稀土钐自组装润滑薄膜的摩擦特性研究

叶 滨，杜祖亮，张平余

1.西南科技大学国防科技学院，四川 绵阳 621010

2.河南大学特种功能材料重点实验室， 河南 开封 475001

自组装膜是改善控制微机械构件微摩擦性能的有效途径[1]。自组装制备薄膜技术不受基底材料和形状的影响，适合于大面积组装，是一种简单制备纳米润滑薄膜的有效方法。稀土原子因其独特的电子结构而具有一些独特的物理化学性能[2]，在表面工程领域有着广泛的应用，引起了国内外学者对其各种物理化学性能研究的关注[3]。我们结合该技术制备的均匀有序的纳米超薄膜有望在需要精确控制润滑膜厚度或高速润滑的场合得到应用。本文以自组装法制备的稀土钐（Sm）自组装润滑薄膜具有显著的减摩耐磨特性，其在高速情况下超低的摩擦系数甚为少见。在磁盘、微电子机械系统润滑及硅器件保护方面具有潜在的应用前景。

1 实验

1.1 自组装薄膜的制备

采用单晶硅片（111）作为基底，使用前在Piranha溶液（98 %H2SO4与30%H2O2的7∶3(体积比)混合液)于80℃浸渍处理30分钟（即对硅基地进行表面羟基化处理），用三次水充分洗涤，氮气吹干。将Sm(NO3)3·6H2O(99.5%；分子量：444.47)溶解于适量乙醇中，然后将羟基化处理过的硅片放入该溶液，待4小时后取出，从而得到稀土钐自组装润滑薄膜。其成膜机理见参考文献[4]。在组装后的样品表面测得的去离子水的接触角为75°±2°，而未处理前基片表面去离子水的接触角小于为5°±2°。 表面接触角测量的结果显示，基片表面处理前后样品表面的接触角发生了很大变化，经处理，表面接触角从强的亲水性到疏水性表明基底表面有膜生成。同时，稀土处理后的样品在不同位置所测接触角的基本一致也说明了所成膜比较均匀一致。

2 结果与分析

2.1 薄膜的形貌分析和结构表征

用日本精工(Seiko)公司SPA-400型原子力显微镜（AFM）对薄膜表面形貌进行观察，为尽量减少对薄膜表面形貌的损伤，测量过程中采用轻敲模式（DFM），针尖材料为硅，绕向弹性系数为17.5N·m-1。从薄膜的原子力显微镜形貌上（图 1）可以看出，薄膜由稀土元素与羟基生成的配合物小颗粒组成，相当致密均匀。采用AXIS ULTRA型X射线光电子能谱仪(XPS)对薄膜的化学组成和状态进行表征，以Al Kα为激发源，通过能量为40eV，结合能测量精度为±0.3eV。从薄膜XPS全谱图和中均可以看出薄膜中含有大量的稀土元素钐，而且从Sm元素的图谱图中可以得知薄膜中元素Sm的价态位于0价和+3价之间，说明该稀土元素与羟基生成了配合物，与成膜机理一致。

图1 自组装膜的原子力显微形貌

2.2 摩擦特性研究

本文采用摩擦磨损试验机（UMT-2）该稀土钐自组装润滑薄膜进行摩擦特性考察。负荷分别为0.5N，1N，2N，3N和4N，室温25℃，相对湿度40%～50%。以摩擦系数迅速增大时薄膜所经历的滑动时间表示薄膜的耐磨寿命。对偶件选用直径4mm的440C不锈钢球。使用前用丙酮浸泡超声清洗5分钟。为便于比较，我们首先对经过羟基化处理的Si（111）基片的摩擦磨损性能进行考察，结果发现，在0.5 N的较低载荷下经几次滑动后摩擦系数即迅速增大，达到0.5～0.6。

在摩擦特性考察中发现，这种稀土自组装膜在低载荷下的抗磨寿命极长（图 2），在0.5N的压力下，薄膜的寿命可达10万次以上。随着载荷的增大薄膜的抗磨寿命逐渐降低。在载荷增大为3N时，抗磨寿命只有30390次，而在4N载荷时薄膜几乎没有抗磨寿命。

另外，我们还研究分析了薄膜摩擦系数与法向载荷及滑动速度的关系。从图3、4可以看出，摩擦系数随载荷的增加呈现先减小后增大的趋势，因为在小载荷条件下稳定的剪切层的形成需要较长的时间，而大载荷产生较大的内应力，产生较多磨粒，所以在中间载荷条件下薄膜表现出小而稳定的摩擦系数。摩擦系数随滑动速度的变化不明显，只是在极低的滑动速度下表现出较大的摩擦系数，因为在低的滑动速度下稳定剪切润滑膜的形成需要更长的时间。

图2 Sm薄膜耐磨寿命与法向载荷的关系

图3 Sm薄膜摩擦系数与载荷的关系曲线

图4 Sm薄膜摩擦系数与滑动速度的关系曲线（载荷：0.5N）

3 结论

本文利用自组装技术在亲水基单晶硅表面成功制备了致密的稀土钐（Sm）自组装润滑薄膜，并进行了摩擦磨损试验。研究结果表明，利用该方法制备的稀土钐薄膜具有良好的摩擦学特性，不但具有低的摩擦系数，同时也显示出了很好的耐磨性及摩擦稳定性。虽然对其减摩耐磨机理的研究还有待于进一步深入，但由摩擦实验结果可知，该薄膜适于在低载荷、高滑动速度下作为减摩抗磨保护涂层，是一种很有应用前途的微机构表面改性润滑膜.

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

[2]陈海刚,乌学东,虞勤琴,等.分子自组装膜的结构、形成机理和表面化学反应[J].化学通报,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.