一种减阻表面的制造方法技术

本发明专利技术公开了一种减阻表面的制造方法。该减阻表面基于表面形貌结构的形状、尺寸以及排布方式等对动态接触角的影响，设计和排布出使动态接触角较小的微结构拓扑，在基片表面上制作出交错排列的微米级结构阵列。本发明专利技术制作减阻表面的方法是以紫外压印光刻技术为转移手段，模板可重复使用；以氟化工艺为表面处理手段，使微结构表面的表面能极低，减小粘附力。用于微机电系统器件表面，能减小微尺度下的表面摩擦、磨损及粘附失效；用于运输管道和微流器件表面，能降低流体在微通道中的沿程压力损失，减小流体的流动阻力，增大流速；用于航空、航天、航海、交通运输等领域中，能减小能耗，节省能源。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微纳制造
，涉及。技术背景在流体中航行体的能源主要被用来克服行进中的阻力，阻力主要包括摩 擦阻力和压差阻力等，其中摩擦阻力占主要成分，对于水下航行体如潜艇等可达到80%;对于诸如输油管道这类管道运输，其能量的80% 100%被用 来克服流体流经固体表面的摩擦阻力。因此尽量减小表面摩擦阻力是提高航 速和节约能源的主要途径。随着微机电的发展，机构尺度越来越小，固液界 面中的摩擦阻力相对越来越大，如微流道等的摩擦阻力问题已成为相关器件 发展的一个重要的制约因素。为尽可能减少摩擦，抑制摩擦过程中的粘滑现象和静接触下的粘附现 象，各国研究者进行不懈的探索。目前国内外研究主要集中在薄膜润滑和表 面形貌设计两方面。在宏观摩擦学研究中，已经有大量的试验结果表明，可以通过合理的表 面形貌修饰和设计来获得良好的摩擦学性能。例如清华大学摩擦学国家重点 实验室的温诗铸等人进行了微观摩擦与表面形貌相关性的试验研究，研究表 明在硅片上制作出合适的条纹有助于降低摩擦系数，但由于硅片表面是用机 械加工的方法经过研磨和抛光加工得到的单一方向的条纹形貌，此形貌在低 速低载时会使得摩擦力和载荷不稳定，引起摩擦震动，为需减阻的对象带来 新的问题。在微观摩擦学研究中也已证明，原子尺度的摩擦力与表面微观形貌有密 切关系。例如日本东京首都大学机械工程学院的Watanabe等人通过热膜测 速技术对直径为6mm到12mm的管道进行了研究，管道内壁分布着10—20 ^m的微裂纹，研究证明微裂纹的存在对水流有一定的减阻效果，但由于微裂纹的间隔及方向都具有随机性，减阻效果稳定性差。在关于表面形貌减阻研究中，接触角大小是一个重要影响因素。其中静 态接触角大小与减阻效果无关，而动态接触角大小却对减阻效果影响很大。 而目前表面形貌减阻研究并没有考虑到动态接触角的影响这一点。本申请正 是基于表面形貌结构的形状、尺寸以及排布方式等对动态接触角影响的考 虑，通过合理设计和排布微结构的拓扑结构，使得动态接触角较小，并结合 表面氟化工艺，来达到较好的减阻效果。目前国内外有关航行体、运输管道和微机电系统等减阻技术的研究与应 用，基本上仍是以机械加工方法为基础，但机械加工方法能加工的材料种类 有限。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服上述现有技术的不足之处，提出。该表面能够克服表面摩擦、磨损以及粘附失效；能够显著地降低流 体在运输管道和微通道中的沿程压力损失，增大流体的流动速度；能够大大 减小燃油的消耗。本专利技术所采取的制造方法先采用光学光刻法或者电子束直写制造模版， 然后通过紫外压印光刻技术UV-IL及后续刻蚀把图形转移到基片上，最终 结合表面氟化工艺在基片上进行减阻表面的制备。紫外压印光刻技术是一种 简单方便的二维或三维微纳结构制备方法，且对基底材料选择面广，能够实 现低成本批量化生产；氟化工艺可以极大地降低表面的表面能，减小粘附力， 两者结合可以得到效果更佳的减阻表面。为实现上述专利技术目的，采取的技术解决方案是在基片硅、工程塑料或 者金属材料，即减阻表面上制造出交错排列的微米阵列，阵列中各微柱或凹 坑的长、宽为l 130um，高度为10 150um，微柱或凹坑之间的间距为 2 260um，表面为氟自组装单分子层。一种制作减阻表面的制造方法，包括以下步骤1)用光学光刻法或电子束直写制备压印模版，在模版上得到预先设计 的微结构图案；2) 在基片表面上用匀胶机均匀涂铺一层液态高分子聚合物阻蚀胶，待 其自由流平；若要得到与模版具有相同结构的表面，则使用正胶，所述正胶 是经光照后变成可溶物质的阻蚀胶；若要得到与模版具有互补结构的表面， 则使用负胶，所述负胶是经光照后形成不可溶物质的阻蚀胶；3) 将模版压入阻蚀胶层，通过紫外光曝光使阻蚀胶发生聚合反应或者 裂解反应硬化成型；4) 释放压力并将模版脱离基片；5) 对基片进行反应离子刻蚀并除去残留的阻蚀胶，即可得到与模版等 比例的图案；6) 在干燥箱中对带有微结构图形的基片表面进行氟化处理，即得到减 阻表面。若只需要单件生产，则可直接使用电子束或者光学光刻法对所需要的基 片材料进行加工。本专利技术采用紫外压印光刻技术，能实现批量生产，并使成本大大降低。 本专利技术用于微机电器件表面，能够克服微尺度下的表面尺寸效应导致的表面 摩擦、磨损以及粘附失效；用于运输管道和微流器件等表面，能够显著地降 低流体在微通道中的沿程压力损失，减小流体的流动阻力，增大流体的流动 速度；用于宏观领域，如航空、航天、航海及交通运输领域中，可减小能耗， 节省能源。附图说明图l为制备的压印模版的主视示意图； 图2为压印模板的仰视示意图一； 图3为压印模板的仰视示意图二 图4为压印模板的仰视示意图三图5为压印模板的仰视示意图四； 图6为基片上涂铺光刻胶的示意图； 图7为紫外光照射固化阻蚀胶过程示意图； 图8为脱模过程示意图；图9为反应离子刻蚀过程示意图； 图10为在基片上得到的微结构阵列示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步详细说明。，在基片即减阻表面上制造出交错排列的微米 阵列l，包括下列步骤1) 用光学光刻法或电子束制备压印模版，在模版上得到预先设计的微 结构图案；2) 在基片3表面上用匀胶机均匀涂铺一层液态高分子聚合物阻蚀胶2， 待其自由流平；3) 将模版压入阻蚀胶层，通过紫外光曝光使阻蚀胶发生聚合反应或者 裂解反应硬化成型；4) 释放压力并将模版脱离基片；5) 对基片3进行反应离子刻蚀并除去残留的阻蚀胶，即可得到与模版等 比例的图案；6) 在干燥箱中对带有微结构图形的基片表面进行有机氟化处理，即得 到减阻表面。所述在基片3表面上制造交错排列的微米阵列，各微柱或凹坑的长、宽 为l 130nm，高度为10 150um，微柱或凹坑之间的间距为2 260u m， 表面为氟自组装单分子层。通过紫外压印光刻技术进行图形转移，模版上的 图形被复制到图形转移层。步骤l所述的模版必须是能够让紫外线穿透的石英或者聚二甲基硅氧烷 材料等。步骤l中用电子束制备模版前，模版表面镀有一层Cr，厚度为10— 600nm。所述的基片材料是硅、二氧化硅、工程塑料、金属等。所述步骤2中的用匀胶机将液态高分子阻蚀胶涂铺在基片表面，待其自 然流平，若要得到与模版具有相同结构的表面，则使用正胶，所述正胶是经 光照后变成可溶物质的阻蚀胶；若要得到与模版具有互补结构的表面，则使 用负胶，所述负胶是经光照后形成不可溶物质的阻蚀胶。所述步骤3中的将模版压入阻蚀胶层并且照射紫外光使阻蚀胶发生聚合反应或者裂解反应硬化成型。对带有微结构的基片表面进行氟化处理，获得 低表面能氟自组装单分子层，使用的氟化物为二甲基-^ -全氟辛酰氧丙基硅 垸、全氟辛酰胺丙基硅垸、三氟丙基硅油、十三氟辛基三乙氧基硅烷、十三 氟正辛基三氯硅烷中的任意一种或者两种的组合。图1 _图5为模版示意图，本专利技术设计的压印模版表面具有微结构阵列1 ， 微结构阵列l为交错排列，以保证动态接触角较小，减阻效果好。阵列l中各 微柱或凹坑的长W1、宽W2为l 130Pm，高度W3为10 150um，微柱或 凹坑之间的间距W4为2 260um，微米阵列l剖面的形状可为圆柱、正方形、 长方形、菱形或六边形以及其他不规则图形等。图6—图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种减阻表面的制造方法，在基片表面上制造出交错排列的微米阵列，包括下列步骤：　１）制备压印模版，在模版上得到预先设计的微结构图案；　２）在基片表面上均匀涂铺一层液态高分子聚合物阻蚀胶，待其自由流平；　３）模版压入阻蚀胶层，通过曝光使阻蚀胶发生化学反应硬化成型；　４）释放压力并将模版脱离基片；　５）对基片进行反应离子刻蚀并除去残留的阻蚀胶，即可得到与模版等比例的图案；　６）对带有微结构图形的基片表面进行氟化处理，即得到减阻表面。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王莉，丁玉成，郝秀清，卢秉恒，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]