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随着纳米技术的快速发展,超薄非晶聚合物薄膜在柔性传感器、半导体材料和纳米涂层等领域得到应用,而且纳米尺度下非晶聚合物薄膜的物理性能,结构稳定性、抗拉伸性、抗弯曲性和延展性等,也受到人们的关注。已有研究发现,受限条件下聚合物薄膜的玻璃化转变温度(Tg)随着膜厚的改变而改变。受纳米效应的影响,非晶聚合物薄膜的力学性能,如弹性模量和黏弹性等,均与本体有明显区别。受表征方法、材料的结构等因素的影响,受限条件下非晶聚合物薄膜的杨氏模量变化趋势仍未达成统一认识。为探讨非晶聚合物薄膜的力学性能与本体间的联系,同时为纳米薄膜的应用提供理论基础,本文以聚苯乙烯(PS)薄膜为研究体系,使用微观力学新方法进行相关研究,结果如下:(1)通过原子力显微镜(AFM)对PS薄膜进行测量,得到力—形变实验数据。然后确定力学接触模型对实验数据拟合。利用Hertzian模型、Derjaguin-Muller-Toporov(DMT)模型、Johnson-Kendall-Roberts(JKR)模型计算PS薄膜杨氏模量,对比厚度阈值以上的PS薄膜模量与本体的关系。实验结果表明,通过JKR模型计算的PS薄膜模量与本体模量一致。JKR模型与原子力显微镜纳米力学表征(AFM-NMM)相结合的方法适用于PS薄膜的微观力学测量。(2)利用JKR模型研究探针半径、黏附力、载荷、基底等因素对PS薄膜模量的影响。实验发现探针半径为15 nm,针尖在实验前后没有磨损,针尖与样品间黏附力的绝对值接近或小于载荷时,硅基底支撑的厚度阈值以上的PS薄膜杨氏模量与本体模量一致。(3)通过屈曲力学与AFM-NMM实验,研究了PS超薄膜模量的变化。屈曲力学实验表明PS薄膜模量随膜厚(50 nm附近)降低呈减小的趋势。AFM-NMM实验表明,与聚乙烯醇(PVA)基底相比,刚性(Si)基底支撑的PS薄膜的模量随膜厚(100 nm附近)降低而变大,非晶PS薄膜的异质性随膜厚降低而增强。同时,刚性基底、薄膜内残余应力等因素也会造成超薄膜杨氏模量升高。