本文選題：粘著 + 微納米尺度��； 參考：《華南理工大學》2014年博士論文

【摘要】：隨著微納米裝置和儀器的快速發(fā)展，微納米尺度下的粘著變得越來越重要。小尺度的機械系統(tǒng)有較高的表面積-體積比，所以更多地受到表面效應(yīng)而非慣性效應(yīng)的影響。粘著力是微機電系統(tǒng)(MEMS)在制造和使用中失效的一個主要原因。MEMS的進一步實用化和微型化，都迫切地需要研究和控制粘著力。本文在接觸幾何的基礎(chǔ)上，建立了單峰接觸粘著模型，利用原子力顯微鏡研究了兩表面間的粘著、特殊結(jié)構(gòu)表面的粘著和類金剛石膜的減粘效應(yīng)。本文的主要研究內(nèi)容如下： （1）精確的接觸幾何對于粘著的量化計算至關(guān)重要，為此本文建立了單峰接觸粘著模型。在粗糙峰和隨機表面光滑性假設(shè)的基礎(chǔ)上，通過微分幾何曲面論獲得每一點的主曲率。在曲面當前點的一級近似下，把曲面與粗糙峰的接觸等價地轉(zhuǎn)化成一個剛性平面和彈性橢圓拋物面間的接觸。這種轉(zhuǎn)化保持了原有的接觸區(qū)間隙和彈性變形性質(zhì)。隨后，通過連續(xù)介質(zhì)接觸力學理論和Hamaker方法，用數(shù)值方法來求解曲面上每一點的接觸面積和粘著力。最后本文給出了兩個算例，，說明模型在一定程度上是可行的。 （2）為了研究兩平面間的粘著和避免針尖磨損，本文采用針尖直徑約為1.7μm的平頭探針。實驗采用的樣品是硅片、石英和藍寶石。實驗分別在潮濕的空氣中、高純干燥氮氣中(手套箱中)、蒸餾水中和氯化鉀溶液中進行。研究表明，真實接觸面積只占表觀接觸面積的很小一部分。熱力學表面自由能并不能預(yù)測兩表面間粘著力的大小。用原子力顯微鏡測量粘著力的穩(wěn)定性和重復性取決于樣品特征、測量參數(shù)和環(huán)境。不同環(huán)境下，對粘著力有影響的相互作用和因素有所不同，各相互作用和因素之間相互耦合決定了最終的粘著力。 （3）為了研究溫度對粘著的影響，實驗采用的接觸幾何是平面與粗糙表面的接觸。實驗分別在潮濕的空氣中和高純干燥氮氣中進行。樣品溫度從30°C變化到200°C。結(jié)果表明，200°C以內(nèi)的溫度對探針微懸臂的法向彈性系數(shù)的影響基本可以忽略。在這個溫度范圍內(nèi)，每一溫度下的粘著力分布都是正態(tài)的。在高純干燥氮氣中，粘著力隨著溫度的升高而持續(xù)下降。但在潮濕的空氣環(huán)境下，隨溫度的升高，粘著力先增大，在約100°C時達到最大值，接著開始下降。在下降的過程中，開始較為緩慢，在150°C附近，粘著力急劇下降，并在高溫區(qū)保持較平穩(wěn)的狀態(tài)。 （4）在潮濕的空氣中和高純干燥氮氣中，我們研究了尖探針、平頭探針和小球探針與周期性絕緣表面接觸時的粘著行為。結(jié)果表明：粘著行為極大地依賴于接觸幾何、表面形貌和環(huán)境，并且這三個因素是共同作用來決定最終的粘著力的。在同一點的多次測量中，多峰接觸時的粘著力都出現(xiàn)了分層的現(xiàn)象。在手套箱中不除靜電的情況下和在空氣中，粘著力在各層逐漸增加，并有層間跳躍的現(xiàn)象。粘著力的增加起因于靜電荷的積累和毛細彎月面半徑的增大。靜電荷只有在接觸-分離之后才增加，并且具有累加效應(yīng)，當達到飽和后，粘著力將表現(xiàn)得平穩(wěn)。在手套箱中除靜電的情況下，粘著力各層的變化不大。在利用小球探針時，我們還發(fā)現(xiàn)粘著來源的不同會導致同一點粘著力在區(qū)間段上的波動情況不同。具體情況是：有靜電時，波動較小；去靜電時，波動最大；空氣中，波動最小。 （5）在空氣中和高純干燥氮氣中，基于不同的接觸幾何，我們研究了摻雜金屬的類金剛石(DLC)膜的減粘效應(yīng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在不同的接觸幾何和環(huán)境下，DLC膜都可以有效地減小粘著力和磨損。粘著力的減小原因是表面能的降低和DLC膜對水的接觸角的增大。粘著力的減小幅度與接觸幾何、DLC膜的粗糙度、與DLC膜配對的材料特性和所處的環(huán)境都密切相關(guān)。并且，這些因素是共同作用來決定最后的粘著力減小幅度的。
[Abstract]:With the rapid development of micro - nano - devices and instruments , the adhesion of micro - nano - scale becomes more and more important .

( 1 ) The precise contact geometry is critical to the quantification of adhesion . For this purpose , a single - peak contact sticking model is established . The contact area and adhesion force of each point on the surface are obtained by means of differential geometric surface theory on the basis of rough peaks and stochastic surface smoothness assumptions . The contact area and adhesion force of each point on the surface are solved by numerical method at the first - order approximation of the current point of the curved surface .

( 2 ) In order to study the adhesion between the two planes and avoid the wear of the needle tip , a flat probe with a diameter of about 1.7 渭m is used in the experiment . The experimental results show that the real contact area is only a very small part of the apparent contact area . The experimental results show that the real contact area is only a small part of the apparent contact area . The stability and repeatability of the adhesion force can not be predicted by the atomic force microscope .

( 3 ) In order to study the influence of temperature on adhesion , the contact geometry used in the experiment was carried out in wet air and high - purity dry nitrogen . The experimental results show that the influence of temperature within 200 擄 C varies from 30 擄 C to 200 擄 C .

( 4 ) In humid air and high - purity dry nitrogen , we studied the adhesion behavior of tip probe , flat probe and ball probe in contact with periodic insulating surface . The results show that adhesion behavior is dependent on contact geometry , surface topography and environment .
When de - static , the fluctuation is greatest ;
In the air , the fluctuation is minimal .

( 5 ) In air and high - purity dry nitrogen , based on different contact geometry , we studied the thinning effect of DLC films doped with metal . The results show that DLC films can effectively reduce the adhesion and wear under different contact geometry and environment . The reduction of adhesion is related to the reduction of surface energy and the contact angle between DLC films .

【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TH-39

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前5條

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本文編號：1880827