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.西南科技大學國防科技學院，四川 綿陽 621010

2.河南大學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件微摩擦性能的有效途徑[1]。自組裝制備薄膜技術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構而具有一些獨特的物理化學性能[2]，在表面工程領域有著廣泛的應用，引起了國內外學者對其各種物理化學性能研究的關注[3]。我們結合該技術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甚為少見。在磁盤、微電子機械系統潤滑及硅器件保護方面具有潛在的應用前景。

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[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果顯示，基片表面處理前后樣品表面的接觸角發生了很大變化，經處理，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 結果與分析

2.1 薄膜的形貌分析和結構表征

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)對薄膜的化學組成和狀態進行表征，以Al Kα為激發源，通過能量為40eV，結合能測量精度為±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行摩擦特性考察。負荷分別為0.5N，1N，2N，3N和4N，室溫25℃，相對濕度40%～50%。以摩擦系數迅速增大時薄膜所經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，我們首先對經過羥基化處理的Si（111）基片的摩擦磨損性能進行考察，結果發現，在0.5 N的較低載荷下經幾次滑動后摩擦系數即迅速增大，達到0.5～0.6。

在摩擦特性考察中發現，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與法向載荷及滑動速度的關系。從圖3、4可以看出，摩擦系數隨載荷的增加呈現先減小后增大的趨勢，因為在小載荷條件下穩定的剪切層的形成需要較長的時間，而大載荷產生較大的內應力，產生較多磨粒，所以在中間載荷條件下薄膜表現出小而穩定的摩擦系數。摩擦系數隨滑動速度的變化不明顯，只是在極低的滑動速度下表現出較大的摩擦系數，因為在低的滑動速度下穩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系

圖3 Sm薄膜摩擦系數與載荷的關系曲線

圖4 Sm薄膜摩擦系數與滑動速度的關系曲線（載荷：0.5N）

3 結論

本文利用自組裝技術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，并進行了摩擦磨損試驗。研究結果表明，利用該方法制備的稀土釤薄膜具有良好的摩擦學特性，不但具有低的摩擦系數，同時也顯示出了很好的耐磨性及摩擦穩定性。雖然對其減摩耐磨機理的研究還有待于進一步深入，但由摩擦實驗結果可知，該薄膜適于在低載荷、高滑動速度下作為減摩抗磨保護涂層，是一種很有應用前途的微機構表面改性潤滑膜.

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

[2]陳海剛,烏學東,虞勤琴,等.分子自組裝膜的結構、形成機理和表面化學反應[J].化學通報,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.