基于液气相变材料的可重构微纳结构及制造、操控方法技术

一种基于液气相变材料的可重构微纳结构及制造、操控方法，可重构微纳结构包括构成微纳结构主体的支撑结构和与之连接的可重构功能关节，可重构功能关节呈胶囊结构，由弹性功能材料包裹液气相变材料构成，支撑结构为微纳尺度的二维或三维复杂结构；制造方法，先编写控制结构化模板或接收平台移动的数控代码；然后将弹性功能材料预聚物溶液与液气相变材料在相应温度下分别装入不同的数控挤出装置内，分别调整弹性功能材料预聚物溶液与液气相变材料的挤出速度，打印出可重构微纳结构；操控方法是将可重构微结构加热或冷却，内部的液气相变材料发生液气相变，通过体积膨胀来驱动可重构功能关节完成指定形变；本发明专利技术具有制造精度高、可重复形变等优点。

Reconfigurable Micro-Nanostructures based on liquid-gas phase change materials and their manufacturing and manipulation methods

【技术实现步骤摘要】
基于液气相变材料的可重构微纳结构及制造、操控方法
本专利技术属于微纳制造
，具体涉及一种基于液气相变材料的可重构微纳结构及制造、操控方法。
技术介绍
可重构微纳结构应用日趋广泛，相对于传统的结构材料和驱动方式，可重构微纳结构具有包括光、电、热、磁驱动功能，形状记忆功能、可编程设计功能等，驱动结构驱动单元尺寸小，其可驱动性、可控精确形变、可多次重复性与可编程设计性赋予了这类材料无限的可能和广阔的应用前景。在航空航天设备的超轻量化、微纳机电系统、生物医疗、组织工程、新材料、新能源、微流控器件、微纳光学器件等领域有着巨大应用前景的三维微纳结构与可重构微纳结构相结合，在提升各自原有领域中的表现之外，更涵盖和扩展出了超材料、轻质可重构微桁架、变形镜、曲面上智能蒙皮等应用领域，应用前景十分广阔。但目前并没有合适的可重构微纳结构的制造方法，现在的各种微纳制造技术无论从技术层面还是生产率、成本、材料等方面还难以满足高质量、高效、低成本、批量化制造可重构微纳结构的工业级应用的需求。因此，驱动效率高、可大尺度形变、控制精确、低成本批量化制造可重构微纳结构(尤其是大面积高精度可重构三维微纳复杂结构)一直被认为是一项国际化难题，也是当前国际上和产业界的研究热点，以及亟待突破的瓶颈问题。而最新提出的功能材料微纳三维复杂结构的结构化模板立体直写制造方法通过结构化模板诱导的方式制造微纳三维复杂结构，存在结构无法驱动或驱动不精确、无法完成复杂形变的问题。目前常规的微纳结构制造工艺，如，光学光刻、电子束刻蚀、干涉光刻、激光微细加工、软光、纳米压印光刻等微纳制造技术，在可重构结构的制造上，受限于工艺对材料的高度选择性，主要依靠单一功能材料，如，可重构水凝胶、介电弹性材料、形状记忆合金、热双金属片等，存在制造精度低、控制精度差、可编程的复杂程度低、应用范围局限以及无法实现宏微一体化制造等问题。在待加工材料的范围上，主要适应于单一聚合物类或金属类的单一材料，难以实现适应多种功能材料在制造上的相互结合，无法实现功能性和结构性的统一。另外，现有的这些微纳制造方法还面临设备和掩模板(或者模具)昂贵、制造成本高、周期长、加工效率低等问题。目前微纳结构驱动的研究还非常少，通常根据所使用的材料和结构，选择采用气体驱动、热驱动、电驱动等方式，就驱动效果而言，相比于传统机械的电机驱动和齿轮驱动等，其驱动力小、驱动精度差、可控性差与控制复杂程度低，无法实现或很难实现大尺度的驱动和形变，而且驱动方式过于依赖材料的选择，对环境的适应性差，因此很难真正实现产业化和应用于实际工业生产和制造。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供了一种基于液气相变材料的可重构微纳结构及制造、操控方法，可以极大提高复杂微纳结构制造的精度和分辨率，实现高精度、大尺度的可编程操控形变，更可以实现远程、非接触操控形变，具有制造精度高、形变量大、形变结构可编程设计，形变可恢复、可多次重复形变、模板可多次重复利用、工艺简单、成本低、制造周期短、应用范围广等优点。为了达到上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种基于液气相变材料的可重构微纳结构，包括构成微纳结构主体的支撑结构和与之连接的可重构功能关节，按照需求和设计分布在不同的位置；其中可重构功能关节呈胶囊结构，由弹性功能材料包裹液气相变材料构成，可重构功能关节内腔可以按照实际需求设计为单腔室或多腔室结构，弹性功能材料不进行约束或按照设计和需求进行单一维度或多维度的约束，使其能够在设计所需的维度进行形变和实现驱动功能；液气相变材料按照实际需求选择单一或多种液气相变材料；支撑结构为微纳尺度的二维或三维复杂结构，其在可重构功能关节的驱动下进行旋转、平移、扭转的运动。一种基于液气相变材料的可重构微纳结构的制造方法，包括以下步骤：1)使用电脑建模软件绘制微纳尺度的三维结构或零件实体，根据所需的形变要求，通过软件或人工的方式设计出所需使用的液气相变材料类型、原位嵌入位置与相变材料用量；再根据所需制造的微纳尺度的三维结构或零件实体，以及需要嵌入液气相变材料的位置和尺寸，通过软件或者人工的方式设计结构化模板与接收平台之间相对移动路径和顺序，并编写控制结构化模板或接收平台移动的数控代码；2)将弹性功能材料预聚物溶液与液气相变材料在相应温度下分别装入不同的数控挤出装置内，分别调整弹性功能材料预聚物溶液与液气相变材料的挤出速度，然后将结构化模板分别与对应的挤出设备相连接，并逐一调整接收平台的位置和各结构化模板的高度，使不同的结构化模板均在接收平台的坐标系中具有固定可知的位置；3)通过接收平台控制与弹性功能材料预聚物溶液挤出装置连接的结构化模板或接收平台按照步骤1)中设计好的移动路径、速度和顺序进行立体空间移动，当弹性功能材料预聚物溶液通过与弹性功能材料预聚物溶液挤出装置连接的结构化模板挤出形成微纳尺寸的液态线条时，通过控制弹性功能材料预聚物溶液固化条件的方式来调控微纳弹性功能材料预聚物挤出丝的固化程度，使微纳弹性功能材料预聚物挤出丝与相邻微纳弹性功能材料预聚物挤出丝之间牢固融合；按照数控程序不断调控与弹性功能材料预聚物溶液挤出装置连接的结构化模板的立体空间运动和与装有弹性功能材料预聚物溶液的数控挤出装置的挤出速率；4)当制造进行到需要原位嵌入液气相变材料的位置时，数控代码控制结构化模板的立体空间运动和装有弹性功能材料预聚物溶液的数控挤出装置的挤出速率，在该位置形成一个用于容纳液气相变材料的腔体，并暂停模板运动与弹性功能材料预聚物溶液挤出操作；5)通过数控代码或人工的方式将与弹性功能材料预聚物溶液挤出装置连接的结构化模板切换为与液气相变材料挤出装置连接的结构化模板；6)通过数控接收平台控制与液气相变材料挤出装置连接的结构化模板或者接受平台按照步骤1)中设计好的移动路径移动到对应的位置，并控制装有液气相变材料的挤出装置的挤出速率，在对应腔体内注入对应类型和对应体积的液气相变材料；7)当液气相变材料注入完成后，暂停模板运动与材料挤出操作，通过数控代码或人工的方式将与液气相变材料挤出装置连接的结构化模板切换为与弹性功能材料预聚物溶液挤出装置连接的结构化模板；8)重复步骤3)-步骤7)，在接收平台上制造出可重构微纳结构。所述的步骤1)中的三维结构或零件实体的每一个实际结构的尺寸或分辨率均为100nm-500um。所述的步骤2)中的弹性功能材料预聚物溶液为可固化的液态功能材料，包括硅橡胶材料、热塑性弹性体材料、尼龙、水凝胶材料，硅橡胶材料为PDMS或Ecoflex，热塑性弹性体材料为热塑性聚氨酯弹性体材料TPU或TPE，水凝胶材料为海藻酸钠水凝胶或聚丙烯酸钠水凝胶，紫外光固化胶为NOA81或卡夫特。所述的步骤1)中的液气相变材料为常压下、-25℃至150℃范围内为液态，150℃以上为气态的单一液体或混合溶液，包括去离子水、乙醇溶液、多元醇溶液、乙醇水溶液和多元醇水溶液。所述的步骤2)中的相应温度为所选液气相变材料在常压下呈液态的温度范围内的某一温度。所述的步骤2)中的结构化模板的有效幅面均为20-50mm；结构化模板的单个微孔的直径为100nm-50um；结构化模板的微孔之间的间距为1-50um。所述的步骤2)中的结构化模板的微孔分布和微孔的长本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于液气相变材料的可重构微纳结构，其特征在于：包括构成微纳结构主体的支撑结构和与之连接的可重构功能关节，按照需求和设计分布在不同的位置；其中可重构功能关节呈胶囊结构，由弹性功能材料包裹液气相变材料构成，可重构功能关节内腔可以按照实际需求设计为单腔室或多腔室结构，弹性功能材料不进行约束或按照设计和需求进行单一维度或多维度的约束，使其能够在设计所需的维度进行形变和实现驱动功能；液气相变材料按照实际需求选择单一或多种液气相变材料；支撑结构为微纳尺度的二维或三维复杂结构，其在可重构功能关节的驱动下进行旋转、平移、扭转的运动。

【技术特征摘要】
1.一种基于液气相变材料的可重构微纳结构，其特征在于：包括构成微纳结构主体的支撑结构和与之连接的可重构功能关节，按照需求和设计分布在不同的位置；其中可重构功能关节呈胶囊结构，由弹性功能材料包裹液气相变材料构成，可重构功能关节内腔可以按照实际需求设计为单腔室或多腔室结构，弹性功能材料不进行约束或按照设计和需求进行单一维度或多维度的约束，使其能够在设计所需的维度进行形变和实现驱动功能；液气相变材料按照实际需求选择单一或多种液气相变材料；支撑结构为微纳尺度的二维或三维复杂结构，其在可重构功能关节的驱动下进行旋转、平移、扭转的运动。2.根据权利要求1所述的一种基于液气相变材料的可重构微纳结构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：1)使用电脑建模软件绘制微纳尺度的三维结构或零件实体，根据所需的形变要求，通过软件或人工的方式设计出所需使用的液气相变材料类型、原位嵌入位置与相变材料用量；再根据所需制造的微纳尺度的三维结构或零件实体，以及需要嵌入液气相变材料的位置和尺寸，通过软件或者人工的方式设计结构化模板与接收平台之间相对移动路径和顺序，并编写控制结构化模板或接收平台移动的数控代码；2)将弹性功能材料预聚物溶液与液气相变材料在相应温度下分别装入不同的数控挤出装置内，分别调整弹性功能材料预聚物溶液与液气相变材料的挤出速度，然后将结构化模板分别与对应的挤出设备相连接，并逐一调整接收平台的位置和各结构化模板的高度，使不同的结构化模板均在接收平台的坐标系中具有固定可知的位置；3)通过接收平台控制与弹性功能材料预聚物溶液挤出装置连接的结构化模板或接收平台按照步骤1)中设计好的移动路径、速度和顺序进行立体空间移动，当弹性功能材料预聚物溶液通过与弹性功能材料预聚物溶液挤出装置连接的结构化模板挤出形成微纳尺寸的液态线条时，通过控制弹性功能材料预聚物溶液固化条件的方式来调控微纳弹性功能材料预聚物挤出丝的固化程度，使微纳弹性功能材料预聚物挤出丝与相邻微纳弹性功能材料预聚物挤出丝之间牢固融合；按照数控程序不断调控与弹性功能材料预聚物溶液挤出装置连接的结构化模板的立体空间运动和与装有弹性功能材料预聚物溶液的数控挤出装置的挤出速率；4)当制造进行到需要原位嵌入液气相变材料的位置时，数控代码控制结构化模板的立体空间运动和装有弹性功能材料预聚物溶液的数控挤出装置的挤出速率，在该位置形成一个用于容纳液气相变材料的腔体，并暂停模板运动与弹性功能材料预聚物溶液挤出操作；5)通过数控代码或人工的方式将与弹性功能材料预聚物溶液挤出装置连接的结构化模板切换为与液气相变材料挤出装置连接的结构化模板；6)通过接收平台控制与液气相变材料挤出装置连接的结构化模板或者接受平台按照步骤1)中设计好的移动路径移动到对应的位置，并控制装有液气相变材料的挤出装置的挤出速率，在对应腔体内注入对应类型和对应体积的液气相变材料；7)当液气相变材料注入完成后，暂停模板运动与材料挤出操作，通过数控代码或人...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋维涛，刘红忠，韩捷，牛东，雷彪，尹磊，陈邦道，史永胜，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61