差排滑移与邻近差排之关系-淡江大学机械与机电工程学系.doc

差排滑移與鄰近差排之關係 張宇勝1、陳韋賢1、莊郁凡2 1淡江大學機械與機電工程學系大學部學生 2淡江大學機械與機電工程學系碩士生 摘要 本研究在PDMS彈性薄膜上施予單軸向拉伸，固定應變後，經濺鍍後進行應變回復，產生漣漪結構。與漣漪結構夾37°施予拉伸應力後，於滑移平面產生差排滑移，藉由所抵抗之逆向力矩，瞭解正負刃差排移動方向，並試著觀察那些因素會影響差排移動速度，實驗結果，差排受附近差排影響，同向差排使其移動速動較快，反向則依據兩差排尖端與水平之夾角大小判斷其速度；另外，楊氏模數大小影響差排滑移速度，楊氏模數較大差排移動速度較慢。 前言： 對於奈米科技的日益進步，使得產品的附加功能隨之增進。而現今存在的技術昂貴且不符合經濟效益，使得產品無法大眾普及化，利用彈性體拉伸並在其表面進行金屬濺鍍後，去除拉伸應力形成漣漪與差排自我組裝之結構，在以剪應力使高分子表面之差排進行滑移，並攜帶光子進行光訊號、光通訊及光儲存等諸多生活應用，這成為價格低廉且節省成本的一個必威体育精装版突破。 本研究係將聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane；PDMS)高分子給于拉伸後，濺鍍一層金鍍層，在給予應變回復，使PDMS表面自我組裝成漣漪與差排結構，並與漣漪試片夾37°給予應力拉伸，使差排沿滑動平面滑移，同時觀察差排滑移的運動行為，並探討位移與時間之關係，及進一步探討不同楊氏模數對滑移速度之影響，另外，觀察同向與逆向差排間滑移速度之影響。 2. 實驗步驟： 2-1 PDMS溶膠製備 PDMS溶膠調製係將PDMS預聚物(Prepolymers)和硬化劑(Curing agents)，以重量百分比10：1和15：1均勻混合後，將其抽放入真空系統內，直至溶膠混合時產生的氣泡消失。 2-2 PDMS薄膜製作 將溶膠以旋轉塗佈方式，塗佈在清潔過的矽晶片上，其轉速分別為 245rpm (10：1)及300 rpm(15：1)，以其轉速塗佈30秒，均勻塗佈在矽晶片上，將其放入烘箱烘2小時，烘箱溫度設定為100℃，乾燥後得到400μm 將完全硬化之PDMS彈性薄膜製作成拉伸試片，拉伸試片規格見圖1。 圖1 拉伸試片規格 2-3 漣漪(Ripple)試片製作 將拉伸試片置於拉伸治具上，給予12.5%應變拉伸後，放入濺鍍機，在真空鍍10 Pa時，濺鍍一層34±5 nm的金鍍層，再將其應變回復。 2-4 差排滑移觀察 將漣漪試片放在滑移治具上，與漣漪試片夾37°給予應力拉伸，並在OLYMPUS B071光學顯微鏡(Optical Microscope；OM)鏡頭下，將其滑移情形錄製在電腦上，並將其滑移位移與時間之關係以Excel繪製。 3. 結果與討論： 3-1 漣漪結構與缺陷 拉伸試片在回復應變時，會產生漣漪結構(見圖2a)與其差排(見圖2b)，係因金鍍層與PDMS的楊氏模數差異相當大，且金鍍層之延展性良好，故在回復應變時，金鍍層以隆起的方式抵銷PDMS的應變與應力，另外，當其側向回復應變超過金鍍層的破斷應力時則會產生排向表面裂縫(見圖2c)。 (a)( (a) (b) (c) 圖2 (a)漣漪 (b)差排 (c)裂縫 3-2 滑移機制 漣漪試片受到37°拉伸應力後，產生一順時針力矩，為了平衡此力矩，漣漪試片內部需產生一抵抗之逆時針力矩，此力矩將會影響正負刃差排在滑移系統中滑移方向。當差排受剪應力大於其差排內摩擦時，差排會向一方運動，而逆時針力矩便會成為差排滑移方向之依據。以正刃差排舉例(見圖3a)，當力矩對正刃差排之右翼產生作用時，其正刃差排尖端會因此力矩產生向右破斷，以致於正刃差排會向右移動，倘若力矩發生於正刃差排之左翼時，力矩方向洽被左翼所抵抗，而不產生變化。反之(見圖3b)，力矩發生在負刃差排之右翼，其力矩會被被右翼所抵抗，左翼則產生尖端 圖3 正負刃差排滑移方向圖示：(a)正刃差排之 移動方向；(b)負刃差排之移動方向 3-3 不同楊氏模數對差排滑移之影響 在主劑與硬化劑比例不同情況下，所產生之楊氏模數分別為2.953MPa(5：1)與2.1MPa(10：1)，在相同12.5%的拉伸應變下、相等面積內，濺鍍上等厚度之金鍍層，之後將其應變回復，則5:1的漣漪試片會因楊氏模數比10:1的漣漪試片大，同面積裡漣漪數目較多、波長較短(見圖4a和圖4b比較)，差排需要克服其內摩擦力變得較困難，因此差排滑移速度較為緩慢。而10:1的漣漪試片相對來說滑移速度就比5:1的漣漪試片來的快。圖5為楊氏模數不同，兩者同樣在克服一次滑移所產生的內摩擦之時間內，滑移距離之比較，為10:1比5:1速度較快。 (b) (b) (a) 圖4 不同楊氏模數之波長比較：(a) 5:1 楊氏模數 2.953MPa；(b