《單晶矽表面摩擦誘導化學磨損的行為、機理及控制研究》是依託西南交通大學，由錢林茂擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：單晶矽表面摩擦誘導化學磨損的行為、機理及控制研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：錢林茂
- 依託單位：西南交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
納米切削和納米拋光的關鍵在於揭示原子尺度材料的去除機理，而納米壓印和納米鑄造則需有效地解決無磨損條件下的脫模問題。因此，微觀磨損不僅是微機電系統套用中的關鍵問題，更已成為納米製造的共性基礎問題。然而，相對於機械磨損，摩擦化學反應所引發的磨損常常在材料的微觀磨損過程中起主導作用。為此，本項目擬系統開展單晶矽表面摩擦誘導化學磨損的行為、機理及控制研究。在闡明實驗條件、環境氣氛及對磨副材料等對單晶矽摩擦誘導化學磨損影響規律的基礎之上，採用試驗分析與分子動力學模擬相結合的方法深入地揭示其在大氣下的摩擦化學反應機制；進而利用液相原子力顯微鏡，模擬化學機械拋光的工藝條件，闡明液相下單個二氧化矽微球對矽片的去除過程及機理，提出矽基微機電系統的耐磨設計準則和化學機械拋光的工藝最佳化措施。相關研究符合國家高新科技發展的重大戰略需求，其成果不僅可以豐富納米製造的基礎理論，而且也有助於推動微機電系統的實用化進程。
結題摘要
納米切削和納米拋光的關鍵在於揭示原子尺度材料的去除機理，而納米壓印和納米鑄造則需有效地解決無磨損條件下的脫模問題。因此，微觀磨損不僅是微機電系統套用中的關鍵問題，更已成為納米製造的共性基礎問題。然而，相對於機械磨損，摩擦化學反應所引發的磨損常常在材料的微觀磨損過程中起主導作用。為此，本項目系統開展了單晶矽表面摩擦誘導化學磨損的行為、機理及控制研究。主要研究進展包括： （1）闡明了單晶矽表面摩擦誘導化學磨損的影響規律。單晶矽的摩擦誘導化學磨損僅發生在潮濕環境中，且磨損深度隨濕度升高先增大後減少。此外，金剛石針尖因其化學惰性，僅在單晶矽表面的產生機械磨損；而氮化矽和二氧化矽針尖由於具有較高的化學活性，均能誘導單晶矽表面化學磨損的發生。最後，材料的磨損率隨循環次數的增加逐漸降低至穩定，而隨滑動速度的增加指數級降低至平穩。 （2）揭示出單晶矽在大氣環境下的摩擦化學磨損機制。單晶矽的摩擦化學磨損是伴隨著機械作用和摩擦化學反應共同作用的結果，其中後者為主導。透射電鏡的分析結果顯示單晶矽摩擦化學磨損區域的晶體結構保持完整，表明其原子去除主要源於摩擦界面間鍵橋的形成及其在剪下過程中對基體表面原子的剝離。 （3）闡明了水環境下二氧化矽微球對單晶矽材料的去除過程及機理。當單晶矽表面存在原始氧化層，水環境會極大地降低其摩擦化學磨損。當表面氧化層去除後，水環境下單晶矽表面會出現嚴重的摩擦化學磨損。 （4）提出了單晶矽表面微觀磨損防護的新方法。當單晶矽表面有原始氧化層存在時，高濕度和水環境均能夠極大地降低其機械損傷和摩擦化學磨損，另外超低的滑動速度也能有效地禁止單晶矽表面的摩擦化學磨損。此外，超薄DLC固體塗層和較高濃度的酒精蒸氣能夠有效地抑制單晶矽表面微觀磨損的發生。相關研究符合國家高新科技發展的重大戰略需求，其成果不僅可以豐富納米製造的基礎理論，而且也有助於推動微機電系統的實用化進程。在本項目的資助下，已出版著作1部：“納米摩擦學”（科學出版社）；發表學術論文25 篇，其中，SCI檢索20篇，EI檢索1篇，2篇國際會議最佳論文；授權國家發明專利10項，實用新型專利2項；獲教育部自然科學一等獎和中國機械工業科學技術二等獎各1項（均排名第4）。作國際會議邀請報告 7 次，國內會議邀請報告 7 次。培養畢業博士3人，碩士4 人。
