一種硅烷基二元摻雜離子液體潤滑薄膜及制備方法與流程

本發明屬于微/納潤滑薄膜的多元化和復合化設計領域，具體涉及一種硅烷基二元摻雜離子液體潤滑薄膜的制備方法。

背景技術：

隨著科學技術的發展，微/納機電系統（M/NEMS）技術逐漸成為航空航天、信息工業等多個領域的研究熱點。由于M/NEMS中尺度效應和比表面積較大，微表面間表面力比體積力對器件的正常工作和使用壽命有更為顯著的影響，微界面間的摩擦磨損成為導致器件失效的主要原因。因此具有優異減摩抗磨性能的潤滑薄膜對提高微器件表面的摩擦學性能、為M/NEMS提供有效的潤滑防護具有重要意義。

表面改性技術是指采用工藝手段使材料表面獲得與其基體材料的組織結構、性能不同的技術。材料經過表面改性處理后，既能發揮基體材料的力學性能，又能使材料表面獲得其他特殊性能。對單晶硅基底進行表面改性使其表面帶有特性官能團，這些特性官能團能夠與特定類型的分子發生鍵合反應，有利于改善后續薄膜的成膜性能、調控薄膜內部分子的狀態。

離子液體是由體積較大的有機陽離子和體積較小的無機陰離子構成的合成鹽。它具有良好的物理化學特性，如超低蒸氣壓、不燃性、高的熱穩定性和寬的液相范圍，因此離子液體成為了高性能MEMS潤滑膜材料的選擇對象，能夠大幅度降低滑動過程中的摩擦系數，并能顯示出優異的摩擦學性能。而現有研究的離子液體潤滑薄膜都是以單離子液體參與制備，與基底結合力較弱，薄膜強度不足；而以多元離子液體摻雜制備成同時具有鍵合和非鍵合狀態分子的薄膜目前尚未見報道，它具有比單離子液體制備的薄膜更佳的減摩抗磨性能，更能保證機械裝置運行的穩定性和耐久性。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種硅烷基二元摻雜離子液體潤滑薄膜及制備方法。

本發明的技術方案是：

一種硅烷基二元摻雜離子液體潤滑薄膜，其特征在于：以經二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷改性的單晶硅為基底，在其上覆蓋了包含1-羧乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽離子液體與1-癸基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽離子液體的二元摻雜離子液體潤滑薄膜；

所述的1-羧乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽離子液體，易與經硅烷改性基底表面的氨基官能團發生鍵合反應，形成固定的鍵合態分子，在潤滑薄膜體系中起到支撐結構、提高有序性的作用；

所述的1-癸基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽離子液體，無法與基底發生鍵合反應，從而成為具有流動性的非鍵合態分子，在潤滑薄膜體系中起到降低剪切力的作用；

一種硅烷基二元摻雜離子液體潤滑薄膜的制備方法，其特征在于：包括如下步驟：

（1）單晶硅基底預處理：將單晶硅基底依次置于丙酮、乙醇和去離子水中超聲清洗10min，用氮氣吹干，然后置入Piranha溶液（由體積比為7:3的98%硫酸和30%雙氧水混合后冷卻至室溫制得）中反應20min~40min，溶液溫度控制在90℃，取出后用去離子水充分淋洗，氮氣吹干后，即可得到羥基化的單晶硅基底；

（2）單晶硅基底表面改性：配制二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷溶液，將羥基化的單晶硅基底浸沒到二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷溶液中，12h~24h后取出，依次在丙酮、乙醇和去離子水中超聲清洗3min~5min，氮氣吹干后，即可得到硅烷改性的單晶硅基底；

（3）二元摻雜離子液體潤滑薄膜的制備：配制1-羧乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽離子液體和1-癸基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽離子液體的二元混合溶液，將硅烷改性的單晶硅基底浸沒到所述的二元混合溶液中，室溫下浸漬5min~10min后，以60μm/s~80μm/s的速度勻速提拉，然后在氮氣環境下120℃~170℃熱處理0.5h~2h，在硅烷化單晶硅基底上得到同時包含鍵合態分子與非鍵合態分子的二元摻雜離子液體潤滑薄膜，即為一種硅烷基二元摻雜離子液體潤滑薄膜；

所述步驟（2）的二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷溶液的配置方法為：按1:2000~1:500的體積比將二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷溶于丙酮與水的混合溶液中，所述丙酮與水的混合溶液中丙酮與水的體積比為5:1；

所述步驟（3）的1-羧乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽離子液體和1-癸基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽離子液體的二元混合溶液的配制方法為：取1-羧乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽離子液體溶于丙酮溶液中，配制質量體積比為0.2%~2%的1-羧乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽離子液體溶液；同時，取1-癸基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽離子液體溶于丙酮溶液中，配制質量體積比為0.2%~2%的1-癸基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽離子液體溶液，然后將1-羧乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽離子液體溶液與1-癸基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽離子液體溶液混合均勻，得到二元混合溶液；

所述的二元混合溶液，其中1-羧乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽離子液體溶液與1-癸基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽離子液體溶液的體積比為1:4~1:1。

本發明具有如下的技術效果，本發明制備工藝簡單，制得的硅烷基二元摻雜離子液體潤滑薄膜中的1-羧乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽離子液體分子可與硅烷化單晶硅基底表面官能團發生化學鍵合形成固定的鍵合態分子，在潤滑薄膜中起到支撐結構、提高有序性的作用；1-癸基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽離子液體分子未發生化學鍵合，從而成為流動的非鍵合態分子，在潤滑薄膜中起到降低剪切力的作用，二者結合大大改善了表面的摩擦學性能，使得摩擦系數大幅降低，承載能力和耐磨性能顯著提高。該技術適用于對減摩抗磨性能要求高的場合，在微機電系統等領域具有良好的應用前景。

附圖說明

圖1是本發明硅烷基二元摻雜離子液體潤滑薄膜的結構示意圖。圖中，1、單晶硅基底；2、硅烷改性表面；3、二元摻雜離子液體薄膜鍵合態分子；4、二元摻雜離子液體薄膜非鍵合態分子。

圖2是本發明制備方法的流程框圖。

圖3是本發明制備硅烷基二元摻雜離子液體潤滑薄膜的反應過程圖。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細描述。

實施例1

硅烷基二元等比例摻雜離子液體潤滑薄膜的制備，依次按照以下步驟進行：

（1）將單晶硅基底解離成8mm×8mm 大小，依次置于丙酮、乙醇和去離子水中超聲洗滌10min，用氮氣吹干，然后置入Piranha溶液（由體積比為7:3的98%硫酸和30%雙氧水混合后冷卻至室溫制得）中反應40min，溶液溫度控制在90℃，取出后用去離子水充分淋洗，氮氣吹干后，即可得到羥基化的單晶硅基底；

（2）將二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷溶于丙酮與水的混合溶液（丙酮與水的體積比為5:1）中配制體積比為1:500的硅烷溶液。然后將羥基化的單晶硅基底浸沒到硅烷溶液中，12h后取出，依次在丙酮、乙醇和去離子水中超聲清洗3min，氮氣吹干后，即可得到硅烷改性的單晶硅基底；

（3）將1-羧乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽離子液體溶于丙酮中，以0.5%的質量體積比配制1-羧乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽離子液體溶液；將1-癸基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽離子液體溶于丙酮中，以0.5%的質量體積比配制1-癸基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽離子液體溶液，然后將1-羧乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽離子液體溶液和1-癸基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽離子液體溶液按體積比1:1混合均勻后，制得二元混合溶液。將硅烷改性的單晶硅基底浸沒到二元混合溶液中，控制浸漬時間為10min，提拉速度為60μm/s，然后在氮氣環境下140℃熱處理1h，得到硅烷化單晶硅基底上同時包含鍵合態分子與非鍵合態分子的二元等比例摻雜離子液體潤滑薄膜，即為一種硅烷基二元等比例摻雜離子液體潤滑薄膜。

實施例2

硅烷基二元非等比例摻雜離子液體潤滑薄膜的制備，依次按照以下步驟進行：

（1）將單晶硅基底解離成8mm×8mm 大小，依次置于丙酮、乙醇和去離子水中超聲洗滌10min，用氮氣吹干，然后置入Piranha溶液（由體積比為7:3的98%硫酸和30%雙氧水混合后冷卻至室溫制得）中反應30min，溶液溫度控制在90℃，取出后用去離子水充分淋洗，氮氣吹干后，即可得到羥基化的單晶硅基底；

（2）將二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷溶于丙酮與水的混合溶液（丙酮與水的體積比為5:1）中配制體積比為1:1000的硅烷溶液。然后將羥基化的單晶硅基底浸沒到硅烷溶液中，24h后取出，依次在丙酮、乙醇和去離子水中超聲清洗3min，氮氣吹干后，即可得到硅烷改性的單晶硅基底；

（3）將1-羧乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽離子液體溶于丙酮中，以0.25%的質量體積比配制1-羧乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽離子液體溶液；將1-癸基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽離子液體溶于丙酮中，以0.25%的質量體積比配制1-癸基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽離子液體溶液，然后將1-羧乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽離子液體溶液和1-癸基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽離子液體溶液按體積比1:4混合均勻后，制得二元混合溶液。將硅烷改性的單晶硅基底浸沒到二元混合溶液中，控制浸漬時間為10min，提拉速度為60μm/s，在硅烷改性的單晶硅基底表面提拉上一層離子液體薄膜，然后在氮氣環境下140℃熱處理2h，得到硅烷化單晶硅基底上同時包含鍵合態分子與非鍵合態分子的二元非等比例摻雜離子液體潤滑薄膜，即為一種硅烷基二元非等比例摻雜離子液體潤滑薄膜。

對上述兩個實施例所制備的硅烷基二元摻雜離子液體潤滑薄膜進行了宏觀摩擦性能測試，在載荷100mN~300mN、頻率1Hz、干摩擦條件下，其與鋼球對摩的摩擦系數均較低為0.08~0.14，并在2700s的實驗時間內均未發生磨損現象，顯示出良好的減摩抗磨性能。分析測試結果表明，相對于單晶硅表面、單組分離子液體薄膜表面或者基底未經硅烷改性的摻雜離子液體薄膜表面，利用本發明得到的硅烷基二元摻雜離子液體潤滑薄膜在硅烷改性、二元摻雜離子液體潤滑薄膜鍵合態分子、二元摻雜離子液體潤滑薄膜非鍵合態分子的協同作用下，表面摩擦學性能得到了進一步改善。