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夹层氧化石墨烯/二元离子液体夹层复合润滑膜的制备及摩擦学性能研究

夹层氧化石墨烯；二元离子液体；复合润滑膜；减摩性能；耐磨性能

单晶硅（Si）是微机电系统（MEMS）中具有代表性的的结构材料，但其较大的黏着和微观摩擦力严重制约着MEMS的发展，为了解决这一关键问题，对Si表面进行减黏、减摩和抗磨改性处理是一种重要手段。本文在Si表面设计并制备了夹层氧化石墨烯（GO）和二元离子液体（ILs）的复合润滑膜。该薄膜是以N-氨乙基-3-氨丙基三甲氧基硅烷（DA）为基底连接层；以氧化石墨烯（GO）为中间加强层；以1-羧乙基-3-甲基咪唑氯盐（[CMIM]Cl）和1-十二烷基-3-甲基咪唑鎓六氟磷酸盐（[DMIM]PF₆）所组成的二元离子液体为剪切润滑层的复合薄膜体系。随后借助多种表征手段对润滑薄膜体系结构及摩擦特性进行研究，采用AFM对各薄膜的微观摩擦学性能进行考察，借助UMT-2型微摩擦磨损试验机研究边界润滑条件下，往复行程为5mm，频率为0.5Hz，载荷分别为100mN、200mN和400mN条件下的宏观摩擦学性能。结果表明：与Si基底和GO膜相比，复合润滑薄膜的减摩和耐磨性能显著提高。具体而言，在微观尺度上，探针与表面间的黏着力和摩擦系数都降低到GO膜表面的一半；在宏观尺度上，复合润滑薄膜摩擦系数相较于GO薄膜降低了43％，尤其在400 mN的载荷下，耐磨寿命为41分钟，是同等实验条件下GO薄膜耐磨时间的22倍以上。鉴于在微观和宏观尺度上的低黏附性和优异的承载和抗磨性能，夹层氧化石墨烯/二元离子液体润滑薄膜可望在微机电系统表/界面改性中得到广泛应用。