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第四章 原子显微镜方法在粘接基础研究中的应用

1、引言:两种材料通过作为膜的第三种材料(一种胶黏剂)连接起来产生的粘接不是这里要讨论的问题,本章重点研究关于两种材料或界面之间由于原子或者分子之间相互作用引起的基础粘接,这些作用力基本上取决于两个表面(特别是固体)以及周围空气或者液体的化学和物理性质。许多理论可以真实描述“表面”作用力和粘接的本质,理论的发展是为了解释理想(例如光滑)物理表面之间的相互作用,而不是严格(例如定量地)应用在普通表面上,本章的主题不是回顾理论的进展,而是着重介绍原子显微镜方法最近在粘接测定中的应用;

2、AFM方法论:原子显微镜(AFM)是扫描隧道显微镜的延伸,主要目的是提供高分辨率(理想状态下)的形态分析,适用于导电和非导电表面。
a.AFM成像的基本原理很简单:样品放置在压电定位器之上,与灵敏悬臂弹簧相连的尖端之下,表面的波动导致光控弹簧的偏移,获得的图像与尖端和样品之间的压力(作用力或施加力引起)密切相关,也就是说光学成像条件不可避免地与样品相关,这就是探针显微镜方法定量分析尖端与样品之间作用力的基本原理,因而在界面力和粘接测定中得到了应用;
b.弹簧常数偏移的常规(z轴)校正:典型的AFM悬臂用虎克(Hooke)定律处理AFM成像或者作用力研究中遇到的典型偏移,后者的主要目标是定量测定作用力,需要采用常规的校正方法;
c.压力扫描仪的校正:定量计算表面和粘接作用力也需要对Z轴压力扫描仪的运动进行校正,已经使用的方法之一是采用已知特征的样品进行校正扫描,但是样品更适合平面内而不是平面外的运动;
d.负载作用力:另外一个采用AFM技术的有利条件是分离前的负载作用力在测定数据时非常容易得到和改变,负载作用力可以用末端-样品接触后的Z轴扫描仪的扫面距离与弹簧常数简单相乘得到,为了改变负载作用力,可以简单的调整扫描开始的位置和扫描距离,另外通过比较稳定增加负载和降低负载对粘接的影响,可以用来研究粘接滞后现象;
e.胶体探针的相互作用:通常采用光学显微镜的微观操作技术把胶体探针连接在AFM的悬臂末端,胶体是由化学惰性的热固性树脂或环氧树脂,或者由大小适当和材料特殊( 蚀刻钨是理想的)的纤维粘接而成;
f.摩擦力:横向作用力显微镜方法(LFM)的出现提高了定量检测末端或者胶体与样品之间剪切或者摩擦力的可能性;

3、综述:
a.AFM尖端与样品之间的粘接:在早期的研究中,AFM尖端(如典型的钨)对样品表面的本质特性异常敏感,涂敷末端官能团功能不同的单层活性剂的表面时,产生的粘接力明显不同,这突出显示了技术的灵敏性;
b.含有胶体探针的粘接:在AFM悬臂的末端靠近尖端处涂敷球状物质能够克服几何形状带来的差异,球状物质(如典型的胶体)与样品表面的作用力采用正常方法测定,这种技术称作胶体探针显微镜法,Ducker及其同事们和Butt首先提出这种已经得到广泛应用的方法,它容易用来研究实用或者有工业价值的颗粒在它们本身环境中的相互作用,总而而言就是研究在空气中的相互作用及在液体中的相互作用;
c.大多数AFM的研究重点是两个不变性的固体表面之间的相互作用,但这种方法也已经应用于变形表面粘接时的相互作用,对液体或者气体均适用,由于采用AFM技术不能单独测定变形时的界面分离,所以表面接近数据不能定量测量,而粘接测定能够定量,包括变形界面在内的研究,其重点是颗粒与气泡或者油滴之间的相互作用;

4、未来的研究方向:
a.原子显微镜方法在表面力测定中的应用与一般探针显微镜方法应用的领域一样,已经得到了快速发展,但是以文献数量作为标志,那么粘接研究方面的文献数量相对有限,在本章中作者们试图展示粘接基础研究领域的技术潜力,同时因为商业化的AFM被设计为成像工具,而不是用于表面力或者粘接测定,所以还有余地改进设计,特别是对于粘接研究,研究不同持续时间的单个接触比流行的多水平短接触持续时间的研究更合适;
b.AFM研究证实:表面粗糙极大地影响表面及其粘接力的大小,因此,虽然相互作用的理论对定性研究有用,但在实际作用力的定量研究方面受到了限制,显然需要改进相互作用的理论以适应表面形态,需要进一步改进理论与作用力测定进行细致比较,应用提供实际形态参数AFM成像模式,可以促进理论的发展。

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