一种脚状仿壁虎黏附材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种脚状仿壁虎黏附材料的制备方法。所述脚状仿壁虎黏附材料是通过将液态高分子聚合物浇注到片层化组装硅模具内并固化，再将固化的高分子聚合物与模具分离后得到的。上述的片层化组装硅模具是由至少两片具有对应微结构刻蚀凹槽的硅薄片定向并列贴合组装而成。本发明专利技术直接从黏附纤维的侧面轮廓设计和加工入手，可实现具有不同黏附特性的纤维阵列材料可控成型，且制造方法能够实现形貌复杂的阵列结构的制备，并具有易脱模、模具可重复使用的优势。

Preparation of a foot like gecko adhesive material

【技术实现步骤摘要】
一种脚状仿壁虎黏附材料的制备方法
本专利技术属于超精密加工
，具体涉及一种脚状仿壁虎黏附材料的制备方法。
技术介绍
大自然中的壁虎飞檐走壁，具备全空间的运动能力，这得益于其脚掌具有的“强黏附/易脱附”的结构力学特性，这种黏附特性来自于壁虎脚掌所具有的微纳米尺度的刚毛阵列。这种刚毛阵列可以大大提高与目标表面的实际接触面积，从而汇聚分子间的范德华力，产生宏观的黏附力，为壁虎在广泛的物体表面活动提供力学基础。2000年，美国科学家Autumn等人利用MEMS悬臂梁传感器测得了单根壁虎刚毛的黏附力，首次展示了具有非对称匙突结构的壁虎刚毛具有的各向异性黏附特性，为仿壁虎黏附材料的设计和制备提供了理论和生物基础。目前常规的制备仿壁虎脚掌微阵列模板/模具的方法有光刻法、反应等离子体刻蚀法、电子束和氧等离子体干刻蚀法、AFM刻蚀法、电化学加工、氧化铝模板法、超精密机械加工技术等。由于需要获得较大的与接触表面能够产生范德华力的实际接触面积，仿壁虎脚掌微阵列中的纤维单元尺寸必须要达到几十个微米以下的尺寸量级，因此，对制备仿壁虎脚掌微阵列黏附材料中所使用的微孔阵列模具尺度要求较高，一般的传统的机械加工手段难以满足需求。目前加工该尺度微孔阵列模具的方法主要是基于光刻、干法刻蚀或湿法刻蚀等MEMS领域的加工技术，这类技术的刻蚀过程主要是由上到下的加工方式，受激光光束方向及对基材刻蚀深度的限制，这几种方法中都存在加工形状的限制，难以加工出同时具有复杂形貌和高深宽比的微孔阵列模具，从而制约了纤维形貌的可设计性。CN103172019A公开了一种干黏附微纳复合两级倾斜结构的制备方法，通过改进光刻工艺，以倾斜曝光结合双面曝光的方法，获得了微纳两级复合的具有倾斜结构纤维阵列的光刻胶层，再以PDMS对光刻胶层翻模。该方法克服了传统加工方式难以获得倾斜结构的缺点，且实现方式也较为简便。但该方法中加工出的倾斜结构受光刻工艺的约束，无法加工出任意倾斜角、形貌复杂、大深宽比的纤维阵列，仍待进一步改善。CN106378894A公开了一种具有楔形结构的仿壁虎黏附材料制作方法，通过超精密机械加工制作模具，再将液态高分子聚合物浇注到模腔以及楔形单元槽内并固化，脱模后得到所述仿壁虎干黏附表面。该方法中所述的超精密机械加工为超精密切削、超精密铣削和超精密磨削中的至少一种。使用该方法制得的仿壁虎干黏附材料表面可以具有良好的黏附/摩擦各项异性。但使用超精密机械加工作为模具的加工方法，使得加工工艺较为复杂，且加工的尺寸、形貌都受限制，只能加工较为简单、深宽比不大的形状。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决现有技术难以加工出同时具有复杂形貌和高深宽比的微孔阵列模具这一技术问题，提供一种脚状仿壁虎黏附材料的模具及其制备方法和应用，直接从黏附纤维的侧面轮廓设计和加工入手，可实现具有不同黏附特性的纤维阵列材料可控成型，且制造方法能够实现形貌复杂的阵列结构的制备，并具有易脱模、模具可重复使用的优势。为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：一种片层化组装硅模具，包括至少两片并列贴合的硅薄片，所述硅薄片上设有定向排列的纤维微结构刻蚀凹槽，相邻硅薄片上的凹槽排列方向一致。上述片层化组装硅模具的制备方法，包括以下制备步骤：步骤1，根据目标纤维的形状轮廓得到基础图案单元，由基础图案单元在平面上阵列得到掩模板图案，将所得到的图案阵列绘制到掩模板上，再通过光刻工艺，将图案阵列从掩模板复制旋涂在硅晶圆表面的光刻胶上；步骤2，以干法刻蚀或湿法刻蚀的方式，将图案化的光刻胶作为掩蔽层，刻蚀硅晶圆，刻蚀完成后再将硅晶圆由背面进行减薄；步骤3，对减薄后的硅晶圆沿开口处所在直线进行划片切割，将硅晶圆切割成若干尺寸相同的条状硅薄片，再将得到的条状硅薄片按开口方向定向并列贴合组装，即得到所述模具。上述片层化组装硅模具在脚状仿壁虎黏附材料制备中的应用。一种脚状仿壁虎黏附材料的制备方法，具体是通过将液态高分子聚合物浇注到权利要求1所述的片层化组装硅模具内并固化，再将固化的高分子聚合物与模具分离后得到的。进一步地，所述高分子聚合物选自聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、附加交联剂的硅高分子弹性体、含丙烯酸酯官能团预聚体、双组份预聚体或橡胶材料。与传统或现有技术对比，本专利技术的有益效果：1、本专利技术的方法可实现具有不同黏附特性的脚状仿壁虎黏附材料可控成型，且直接从黏附纤维的侧面轮廓设计和加工入手，能够实现大深宽比、形貌复杂的纤维阵列结构制备，并具有易脱模、模具可重复使用的优势。2、本专利技术的方法中模具是以条状硅薄片贴合组装而成，因此，可以通过改变硅薄片的数量、尺寸参数来改变模具的尺寸，从而获得不同规格的模具，并且能够通过控制刻蚀尺寸深度及减薄后硅晶圆的厚度改变纤维的厚度和纤维阵列的分布密度。3、本专利技术的方法中模具是通过一次刻蚀成形，从开始至结束只需要使用一个掩模板进行图案蚀刻，且加工过程可控性强，大大降低了生产成本，能够为批量化制备黏附材料提供参考。4、本专利技术的方法能够加工形貌复杂、任意倾斜角度、大深宽比的脚状纤维阵列，克服了传统光刻和干法刻蚀技术仅能加工简单倾斜结构的缺点，且黏附材料最终制备成形的方法采用模具浇注法，工艺简便。附图说明图1为实施例1中脚状仿壁虎黏附材料纤维单元的剖面尺寸图。图2为实施例1中脚状仿壁虎黏附材料纤维单元的立体轮廓。图3为实施例1中制得的硅晶圆示意图。图4为实施例1中脚状剖面纤维阵列模具及黏附材料的示意图。图5为实施例1制得的脚状仿壁虎黏附材料的电镜图。具体实施方式下面结合具体实施例和附图对本专利技术的技术方案作进一步说明。实施例1本实施例设计的脚状仿壁虎黏附材料纤维单元剖面图及具体尺寸如图1所示。具体地，纤维单元的结构同时具有矩形横剖面和脚状纵剖面，所述的同时具有矩形横剖面和脚状纵剖面是指纤维单元的形状。如图2所示，横剖面是指平行于xy的平面，是具有矩形特征的轮廓；纵剖面是指平行于xz的平面，是纤维所具有的可设计的复杂形状轮廓。所述的脚状仿壁虎黏附材料制备方法中使用的片层化组装硅模具，是由n片具有对应微结构刻蚀凹槽的硅薄片定向贴合组装而成，其中，n=所需模具总宽度/硅薄片厚度。其制备方法如下：步骤（1）：以沿纤维b边的纵剖面得到的具有脚状的轮廓为基础图案单元，由该基础图案单元在xz平面上阵列得到所需掩模板图案。将所得到的图案阵列绘制到掩模板上，再通过光刻工艺，将图案阵列从掩模板复制到旋涂在硅晶圆表面的光刻胶上。步骤（2）：以干法刻蚀或湿法刻蚀的方式，将图案化的光刻胶作为掩蔽层，刻蚀硅晶圆，刻蚀完成后再将硅晶圆由背面（未刻蚀面）进行减薄。其中，硅晶圆减薄后的厚度即为单片硅薄片在y方向上的宽度；对硅晶圆的刻蚀深度即为纤维单元中a边的尺寸，对应着纤维结构的厚度。步骤（3）：如图3所示，对步骤（2）减薄后的硅晶圆沿开口处所在直线进行划片切割，将硅晶圆切割成若干尺寸相同的条状硅薄片。将得到的条状硅薄片按开口方向定向放置在一光洁玻璃表面，将开口结构竖直朝上，对准贴合并校正平齐，两侧以夹具固定夹紧，即得到该纤维阵列黏附材料制备中所使用的定向组装的片层化硅模具。其中，开口处是指组装完成后模具的预聚体浇注口；将开口结构竖直朝上的模具组装方向，具体是指以模具xy平面为上表面，z轴正方向竖直向下的方向。如图4所示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种片层化组装硅模具，其特征在于：包括至少两片并列贴合的硅薄片，所述硅薄片上设有定向排列的纤维微结构刻蚀凹槽，相邻硅薄片上的凹槽排列方向一致。

【技术特征摘要】
1.一种片层化组装硅模具，其特征在于：包括至少两片并列贴合的硅薄片，所述硅薄片上设有定向排列的纤维微结构刻蚀凹槽，相邻硅薄片上的凹槽排列方向一致。2.权利要求1所述的片层化组装硅模具的制备方法，其特征在于：包括以下制备步骤：步骤1，根据目标纤维的形状轮廓得到基础图案单元，由基础图案单元在平面上阵列得到掩模板图案，将所得到的图案阵列绘制到掩模板上，再通过光刻工艺，将图案阵列从掩模板复制旋涂在硅晶圆表面的光刻胶上；步骤2，以干法刻蚀或湿法刻蚀的方式，将图案化的光刻胶作为掩蔽层，刻蚀硅晶圆，刻蚀完成后再将硅晶圆由背面进行减薄；步骤3，对减薄后的硅晶圆...

【专利技术属性】
技术研发人员：姬科举，戴振东，唐义强，吴杰，崔恩华，陈健，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，南京溧航仿生产业研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32