CN105036056B - 一种以单晶硅为基底具有减摩抗磨和超疏水性能的材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种以单晶硅为基底具有减摩抗磨和超疏水性能的材料及其制备方法。在单晶硅的微织构化表面上依次涂有N‑3‑(三甲氧基硅烷基)丙基乙烯基二胺(DA)分子膜层、月桂酰氯(LA)分子膜层和烷基咪唑磷酸盐或者烷基咪唑氯化物离子液体(ILs)薄膜层。本发明将ICP技术、SAM技术和旋涂制膜技术相结合，不仅制备工艺简单，而且制备时间短、大大提高了效率，制得的以单晶硅为基底具有减摩抗磨和超疏水性能的材料将微织构、多层自组装复合膜与离子液体薄膜结合起来，协同诱导表面表现出稳定的超疏水性能，同时大大增强了单晶硅表面的摩擦学性能，使得黏着力和摩擦系数大幅降低，耐磨性能显著提高，在微机电系统等领域有潜在的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种单晶硅表面改性技术。
背景技术
液体对固体表面的润湿是常见的界面现象，润湿性能是固体表面基本特性之一。固体表面润湿和吸附作用会改变表面物理和化学特性，对表面黏附等力学行为以及摩擦学性能存在较大影响，而微/纳米界面间的黏着效应是增大摩擦力导致器件失效的主要原因，因此具有抗湿、低黏着性能的超疏水表面对减小微观表面黏着效应、提高其抗磨减摩性能具有重要意义。人工制备超疏水性减摩抗磨薄膜时通常可由两种途径来实现：一是利用疏水材料构建微观粗糙结构；二是在粗糙表面上修饰低表面能物质。
表面织构，即在表面加工制备出具有一定尺寸和排列的凹坑、凹痕、凸包或微小沟槽等图案阵列，并在至少一维方向上生成纳米级或者微米级的规则表面结构。织构化可以改变摩擦副接触状态，贮存润滑剂，降低粘着力提高承载力，有效改善表面疏水性能和摩擦磨损性能。因此设计合适的表面几何结构对提高摩擦副表面摩擦学性能和润滑效果具有较大的工程价值，对节约能源、保护环境有着重要的意义。感应耦合等离子体刻蚀技术(ICP)是一种新型的织构化技术，具有刻速快、选择比高、各向异性高、刻蚀损伤小、大面积均匀性好、刻蚀断面轮廓可控性高和刻蚀表面平整光滑等优点，在现代制造业，尤其是微机电系统制造中发挥着不可替代的作用。
分子自组装膜技术(SAM)是利用固体表面在稀溶液中吸附活性物质而形成的有序分子组织，其基本原理是通过固-液界面间的静电吸附或化学吸附，在基片上形成二维有序单层膜。自组装复合膜是指利用化学键或物理作用将分子、纳米粒子等逐层连接到自组装单层膜上形成的复合膜。近年来的研究表明，采用分子自组装技术在单晶硅表面制备表面能低、摩擦系数低、耐磨性好、厚度在微纳米量级的自组装复合膜，可以有效改善硅基表面的疏 水性能和摩擦磨损性能。
离子液体是指在室温或室温附近呈液态的、完全由正负离子构成的熔盐体系，一般是由特定的、体积相对较大的有机阳离子和体积相对较小的无机或有机阴离子通过库仑力结合构成，具有良好的高温稳定性、低挥发性和低温流动性。这些特点使其有望应用于航空航天及空间机械等苛刻环境下的特殊润滑。另外，具有优异摩擦学性能的离子液体在固体表面较高的吸附能力使其成为一种兼有液体与固体特性的“固体”液体，因此离子液体纳米膜能够进一步改善超疏水表面的摩擦学性能，使其的应用范围更为广泛。
现有技术制备减摩抗磨疏水表面的方法中，有一种利用两步法将N-3-(三甲氧基硅烷基)丙基乙烯基二胺、硬脂酰氯通过表面偶联反应依次接枝到硅表面上制备自组装双层膜，该膜提高了承载耐磨能力，但疏水性能不明显，缺乏足够的流动性来减小摩擦；用40％NH4F对硅表面进行处理形成化学织构，然后用十八烷基三氯硅烷进行自组装以制备功能表面，该方法简单但化学织构尺寸特征不可控，单层自组装膜的承载能力、疏水性能和减摩抗磨性能都相对有限；通过磁控溅射气相沉积技术，在织构化的硅片表面获得织构化类金刚石薄膜，然后组装一层离子液体膜得到复合功能表面，该功能表面承载能力高，各方面性能优异，但类金刚石硬质薄膜制备仪器昂贵工艺复杂，应用范围有限。
发明内容
本发明的目的是提供一种以单晶硅为基底具有减摩抗磨和超疏水性能的材料及其制备方法。
本发明的技术方案是：
一种以单晶硅为基底具有减摩抗磨和超疏水性能的材料，在单晶硅的微织构化表面上依次涂有N-3-(三甲氧基硅烷基)丙基乙烯基二胺(DA)分子膜层、月桂酰氯(LA)分子膜层和烷基咪唑磷酸盐或者烷基咪唑氯化物离子液体(ILs)薄膜层。
所述单晶硅的微织构化表面的形貌为方柱阵列形、圆柱阵列形、平行沟槽形中的一种或一种以上的组合。
所述的方柱阵列形中的方柱边长为1～10μm，高度为5～20μm，相邻方柱 的间距为1～20μm。
所述的圆柱阵列形中圆柱的直径为1～10μm，高度为5～20μm，相邻圆柱的间距为1～20μm。
所述的平行沟槽形沟槽的宽度为1～10μm，深度为5～20μm，相邻沟槽的间距为1～20μm。
一种以单晶硅为基底具有减摩抗磨和超疏水性能的材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)采用感应耦合等离子体刻蚀技术在单晶硅片表面上刻蚀，得到微织构化单晶硅片；
(2)将微织构化单晶硅片依次用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗，然后用氮气吹干，置入由98wt％H2SO4和30wt％H2O2以体积比为7∶3新鲜配置的食人鱼(Piranha)溶液中，保持90℃～95℃反应30min～40min，用去离子水反复冲洗，氮气吹干，得到表面羟基化的微织构化单晶硅片；
(3)配制N-3-(三甲氧基硅烷基)丙基乙烯基二胺(DA)的丙酮溶液，然后将表面羟基化的微织构化单晶硅片浸没到DA的丙酮溶液中，1h～2h后取出，依次在丙酮、环己烷中分别超声清洗1min～3min，用氮气吹干，得到表面覆盖DA分子膜的微织构化单晶硅片；
(4)配制月桂酰氯(LA)的环已烷溶液，将表面覆盖DA分子膜的微织构化单晶硅片浸没到LA的环己烷溶液中，室温下静置20h～28h，取出后依次在丙酮、乙醇中分别超声洗涤1min～3min，再用去离子水反复冲洗，氮气吹干，得到表面覆盖DA-LA双层复合分子膜的微织构化单晶硅片；
(5)配制离子液体(ILs)溶液，用匀胶机在表面覆盖DA-LA双层复合分子膜的微织构化单晶硅片上旋涂离子液体，旋涂转速为2500～3500r/min，得到微织构化表面覆盖DA-LA-ILs三层复合薄膜的单晶硅片，即为一种以单晶硅为基底具有减摩抗磨和超疏水性能的材料。
所述DA的丙酮溶液的组份配比为：DA与丙酮溶液按体积比1∶2000～1∶500混合，所述丙酮溶液中丙酮与水的体积比为10∶1。
所述LA的环己烷溶液的组份配比为：LA与环己烷按体积比1∶20～1∶10混合，所述环己烷溶液中含体积分数为5×10-4的三乙胺。
所述离子液体溶液的组份配比为，烷基咪唑磷酸盐或者烷基咪唑氯化物0.2～2.5wt％，丙酮97.5～99.7wt％。
本发明具有如下的技术效果，本发明将ICP技术、SAM技术和旋涂制膜技术相结合，不仅制备工艺简单，而且制备时间短，大大提高了效率，制得的以单晶硅为基底具有减摩抗磨和超疏水性能的材料将微织构、多层自组装复合膜与离子液体薄膜结合起来，协同诱导表面表现出稳定的超疏水性能，同时大大增强了单晶硅表面的摩擦学性能，使得黏着力和摩擦系数大幅降低，耐磨性能显著提高，在微机电系统等领域有潜在的应用价值。
附图说明
图1是本发明方柱阵列形微织构化单晶硅片的三维视图。图中，1、单晶硅片；2、方柱阵列形微织构。
图2是本发明圆柱阵列形微织构化单晶硅片的三维视图。图中，1、单晶硅片；2、圆柱阵列形微织构。
图3是本发明平行沟槽形微织构化单晶硅片的三维视图。图中，1、单晶硅片；2、平行沟槽形微织构。
图4是本发明以平行沟槽形微织构化的单晶硅为基底具有减摩抗磨和超疏水性能的材料三维视图。图中，1、单晶硅片；2、平行沟槽形微织构；3、DA分子膜；4、LA分子膜；5、ILs离子液体薄膜。
图5是本发明制备方法的流程框图。
图6是本发明的以单晶硅为基底具有减摩抗磨和超疏水性能的材料形成的反应过程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，采用感应耦合等离子体刻蚀技术在单晶硅片1的表面刻蚀方柱阵列形微织构2。方柱阵列形中的方柱边长为1～10μm，高度为5～20μm，相邻方柱的间距为1～20μm。
如图2所示，采用感应耦合等离子体刻蚀技术在单晶硅片1的表面上刻蚀圆柱阵列形微织构2，圆柱阵列形中圆柱的直径为1～10μm，高度为5～20μm，相邻圆柱的间距为1～20μm。
如图3所示，采用感应耦合等离子体刻蚀技术在单晶硅片1的表面上刻蚀平行沟槽形微织构2，平行沟槽形沟槽的宽度为1～10μm，深度为5～20μm，相邻沟槽的间距为1～20μm。
如图4所示，以平行沟槽形微织构化的单晶硅为基底具有减摩抗磨和超疏水性能的材料，采用感应耦合等离子体刻蚀技术在单晶硅片1上刻蚀平行沟槽形微织构2，在平行沟槽形微织构2表面上依次涂有N-3-(三甲氧基硅烷基)丙基乙烯基二胺(DA)分子膜层3、月桂酰氯(LA)分子膜层4和离子液体(ILs)薄膜层5。
如图5、图6所示，一种以单晶硅为基底具有减摩抗磨和超疏水性能的材料的制备方法。
实施例1
以方柱阵列形微织构化的单晶硅为基底具有减摩抗磨和超疏水性能的材料的制备，依次按照以下步骤进行：
1、以单晶硅片作为基底材料，解离成10mm×10mm的独立样品。采用感应耦合等离子体刻蚀技术(ICP)，在单晶硅片上获得方柱形凸起状微织构化规则形貌，其尺寸特征为：方柱边长5μm、间距20μm、高度20μm。
2、分别在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗10min，用干燥氮气吹干。然后置入由98wt％H2SO4和30wt％H2O2以体积比为7∶3新鲜配置的食人鱼(Piranha)溶液中，保持90℃反应40min，用去离子水反复冲洗，氮气吹干，得到表面羟基化的微织构化单晶硅片；
3、配制DA的丙酮溶液，将20μL的DA溶于20mL丙酮与水的混合溶液中，丙酮与水混合比为10∶1(V/V)。然后将表面羟基化的微织构化单晶硅片浸没到上述DA的丙酮溶液中，1h后取出，依次在丙酮、环己烷中分别超声清洗1min～3min，用氮气吹干，得到表面覆盖DA分子膜的微织构化单晶硅片；
4、配制LA的环己烷溶液，取1mL用10mL的环己烷溶液(含有5μL三乙胺)稀释。将表面覆盖DA分子膜的微织构化单晶硅片浸没到LA的环己烷溶液中，室温下静置24h，取出后依次在丙酮、乙醇中分别超声洗涤1min，再用去离子水反复冲洗，氮气吹干，得到表面覆盖DA-LA双层复合分子膜的微织构化单晶硅片；
5、配制离子液体(ILs)溶液，将1-十二烷基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐离子液体溶于丙酮中配制成0.3％(W/V)离子液体。然后用匀胶机在表面覆盖DA-LA双层复合分子膜的微织构化单晶硅片上旋涂离子液体，旋涂转速为3000r/min，得到表面覆盖DA-LA-ILs三层复合薄膜的微织构化单晶硅片，即以方柱阵列形微织构化的单晶硅为基底具有减摩抗磨和超疏水性能的材料。实施例2
以圆柱阵列形微织构化的单晶硅为基底具有减摩抗磨和超疏水性能的材料的制备，依次按照以下步骤进行：
1、以单晶硅片作为基底材料，解离成10mm×10mm的独立样品。采用感应耦合等离子体刻蚀技术(ICP)，在单晶硅片上获得圆柱形微织构化规则形貌，其尺寸特征为：圆柱直径5μm，高度20μm间距20μm。
2、分别在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗10min，用干燥氮气吹干。然后置入由98wt％H2SO4和30wt％H2O2以体积比为7∶3新鲜配置的食人鱼(Piranha)溶液中，保持90℃反应40min，用去离子水反复冲洗，氮气吹干，得到表面羟基化的微织构化单晶硅片；
3、配制DA的丙酮溶液，将20μL的DA溶于20mL丙酮与水的混合溶液中，丙酮与水混合比为10∶1(V/V)。然后将表面羟基化的微织构化单晶硅片浸没到上述DA的丙酮溶液中，1h后取出，依次在丙酮、环己烷中分别超声清洗1min～3min，用氮气吹干，得到表面覆盖DA分子膜的微织构化单晶硅片；
4、配制LA的环己烷溶液，取1mL用10mL的环己烷溶液(含有5μL三乙胺)稀释。将表面覆盖DA分子膜的微织构化单晶硅片浸没到LA的环己烷溶液中，室温下静置24h，取出后依次在丙酮、乙醇中分别超声洗涤1min，再用去离子水反复冲洗，氮气吹干，得到表面覆盖DA-LA双层复合分子膜的微织构化单晶硅片；
5、配制离子液体(ILs)溶液，将1-十二烷基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐离子液体溶于丙酮中配制成0.3％(W/V)ILs离子液体。然后用匀胶机在微织构化表面覆盖DA-LA双层复合分子膜的单晶硅片上旋涂离子液体，旋涂转速为3000r/min，得到微织构化表面覆盖DA-LA-ILs三层复合薄膜的单晶硅片，即以圆柱阵列形微织构化的单晶硅为基底具有减摩抗磨和超疏水性能的材料。
实施例3
以平行沟槽形微织构化的单晶硅为基底具有减摩抗磨和超疏水性能的材料的制备，依次按照以下步骤进行：
1、以单晶硅片作为基底材料，解离成10mm×10mm的独立样品。采用感应耦合等离子体刻蚀技术(ICP)，在单晶硅片上获得平行沟槽状微织构化规则形貌，其尺寸特征为：沟槽宽度5μm、间距2μm、深度20μm。。
2、分别在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗10min，用干燥氮气吹干。然后置入由98wt％H2SO4和30wt％H2O2以体积比为7∶3新鲜配置的食人鱼(Piranha)溶液中，保持90℃反应40min，用去离子水反复冲洗，氮气吹干，得到表面羟基化的微织构化单晶硅片；
3、配制DA的丙酮溶液，将20μL的DA溶于20mL丙酮与水的混合溶液中，丙酮与水混合比为10∶1(V/V)。然后将表面羟基化的微织构化单晶硅片浸没到上述DA的丙酮溶液中，1h后取出，依次在丙酮、环己烷中分别超声清洗1min～3min，用氮气吹干，得到表面覆盖DA分子膜的微织构化单晶硅片；
4、配制LA的环己烷溶液，取1mL用10mL的环己烷溶液(含有5μL三乙胺)稀释。将表面覆盖DA分子膜的微织构化单晶硅片浸没到LA的环己烷溶液中，室温下静置24h，取出后依次在丙酮、乙醇中分别超声洗涤1min，再用去离子水反复冲洗，氮气吹干，得到表面覆盖DA-LA双层复合分子膜的微织构化单晶硅片；
5、配制离子液体(ILs)溶液，将1-十二烷基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐离子液体溶于丙酮中配制成0.2％(W/V)ILs离子液体。然后用匀胶机在表面覆盖DA-LA双层复合分子膜的微织构化单晶硅片上旋涂离子液体，旋涂转速为3000r/min，得到微织构化表面覆盖DA-LA-ILs三层复合薄膜的单晶硅片，即以平行沟槽形微织构化的单晶硅为基底具有减摩抗磨和超疏水性能的材料。
将上述三个实施例所制备的以单晶硅为基底具有减摩抗磨和超疏水性能的材料表面进行去离子水接触角测量，结果显示均大于150°，接触角滞后小于5°，表现出稳定的超疏水性能；利用球-盘往复式摩擦试验机考察了材料表面的摩擦磨损性能，结果显示载荷为300mN～500mN时，摩擦系数为0.07～0.2，且保持平稳滑动时间均超过3500s，表现出优异的减摩抗磨性能。
分析测试结果表明，相对于单晶硅表面、未覆盖复合薄膜的织构化表面和未织构化的复合薄膜表面，利用本发明得到的以单晶硅为基底具有减摩抗磨和超疏水性能的材料在微织构和复合有机薄膜协同诱导下极大的提高了表面的超疏水性能和摩擦学性能。
Claims (4)
1.一种以单晶硅为基底具有减摩抗磨和超疏水性能的材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)采用感应耦合等离子体刻蚀技术在单晶硅片表面上刻蚀，得到微织构化单晶硅片；
(2)将微织构化单晶硅片依次用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗，然后用氮气吹干，置入由98wt％H2SO4和30wt％H2O2以体积比为7∶3新鲜配置的食人鱼(Piranha)溶液中，保持90℃～95℃反应30min～40min，用去离子水反复冲洗，氮气吹干，得到表面羟基化的微织构化单晶硅片；
(3)配制N-3-(三甲氧基硅烷基)丙基乙烯基二胺(DA)的丙酮溶液，然后将表面羟基化的微织构化单晶硅片浸没到N-3-(三甲氧基硅烷基)丙基乙烯基二胺(DA)的丙酮溶液中，1h～2h后取出，依次在丙酮、环己烷中分别超声清洗1min～3min，用氮气吹干，得到表面覆盖N-3-(三甲氧基硅烷基)丙基乙烯基二胺(DA)分子膜的微织构化单晶硅片；
(4)配制月桂酰氯(LA)的环己烷溶液，将表面覆盖N-3-(三甲氧基硅烷基)丙基乙烯基二胺(DA)分子膜的微织构化单晶硅片浸没到月桂酰氯(LA)的环己烷溶液中，室温下静置20h～28h，取出后依次在丙酮、乙醇中分别超声洗涤1min～3min，再用去离子水反复冲洗，氮气吹干，得到表面覆盖N-3-(三甲氧基硅烷基)丙基乙烯基二胺(DA)-月桂酰氯(LA)双层复合分子膜的微织构化单晶硅片；
(5)配制离子液体(ILs)溶液，用匀胶机在表面覆盖N-3-(三甲氧基硅烷基)丙基乙烯基二胺(DA)-月桂酰氯(LA)双层复合分子膜的微织构化单晶硅片上旋涂离子液体，旋涂转速为2500～3500r/min，得到微织构化表面覆盖N-3-(三甲氧基硅烷基)丙基乙烯基二胺(DA)-月桂酰氯(LA)-离子液体(ILs)三层复合薄膜的单晶硅片，即为一种以单晶硅为基底具有减摩抗磨和超疏水性能的材料。
2.根据权利要求1所述的一种以单晶硅为基底具有减摩抗磨和超疏水性能的材料的制备方法，其特征在于：所述的N-3-(三甲氧基硅烷基)丙基乙烯基二胺(DA)的丙酮溶液的组份配比为：N-3-(三甲氧基硅烷基)丙基乙烯基二胺(DA)与丙酮溶液按体积比1∶2000～1∶500混合，所述丙酮溶液中丙酮与水的体积比为10∶1。
3.根据权利要求1所述的一种以单晶硅为基底具有减摩抗磨和超疏水性能的材料的制备方法，其特征在于：所述月桂酰氯(LA)的环己烷溶液的组份配比为：月桂酰氯(LA)与环己烷按体积比1∶20～1∶10混合，所述环己烷溶液中含体积分数为5×10-4的三乙胺。
4.根据权利要求1所述的一种以单晶硅为基底具有减摩抗磨和超疏水性能的材料的制备方法，其特征在于：所述离子液体(ILs)溶液的组份配比为，烷基咪唑磷酸盐或者烷基咪唑氯化物0.3～2.5wt％，丙酮97.5～99.7wt％。
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| CN1544690A (zh) * | 2003-11-27 | 2004-11-10 | 上海交通大学 | 单晶硅基片表面自组装稀土纳米膜的制备方法 |
| CN103192561A (zh) * | 2012-01-10 | 2013-07-10 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种微/纳织构化类金刚石-离子液体复合薄膜及其制备方法 |
| CN104327703A (zh) * | 2014-10-15 | 2015-02-04 | 山东天汇防水材料有限公司 | 具有抗磨损性能的复合超疏水涂层的制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| "硅基超疏水微界面材料湿润特性和摩擦学性能研究";刘思思;《中国博士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》;20140615(第6期);摘要部分，正文第4-5章 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105036056A (zh) | 2015-11-11 |
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