稀土釤自組裝潤滑薄膜的摩擦特性研究

葉 濱，杜祖亮，張平余

1.西南科技大學(xué)國防科技學(xué)院，四川 綿陽 621010

2.河南大學(xué)特種功能材料重點實驗室， 河南 開封 475001

自組裝膜是改善控制微機械構(gòu)件微摩擦性能的有效途徑[1]。自組裝制備薄膜技術(shù)不受基底材料和形狀的影響，適合于大面積組裝，是一種簡單制備納米潤滑薄膜的有效方法。稀土原子因其獨特的電子結(jié)構(gòu)而具有一些獨特的物理化學(xué)性能[2]，在表面工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，引起了國內(nèi)外學(xué)者對其各種物理化學(xué)性能研究的關(guān)注[3]。我們結(jié)合該技術(shù)制備的均勻有序的納米超薄膜有望在需要精確控制潤滑膜厚度或高速潤滑的場合得到應(yīng)用。本文以自組裝法制備的稀土釤（Sm）自組裝潤滑薄膜具有顯著的減摩耐磨特性，其在高速情況下超低的摩擦系數(shù)甚為少見。在磁盤、微電子機械系統(tǒng)潤滑及硅器件保護(hù)方面具有潛在的應(yīng)用前景。

1 實驗

1.1 自組裝薄膜的制備

采用單晶硅片（111）作為基底，使用前在Piranha溶液（98 %H2SO4與30%H2O2的7∶3(體積比)混合液)于80℃浸漬處理30分鐘（即對硅基地進(jìn)行表面羥基化處理），用三次水充分洗滌，氮氣吹干。將Sm(NO3)3·6H2O(99.5%；分子量：444.47)溶解于適量乙醇中，然后將羥基化處理過的硅片放入該溶液，待4小時后取出，從而得到稀土釤自組裝潤滑薄膜。其成膜機理見參考文獻(xiàn)[4]。在組裝后的樣品表面測得的去離子水的接觸角為75°±2°，而未處理前基片表面去離子水的接觸角小于為5°±2°。 表面接觸角測量的結(jié)果顯示，基片表面處理前后樣品表面的接觸角發(fā)生了很大變化，經(jīng)處理，表面接觸角從強的親水性到疏水性表明基底表面有膜生成。同時，稀土處理后的樣品在不同位置所測接觸角的基本一致也說明了所成膜比較均勻一致。

2 結(jié)果與分析

2.1 薄膜的形貌分析和結(jié)構(gòu)表征

用日本精工(Seiko)公司SPA-400型原子力顯微鏡（AFM）對薄膜表面形貌進(jìn)行觀察，為盡量減少對薄膜表面形貌的損傷，測量過程中采用輕敲模式（DFM），針尖材料為硅，繞向彈性系數(shù)為17.5N·m-1。從薄膜的原子力顯微鏡形貌上（圖 1）可以看出，薄膜由稀土元素與羥基生成的配合物小顆粒組成，相當(dāng)致密均勻。采用AXIS ULTRA型X射線光電子能譜儀(XPS)對薄膜的化學(xué)組成和狀態(tài)進(jìn)行表征，以Al Kα為激發(fā)源，通過能量為40eV，結(jié)合能測量精度為±0.3eV。從薄膜XPS全譜圖和中均可以看出薄膜中含有大量的稀土元素釤，而且從Sm元素的圖譜圖中可以得知薄膜中元素Sm的價態(tài)位于0價和+3價之間，說明該稀土元素與羥基生成了配合物，與成膜機理一致。

圖1 自組裝膜的原子力顯微形貌

2.2 摩擦特性研究

本文采用摩擦磨損試驗機（UMT-2）該稀土釤自組裝潤滑薄膜進(jìn)行摩擦特性考察。負(fù)荷分別為0.5N，1N，2N，3N和4N，室溫25℃，相對濕度40%～50%。以摩擦系數(shù)迅速增大時薄膜所經(jīng)歷的滑動時間表示薄膜的耐磨壽命。對偶件選用直徑4mm的440C不銹鋼球。使用前用丙酮浸泡超聲清洗5分鐘。為便于比較，我們首先對經(jīng)過羥基化處理的Si（111）基片的摩擦磨損性能進(jìn)行考察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在0.5 N的較低載荷下經(jīng)幾次滑動后摩擦系數(shù)即迅速增大，達(dá)到0.5～0.6。

在摩擦特性考察中發(fā)現(xiàn)，這種稀土自組裝膜在低載荷下的抗磨壽命極長（圖 2），在0.5N的壓力下，薄膜的壽命可達(dá)10萬次以上。隨著載荷的增大薄膜的抗磨壽命逐漸降低。在載荷增大為3N時，抗磨壽命只有30390次，而在4N載荷時薄膜幾乎沒有抗磨壽命。

另外，我們還研究分析了薄膜摩擦系數(shù)與法向載荷及滑動速度的關(guān)系。從圖3、4可以看出，摩擦系數(shù)隨載荷的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，因為在小載荷條件下穩(wěn)定的剪切層的形成需要較長的時間，而大載荷產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，產(chǎn)生較多磨粒，所以在中間載荷條件下薄膜表現(xiàn)出小而穩(wěn)定的摩擦系數(shù)。摩擦系數(shù)隨滑動速度的變化不明顯，只是在極低的滑動速度下表現(xiàn)出較大的摩擦系數(shù)，因為在低的滑動速度下穩(wěn)定剪切潤滑膜的形成需要更長的時間。

圖2 Sm薄膜耐磨壽命與法向載荷的關(guān)系

圖3 Sm薄膜摩擦系數(shù)與載荷的關(guān)系曲線

圖4 Sm薄膜摩擦系數(shù)與滑動速度的關(guān)系曲線（載荷：0.5N）

3 結(jié)論

本文利用自組裝技術(shù)在親水基單晶硅表面成功制備了致密的稀土釤（Sm）自組裝潤滑薄膜，并進(jìn)行了摩擦磨損試驗。研究結(jié)果表明，利用該方法制備的稀土釤薄膜具有良好的摩擦學(xué)特性，不但具有低的摩擦系數(shù)，同時也顯示出了很好的耐磨性及摩擦穩(wěn)定性。雖然對其減摩耐磨機理的研究還有待于進(jìn)一步深入，但由摩擦實驗結(jié)果可知，該薄膜適于在低載荷、高滑動速度下作為減摩抗磨保護(hù)涂層，是一種很有應(yīng)用前途的微機構(gòu)表面改性潤滑膜.

[1]Stephen M,Su H.Nano-lubrication:Concept anddesign[J].Tribology International,2004,37(7)：537-545.

[2]陳海剛,烏學(xué)東,虞勤琴,等.分子自組裝膜的結(jié)構(gòu)、形成機理和表面化學(xué)反應(yīng)[J].化學(xué)通報,2002,65:1-8.

[3]Xue Qunji, Lian Yafeng,Yu Laigui.The antiwear and extreme pressure properties of some oil-water double soluble rare earth complexes part1:their tribological behavior in water[J].Wear ,1996(196):188.

[4]Yu Laigui,Nie Mingde,Lian Yafeng.The tribological behaviour and application of rare earth lubricants[J].Wear,1996(197):206.