谈述硅烷钛合金表面硅烷碳纳米管复合薄膜制备及其摩擦学性能

论文导读：
摘要：钛合金作为目前广泛运用的人体骨骼置换材料，具有比强度高，无毒，耐腐蚀及生物相容性好等优点。同时，钛合金有着着一些急需解决的不足：在生理环境及负载条件下，钛合金由于其硬度低，反复摩擦产生大量含有Ti、Al和V元素的黑色磨屑。这些磨屑可以导致置换关节松动，甚至失效，磨屑积聚在人体关节中易扩散造成病变。近30多年进展起来的分子自组装技术给解决该不足提供了一条有效的途径。本论文针对钛合金耐磨损性能不足的不足，并结合碳纳米管具有高抗拉强度、良好柔韧性、高承载能力以及优异自润滑性能等特点，利用稀土元素特殊的物理化学性质，通过化学反应及吸附原理以稀土镧离子作为连接介质将碳纳米管自组装到钛合金表面，制备了具有优异摩擦学性能的3-氨基丙基-三乙氧基硅烷碳纳米管（APTES/MWNTs）自组装复合薄膜。通过探讨发现：这种薄膜在摩擦副间形成了自润滑层，显著地提升了摩擦副的承载能力，以而增强了钛合金的耐磨损性能。本论文取得了以下探讨结果：第一，采取分子自组装技术在羟基化的钛合金基片表面成功制备了硅烷碳纳米管复合薄膜。探讨了各种动力学因素对该薄膜制备的影响，确定了制备硅烷碳纳米管复合薄膜的最佳工艺参数。结果表明，稀土改性碳纳米管悬浊液的pH为5-6，稀土浓度为0.6wt％时组装的硅烷碳纳米管复合薄膜性能最优。第二，运用原子力显微镜（AFM）测定了薄膜组装历程中基片表面粗糙度的变化。利用接触角测定仪测量了薄膜组装历程中基片接触角的变化，运用扫描电子显微镜（SEM）观察了薄膜的表面形貌，并利用X射线光电子能谱仪（XPS）测定了薄膜不同组装阶段表面典型元素的特点峰，探讨了硅烷碳纳米管复合薄膜的自组装机理。结果表明，稀土元素可以吸附碳纳米管表面的羧基中的氧，并且同时与有机硅烷表面的磷酸基团配位反应，以而碳纳米管能够紧密联接在有机硅烷表面。第三，运用多功能摩擦磨损试验机(UMT)测试了宏观条件下硅烷碳纳米管复合薄膜的摩擦磨损性能。结果表明：硅烷碳纳米管复合薄膜表面摩擦系数小，约为0.11～0.14，磨损寿命达12000次。利用分子自组装技术，结合稀土镧离子对氧族元素较强的亲和力，本论文首次在钛合金表面制备出硅烷碳纳米管复合自组装薄膜。采取AFM测量组装历程中薄膜表面粗糙度的变化，揭示薄膜的组装进程；采取XPS测定薄膜表面典型元素的有着状态及化合价变化，揭示硅烷碳纳米管复合薄膜组装历程的化学原理，并结合接触角测定仪测定的接触角数据，进一步阐明薄膜的组装机理。利用UMT测定了硅烷碳纳米管薄膜的摩擦系数随着组装工艺参数及试验参数的变化规律与磨损形式，拓宽了碳纳米管及稀土的探讨领域。关键词：钛合金论文3-氨基丙基-三乙氧基硅烷论文碳纳米管论文稀土论文摩擦学论文
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ABSTRACT5-10
符号说明10-11
第一章 绪论11-19

1.1 探讨背景及选题作用11-12

1.1 探讨背景11-12

1.2 选题作用12

1.2 国内外探讨近况12-17

1.2.1 医用钛合金表面改性12-13

1.2.2 自组装膜的探讨近况13-15

1.2.3 碳纳米管薄膜的摩擦学性能探讨15-16

1.2.4 稀土元素在摩擦学中的运用16-17

1.3 本论文的探讨内容17

1.4 本探讨拟解决的关键不足17-19

第二章 钛合金表面硅烷薄膜的制备19-34

2.1 引言19

2.2 钛合金表面氨基硅烷薄膜的制备19-30

2.1 实验仪器和材料19-20

2.2 钛合金表面羟基化处理20-21

2.3 氨基硅烷薄膜的制备21-24

2.4 硅烷薄膜表面粗糙度浅析24-25

2.5 硅烷薄膜水接触角的浅析25-27

2.6 硅烷薄膜表面 XPS 能谱浅析27-30

2.3 氨基硅烷薄膜表面-NH2 官能团的原位磷酸化30-32

2.3.1 NH2 官能团的原位磷酸化历程30

2.3.2 磷酸化后硅烷薄膜表面接触角的浅析30-31

2.3.3 磷酸化后硅烷薄膜表面 XPS 的浅析31-32

2.4 本章小结32-34

第三章 稀土改性碳纳米管薄膜的制备34-49

3.1 引言34

3.2 稀土改性碳纳米管薄膜历程34-44

3.

2.1 实验仪器和实验历程34-35

3.

2.2 稀土改性溶液的浓度对薄膜成膜质量的影响35-37

3.

2.4 组装溶液 pH 值对薄膜成膜质量的影响37-39

3.

2.5 组装时间对薄膜成膜质量的影响39-41

3.

2.6 稀土改性碳纳米管薄膜表面典型元素 XPS 浅析41-44

3.3 稀土改性碳纳米管薄膜成膜机理浅析44-49

3.1 薄膜表面自由能计算44-46

3论文导读：.3.2薄膜摩擦系数随组装时间的变化规律52-534.3.3薄膜摩擦系数随载荷的变化规律53-554.3.4薄膜摩擦系数随往复频率的变化规律55-574.4薄膜磨损性能探讨57-614.5本章小结61-63第五章全文总结63-655.1论文主要结论63-645.2对今后工作的倡议64-65参考文献65-71致谢71-72作者攻读硕士学位期间发表的论文及发明专利72-74
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3.2 稀土改性碳纳米管薄膜组装历程的化学反应热浅析46-47

3.3 稀土改性碳纳米管薄膜的成膜机理47-49

3.4 本章小结49

第四章 硅烷碳纳米管复合薄膜的摩擦学性能探讨49-63

4.1 引言49-50

4.2 实验设备及实验历程50-51

4.3 硅烷碳纳米管复合薄膜的宏观摩擦磨损性能探讨51-57

4.

3.1 薄膜的摩擦系数随碳纳米管悬浊液中稀土浓度的变化规律51-52

4.

3.2 薄膜摩擦系数随组装时间的变化规律52-53

4.

3.3 薄膜摩擦系数随载荷的变化规律53-55

4.

3.4 薄膜摩擦系数随往复频率的变化规律55-57

4.4 薄膜磨损性能探讨57-61

4.5 本章小结61-63

第五章 全文总结63-65

5.1 论文主要结论63-64

5.2 对今后工作的倡议64-65

参考文献65-71
致谢71-72
作者攻读硕士学位期间发表的论文及发明专利72-74