喇叭状微结构阵列粘附表面的制备工艺

本发明涉及仿生设计与制造技术领域，尤其是涉及一种喇叭状微结构阵列粘附表面的制备工艺。

背景技术：

具有微观结构阵列的仿生粘附表面对于光滑物体表面具有优异的粘附和摩擦性能，在智能机器人、可穿戴电子、航空航天和深海探测等领域具有独特的应用优势。大量的实验研究表明，以蘑菇状为代表的末端圆盘直径大于柱体直径的微观结构能够产生高于100kpa的粘附强度。根据现有文献报道，单个蘑菇状微观结构能够产生高达200kpa的粘附强度，并且能够实现成熟的蘑菇状微结构阵列粘附表面的制备工艺。进一步的实验研究发现，由蘑菇状结构末端形成凹陷曲面得到的单个喇叭状微观结构能够产生超过1mpa的粘附强度。然而，受限于喇叭状微结构末端的内凹圆弧曲面的特殊形状，传统的光刻、压印等微纳制造工艺难以实现阵列式微结构的直接制备。而通过双光子光刻等手段仅能够制备少数喇叭状结构，难以实现大面积的制备。现有的制备手段限制了喇叭状微结构阵列粘附表面超高粘附性能的应用。因此，实现喇叭状微结构阵列粘附表面的大面积制备工艺成为仿生粘附技术发展的瓶颈。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种喇叭状微结构阵列粘附表面的制备工艺，能够对喇叭状微结构阵列粘附表面进行大面积、批量化、一致性制备，同时，通过调整气体压力的大小可以控制喇叭状微结构阵列粘附表面的内凹圆弧曲面的形状，流程简单、调控方便、成本低且一致性好。

根据本发明实施例的喇叭状微结构阵列粘附表面的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：

加工出通孔模具，所述通孔模具的上侧面具有一凹腔，所述通孔模具中具有喇叭状微结构通孔阵列，所述喇叭状微结构通孔阵列中的每一单个所述喇叭状微结构通孔包括圆柱形通孔和圆台形通孔，所述圆柱形通孔的上端与所述凹腔连通，所述圆柱形通孔的下端与所述圆台形通孔的上端连通，所述圆台形通孔的下端贯通所述通孔模具的下侧面，所述圆台形通孔的下端孔径大于所述圆台形通孔的上端孔径；

加工出柔性薄膜；

将所述通孔模具的下侧面键合在所述柔性薄膜的上表面上，形成组合模具；

将所述组合模具的所述柔性薄膜的下表面与气压腔室壳体密封连接，使得所述柔性薄膜与所述气压腔室壳体围成气压可调腔室；

保持所述气压可调腔室与大气相通，向所述组合模具的所述通孔模具的所述凹腔中加入第一液态橡胶弹性体，使得所述第一液态橡胶弹性体进入所述喇叭状微结构通孔阵列中，并在真空环境中脱泡；

脱泡完成后，对所述气压可调腔室施加气体压力，使得所述柔性薄膜产生向各个所述圆台形通孔内凹的弯曲曲面，从而浇铸得到均一性的具有内凹曲面的喇叭状微结构阵列粘附表面。

根据本发明实施例的喇叭状微结构阵列粘附表面的制备工艺，加工出通孔模具和柔性薄膜，通孔模具的下侧面与柔性薄膜的上表面键合形成组合模具，通孔模具中多个喇叭状微结构通孔可以按照矩形、多边形或其他的形式排列成喇叭状微结构通孔阵列，圆台形通孔的与通孔模块的下侧面圆滑过渡，柔性薄膜的下表面与气压腔室壳体密封连接，柔性薄膜与气压腔室壳体围成气压可调腔室；向组合模具的通孔模具的凹腔中浇筑第一液态橡胶弹性体，此时气压可调腔室与大气连通，避免柔性薄膜受力弯曲变形，当第一液态橡胶弹性体充分进入喇叭状微结构通孔阵列中后，将组合模具整体放入真空桶中，以使得第一液态橡胶弹性体在真空环境中充分脱泡；脱泡完成后，将气压可调腔室与压力泵相连，通过压力泵向气压可调腔室施加气体压力，气体压力根据实际情况中柔性薄膜的弹性模量、柔性薄膜的厚度和内凹曲面的弯曲程度确定，利用气体的压力使得柔性薄膜向各个圆台形通孔内弯曲变形，从而使得各个圆台形通孔内的第一液态橡胶弹性体的底部变为内凹圆弧曲面，气压可调腔室内的气压分布均匀，能够使得各个圆台形通孔内的第一液态橡胶弹性体的底部形状相同，进而实现大面积、批量化地制备喇叭状微结构阵列粘附表面；通过对气压可调腔室施加不同程度的气体压力，可以控制喇叭状微结构阵列粘附表面的内凹圆弧曲面的形状。

根据本发明实施例的喇叭状微结构阵列粘附表面的制备工艺，能够对喇叭状微结构阵列粘附表面进行大面积、批量化、一致性制备，同时，通过调整气体压力的大小可以控制喇叭状微结构阵列粘附表面的内凹圆弧曲面的形状，流程简单、调控方便、成本低且一致性好。

根据本发明的一个实施例，所述通孔模具采用超精密铣削的机加工方法或光刻并刻蚀的微纳制造方法加工出的金属薄板或硅片薄板。

根据本发明的一个实施例，所述柔性薄膜采用第二液态橡胶弹性体通过旋涂或涂模的方法制得。

根据本发明进一步的实施例，所述第二液态橡胶弹性体的材料类型不同于所述第一液态橡胶弹性体的材料类型。

根据本发明再进一步的实施例，所述第一液态橡胶弹性体的材料为第一硅胶或第一聚氨酯，所述第二液态橡胶弹性体的材料为第二硅胶和第二聚氨酯，所述第一液态橡胶弹性体的弹性模量不同于第二液态橡胶弹性体的弹性模量。

根据本发明再进一步的时候实例，所述柔性薄膜的弹性模量不大于100mpa，所述柔性薄膜的厚度小于所述圆台形通孔高度的1/10。

根据本发明的一个实施例，所述将所述通孔模具的下侧面键合在所述柔性薄膜的上表面上，具体包括如下步骤：分别将所述通孔模具和所述柔性薄膜通过等离子体处理活化，然后将所述通孔模具的下侧面与所述柔性薄膜的上表面按压，再高温固化成型，从而得到所述的组合模具。

根据本发明的一个实施例，对所述气压可调腔室施加气体压力，所述柔性薄膜开始产生向各个所述圆台形通孔内凹的弯曲曲面，待所述第一液态橡胶弹性体随着所述柔性薄膜的变形而流动平稳后，对所述第一液态橡胶弹性体的顶面进行平整处理。

根据本发明进一步的实施例，所述平整处理的方式为：在所述通孔模具的上侧面加盖一张pet膜或玻璃板，以通过所述pet膜或玻璃板压平所述第一液态橡胶弹性体的顶面。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

组合模具1

通孔模具11

凹腔111

喇叭状微结构通孔阵列112喇叭状微结构通孔1121

圆柱形通孔11211圆台形通孔11212

柔性薄膜12

第一液态橡胶弹性体2

气压腔室壳体3

气压可调腔室4

喇叭状微结构阵列粘附表面5

玻璃板6

图1为本发明实施例的喇叭状微结构阵列粘附表面的制备工艺中的组合模具的结构示意图。

图2为图1中a处的放大图。

图3为本发明实施例的喇叭状微结构阵列粘附表面的制备工艺中的喇叭状微结构阵列粘附表面的一个方位的结构示意图。

图4为本发明实施例的喇叭状微结构阵列粘附表面的制备工艺中的通孔模具的剖视图。

图5为本发明实施例的喇叭状微结构阵列粘附表面的制备工艺中的组合模具的剖视图。

图6为本发明实施例的喇叭状微结构阵列粘附表面的制备工艺中的组合模具的组合模具和气压腔室壳体的装配图。

图7为本发明实施例的喇叭状微结构阵列粘附表面的制备工艺中的向通孔模具的凹腔中浇筑第一液态橡胶弹性体的状态图。

图8为本发明实施例的喇叭状微结构阵列粘附表面的制备工艺中的对第一液态橡胶弹性体的顶面进行平整处理的状态图。

图9为本发明实施例的喇叭状微结构阵列粘附表面的制备工艺中的浇铸得到的喇叭状微结构阵列粘附表面的结构示意图。

附图标记：

凹腔111

喇叭状微结构通孔阵列112喇叭状微结构通孔1121

圆柱形通孔11211圆台形通孔11212

柔性薄膜12

第一液态橡胶弹性体2

气压腔室壳体3

气压可调腔室4

喇叭状微结构阵列粘附表面5

玻璃板6

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合图1至图9来描述本发明实施例的喇叭状微结构阵列粘附表面的制备工艺。

如图1至图9所示，根据本发明实施例的喇叭状微结构阵列粘附表面的制备工艺，包括如下步骤：

如图1、图2和图4所示，加工出通孔模具11，通孔模具11的上侧面具有一凹腔111，通孔模具11中具有喇叭状微结构通孔阵列112，喇叭状微结构通孔阵列112中的每一单个喇叭状微结构通孔1121包括圆柱形通孔11211和圆台形通孔11212，圆柱形通孔11211的上端与凹腔111连通，圆柱形通孔11211的下端与圆台形通孔11212的上端连通，圆台形通孔11212的下端贯通通孔模具11的下侧面，圆台形通孔11212的下端孔径大于圆台形通孔11212的上端孔径；

加工出柔性薄膜12；

如图1至图2和图5所示，将通孔模具11的下侧面键合在柔性薄膜12的上表面上，形成组合模具1；

如图6所示，将组合模具1的柔性薄膜12的下表面与气压腔室壳体3密封连接，使得柔性薄膜12与气压腔室壳体3围成气压可调腔室4；

如图7所示，保持气压可调腔室4与大气相通，向组合模具1的通孔模具11的凹腔111中加入第一液态橡胶弹性体2，使得第一液态橡胶弹性体2进入喇叭状微结构通孔阵列112中，并在真空环境中脱泡；

如图7至图9所示，脱泡完成后，对气压可调腔室4施加气体压力，使得柔性薄膜12产生向各个圆台形通孔11212内凹的弯曲曲面，从而浇铸得到均一性的具有内凹曲面的喇叭状微结构阵列粘附表面5。

根据本发明实施例的喇叭状微结构阵列粘附表面的制备工艺，首先，加工出通孔模具11和柔性薄膜12，通孔模具11的下侧面与柔性薄膜12的上表面键合形成组合模具1，其中，通孔模具11中多个喇叭状微结构通孔1121按照矩形或多边形的方式排列成喇叭状微结构通孔阵列112，圆台形通孔11212的与通孔模块的下侧面圆滑过渡；然后，柔性薄膜12的下表面与气压腔室壳体3密封连接，柔性薄膜12与气压腔室壳体3围成气压可调腔室4；向组合模具1的通孔模具11的凹腔111中浇筑第一液态橡胶弹性体2，此时气压可调腔室4与大气连通，避免柔性薄膜12受力弯曲变形，当第一液态橡胶弹性体2充分进入喇叭状微结构通孔阵列112中后，将组合模具1整体放入真空桶中，以使得第一液态橡胶弹性体2在真空环境中充分脱泡；脱泡完成后，将气压可调腔室4与压力泵相连，通过压力泵向气压可调腔室4施加气体压力，气体压力根据实际情况中柔性薄膜12的弹性模量、柔性薄膜12的厚度和内凹曲面的弯曲程度确定，利用气体的压力使得柔性薄膜12向各个圆台形通孔11212内弯曲变形，从而使得各个圆台形通孔11212内的第一液态橡胶弹性体2的底部变为内凹圆弧曲面，气压可调腔室4内的气压分布均匀，能够使得各个圆台形通孔11212内的第一液态橡胶弹性体2的底部形状相同，进而实现大面积、批量化制备喇叭状微结构阵列粘附表面5；通过对气压可调腔室4施加不同程度的气体压力，可以控制喇叭状微结构阵列粘附表面5的内凹圆弧曲面的形状。

根据本发明实施例的喇叭状微结构阵列粘附表面的制备工艺，能够对喇叭状微结构阵列粘附表面5进行大面积、批量化、一致性制备，同时，通过调整气体压力的大小可以控制喇叭状微结构阵列粘附表面5的内凹圆弧曲面的形状，制备流程简单、调控方便、成本低且一致性好。

如图1和图5所示，根据本发明的一个实施例，通孔模具11采用超精密铣削的机加工方法或光刻并刻蚀的微纳制造方法加工出的金属薄板或硅片薄板。可以理解的是，由于金属薄板或硅片薄板的厚度小但刚性好，通过超精密铣削的机加工方法或光刻并刻蚀的微纳制造方法加工金属薄板或硅片薄板以形成通孔模具11，可以在保证加工精度的同时保证通孔模具11的整体刚度，避免通孔模具11在气体压力中的作用下变形。

根据本发明的一个实施例，柔性薄膜12采用第二液态橡胶弹性体通过旋涂或涂模的方法制得。由此，可以保证柔性薄膜12的均匀性和平整度。

根据本发明进一步的实施例，第二液态橡胶弹性体的材料类型不同于第一液态橡胶弹性体2的材料类型。这样，第一液态橡胶弹性体2和第二液态橡胶弹性体不会与柔性薄膜12结合，可以方便地将喇叭状微结构阵列粘附表面5从组合模具1中剥离取出。

根据本发明再进一步的实施例，第一液态橡胶弹性体2的材料为第一硅胶或第一聚氨酯，第二液态橡胶弹性体的材料为第二硅胶和第二聚氨酯，第一液态橡胶弹性体2的弹性模量不同于第二液态橡胶弹性体的弹性模量。这样，第一液态橡胶弹性体2和第二液态橡胶弹性体不会与柔性薄膜12结合，可以方便地将喇叭状微结构阵列粘附表面5从组合模具1中剥离取出。

根据本发明再进一步的时候实例，柔性薄膜12的弹性模量不大于100mpa，柔性薄膜12的厚度小于圆台形通孔11212高度的1/10，这样，可以保证柔性薄膜12在气体压力的作用下能够向各个圆台形通孔11212内弯曲变形。

需要说明的是，柔性薄膜12的弹性模量根据实际情况进行确定，例如50mpa、70mpa或90mpa。

根据本发明的一个实施例，将通孔模具11的下侧面键合在柔性薄膜12的上表面上，具体包括如下步骤：分别将通孔模具11和柔性薄膜12通过等离子体处理活化，然后将通孔模具11的下侧面与柔性薄膜12的上表面按压，再高温固化成型，从而得到的组合模具1。可以理解的是，通过将通孔模具11和柔性薄膜12进行等离子处理活化，可以使得通孔模具11和柔性薄膜12的表面形成羟基，当将通孔模具11的下侧面与柔性薄膜12的上表面按压时，可以促使通孔模具11的下侧面与柔性薄膜12的上表面形成键合，同时不影响通孔模具11的下侧面与柔性薄膜12的上表面的质量，之后将通孔模具11和柔性薄膜12放置在120℃的高温热板上，经过高温固化成型，可以得到硬质组合模具1。

如图7至图8所示，根据本发明的一个实施例，对气压可调腔室4施加气体压力，柔性薄膜12开始产生向各个圆台形通孔11212内凹的弯曲曲面，待第一液态橡胶弹性体2随着柔性薄膜12的变形而流动平稳后，对第一液态橡胶弹性体2的顶面进行平整处理。由此，保证喇叭状微结构阵列粘附表面5顶面的平整性。

如图8所示，根据本发明进一步的实施例，平整处理的方式为：在通孔模具11的上侧面加盖一张pet膜或玻璃板6，以通过pet膜或玻璃板6压平第一液态橡胶弹性体2的顶面，操作简单方便。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。