微纳尺度织构化表面的粘着和摩擦学行为研究

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1、囤密级中国科学院大学UniversityofChineseAcademyofSciences博士学位论文微』绁屋廑堡翅丝麦面艘整羞塑壁攮堂行放研宣作者姓名：张晓蜀指导教师：豆塑红班宜县生国整堂院兰±}

2、业兰毖理班究压学位类别：王堂簋±学科专业：挝墨瞠培养单位：主国型堂院兰划业堂物垄班究匮2013年4月SurfacesatMicro／nanoScal—e—ByXiaoliangZhangADissertationSubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciences

3、InpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofEngineeringinMaterialogyLanzhouInstituteofChemicalPhysics，ChineseAcademyofSciencesApril，2013㈣0籼3¨¨¨¨¨●__．●帅0洲舢7I洲3㈣2呲丫致谢【II本论文是在导师贾均红研究员的精心指导下完成的。从论文的选题、开题、实验设计、写作到最后定稿的各个环节，无不倾注了导师的大量心血。衷心感谢导师在工作

4、、学习和生活等各方面给予的帮助、指导、建议和批评。几年来，恩师不仅以他富于创新的学术思想、渊博的学识、严谨的治学态度、睿智的思维令我受益匪浅，其为人师表、诲人不倦的长者风范以及对科学的求真务实、不懈探索和刻苦奉献的精神也将使我受益终身，成为我一生受之不尽的宝贵财富。恩师不仅教会我如何做学问，而且还言传身教教育我如何做人。师恩似海，永世不忘!谨此向恩师致以最诚挚的谢意和最崇高的敬意!感谢固体润滑国家重点实验室为我提供了良好、宽松的学习环境和优越的实验条件。感谢易戈文副研究员、王文珍副研究员在我论文完成过程

5、中所给予的指导、建议和帮助。感谢实验室赵家政、戴雅璇、李贵毓、王博、严洁、寇冠涛、刘建喜、曲文俊等老师在样品分析测试等工作方面给予的帮助和支持。感谢实验室卢永娟、刘二勇、尹建波、刘峰、陕钰、汪建义、辛成来、孟旭、钟小华、丁勇、姚向民、王爱芳、王休、孔纹等对我工作、学习和生活的热心帮助与支持，大家精诚协作，互相帮助，为我五年的学习生活创造了良好的生活环境和学习氛围。我们一起度过的充实快乐的时光将使我终生难忘，谢谢你们!感谢2008级硕士班、2011级博士班的全体同学，愿友谊地久天长!感谢研究生处各位老师在

6、学习、生活等各方面给予的关心和帮助。感谢长期以来关心、支持和照顾我的家人、亲戚和朋友。特别感谢父母多米年含辛茹苦的养育之恩和殷切期望。在人生的道路上，是你们一直在背后默默地支持我，你们的爱催我奋进，伴我前行，谢谢你们!本论文的研究工作得到了国家自然科学基金青年基金(50705094)的资助，在此表示感谢。感谢在百忙之中为本论文审阅和答辩的各位老师!张晓亮2013年4月兰州II张晓亮博士论文：蜘纳尺度织构化表面的粘着和摩擦学行为研究摘要III采用自组装、旋涂和复制模塑等方法，制备了不同结构特征的微／纳织构

7、化表面，利用原子力显微镜(AFM)和胶粒探针显微镜研究了表面织构化对其粘着和摩擦行为的影响，系统地研究了表面织构尺寸大小、织构高度、织构密度、织构间距，表面粗糙度、表面润湿性，试验载荷、滑动速率，接触对偶(胶粒探针)尺寸等因素对织构化表面粘着和摩擦行为的影响，探讨了多峰接触表面的接触模型及粘着和摩擦机制，主要结论如下：1．利用自组装法制备了织构密度可控、织构大小～致的两种粒径的纳米颗粒织构化表面。采用AFM探针时，纳米颗粒织构化表面的粘着力主要与针尖和织构化表面之间的有效接触面积(纳米颗粒表面覆盖率)相

8、关，其表面粘着力随着纳米颗粒表面覆盖率的增加而降低。摩擦力除了受有效接触面积的影响外，还受AFM探针和纳米颗粒之间“碰撞效应”的影响。采用胶粒探针时，发现胶粒探针更容易在织构化表面形成多峰接触模式，可有效降低接触面积，从而可以有效降低表面粘着力和摩擦力；当纳米颗粒堆积密度非常高时，会使胶粒探针的接触点数量增多，接触面积增大，从而增加粘着力和摩擦力。2．利用旋涂法制备了排列紧密规整的微球织构化表面，并通过自组装技术在织构化表面组装单分子疏水层制备得到表面疏水的微球织构化表面，采用胶粒探针研究了表面润湿性、

9、表面粗糙度、试验载荷等对其粘着和摩擦行为的影响。相比于平面样品，微球织构化可有效减少表面接触面积而降低粘着力和摩擦力。在织构化表面引入疏水层后能有效减少毛细管作用力，而进一步降低粘着力和摩擦力。相比于表面疏水改性，表面微球织构化能更有效的降低表面粘着力；而表面疏水改性比微球织构化能更有效的降低相对摩擦系数。3．采用复制模塑法制备了结构规整的微柱／微孔织构化表面，通过微柱／微孔织构化显著降低了表面的接触面积，从而有效降低了表面的粘着力，且粘着