕產(chǎn)生的機(jī)理,研究了表面電荷對于表面磨痕深度的影響。綜上所述,本文測量了固液界面表面電荷密度,從理論上計算了雙電層間靜電力,建立了AFM測量摩擦力的方法,并利用AFM接觸模式探究了雙電層之間的作用力對于摩擦以及表面磨損的影響。
【圖文】：

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a) pH=6.5 溶液中 b) pH=11.8 溶液中圖 1-3 Si3N4/Al2O3在不同 pH 溶液中力-距離分離曲線[16].2.2.3 雙電層間靜電力對摩擦力影響研究現(xiàn)狀BogdanC.Donose[17]等人利用AFM分別測量了在pH=5.6的純水、LiCl、NaC
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TH-39

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本文編號：2689897