一种磁控仿生薄膜微结构的制造方法技术

本发明专利技术公开了一种磁控仿生薄膜微结构的制造方法，属于智能材料和微细加工领域。本发明专利技术通过限定磁性纳米粒子与PDMS混合物的混合比例和混合方式，结合玻璃棒搅拌、超声波振荡和涡旋混匀控制磁性纳米粒子在PDMS中的分布和形态，获得的薄膜微结构既具有良好的磁响应特性，又能够形成精细的薄膜表面微结构。另外，薄膜的显微组织和磁性纳米粒子的浓度对磁致弹性模量有显著影响，本发明专利技术提供了3种显微组织的形成方法并限定了磁性纳米粒子的浓度范围，可以实现通过磁场有效地控制薄膜微结构的摩擦性能和运动特性。摩擦性能和运动特性。摩擦性能和运动特性。

【技术实现步骤摘要】
一种磁控仿生薄膜微结构的制造方法


[0001]本专利技术属于智能材料和微细加工领域，涉及一种磁控仿生薄膜微结构的制造方法。

技术介绍

[0002]磁流变弹性体(Magnetorheological Elastomer,MRE)是一种由非磁性的弹性聚合物基体和磁性粒子组成的复合材料，能够对磁场、力、温度等外界刺激产生响应，具有磁致弹性、磁致电阻、磁致伸缩、压电电阻、热阻等功能特性，在工程领域应用前景广阔。现有技术主要涉及大尺度MRE材料的力学性能及应用，其中也包括摩擦性能及应用，但没有关于微尺度MRE材料摩擦性能及应用的技术方案。

技术实现思路

[0003]为了提升小尺度软体机器人的运动控制，本专利技术提供了一种磁控仿生薄膜微结构的制造方法。
[0004]本专利技术的技术方案是：
[0005]一种磁控仿生薄膜微结构的制造方法，包括以下步骤：
[0006]S1.将负光刻胶均匀旋涂于基底上；
[0007]S2.采用光刻工艺在负光刻胶表面形成微米尺度正六边形凹槽阵列凹模板；
[0008]S3.将PDMS预聚物和固化剂以重量比10:1充分混合得到PDMS混合物；
[0009]S4.将磁性纳米粒子以10％
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40％的重量百分比与步骤S3所得PDMS混合物混合均匀，得到PDMS
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磁性纳米粒子液态混合物；
[0010]S5.将步骤S2所得凹模板放置于匀胶机样品台中心位置并固定，取步骤S4获得的PDMS
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磁性纳米粒子液态混合物置于凹模版的中心部位进行旋涂，得到厚度30
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100微米的PDMS
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磁性纳米粒子复合涂膜；
[0011]S6.将步骤S5获得的PDMS
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磁性纳米粒子复合涂膜放置于磁场中60
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80分钟，在磁场作用下磁性纳米粒子沿磁场方向重新排列，形成各向异性显微组织；
[0012]S7.烘烤步骤S6所述处于磁场中的PDMS
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磁性纳米粒子复合涂膜，直至PDMS完全固化，剥离凹模板即得到磁控仿生薄膜微结构。
[0013]进一步地，将步骤S5所得的PDMS
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磁性纳米粒子复合涂膜不经步骤S6处理，而是直接烘烤、脱模，即执行步骤S7，所得薄膜微结构的显微组织为各向同性。
[0014]进一步地，所述S4中混合方式为：用玻璃棒充分搅拌后，放入超声波振荡仪中振荡10
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30分钟，然后使用涡旋混匀器振荡1
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3分钟，得到PDMS
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磁性纳米粒子液态混合物。
[0015]进一步地，所述磁性纳米粒子为Fe3O4纳米粒子或羰基铁纳米粒子。
[0016]进一步地，所述磁性纳米粒子为粒径20
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50nm的球形粒子。
[0017]进一步地，所述S6中磁场方向平行或者垂直于PDMS
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磁性纳米粒子复合涂膜。
[0018]采用本专利技术方法制造的磁控仿生薄膜微结构是表面具有微米尺度正六棱柱阵列
的以PDMS为基体的磁流变弹性体薄膜微结构。由于尺度效应，微尺度材料磁流变弹性体薄膜具有不同于大尺度磁流变弹性体材料的磁致力学性能。本专利技术通过在仿生材料PDMS的薄膜微结构中添加一定量的磁性纳米粒子，制造了磁控仿生薄膜微结构，通过改变施加的外磁场调节PDMS基磁流变弹性体薄膜材料的弹性模量，从而改变薄膜微结构的摩擦性能。另一方面，本专利技术的薄膜表面的微米尺度正六棱柱阵列微结构设计来源于树蛙足趾板表面的六棱柱结构，这种精细的微结构是生物进化过程中形成的几何优化结构，有利于树蛙的爬行运动。本专利技术的磁控仿生薄膜微结构可用于小尺度软体机器人的足部或体表，当机器人爬行时施加磁场会改变薄膜微结构的弹性模量，进而导致机器人足部或体表与外界环境物表面的接触面积和摩擦力发生变化，最终改变机器人的运动状态。因此通过施加磁场可以控制机器人的运动。相比其它驱动方式，磁力驱动不需要表面接触、无磨损，驱动系统结构简单、可靠性高，此外，磁场驱动不需要媒介，可以在比较大的空间范围实施。
[0019]本专利技术的薄膜微结构由PDMS和磁性纳米粒子组成的复合材料制造，磁性纳米粒子在PDMS中的分布和形态会显著影响薄膜材料的磁致弹性模量。磁性纳米粒子过于弥散不利于磁响应特性，但如果结团过于严重和分布不均匀又不利于在薄膜表面形成精细的微结构。在本专利技术提供的薄膜微结构制造方法中，通过详细的限定磁性纳米粒子与PDMS混合物的混合比例和混合方式，适当地结合玻璃棒搅拌、超声波振荡和涡旋混匀控制磁性纳米粒子在PDMS中的分布和形态，获得的薄膜微结构既具有良好的磁响应特性，又能够形成精细的薄膜表面微结构。另外，薄膜的显微组织和磁性纳米粒子的浓度对磁致弹性模量有显著影响，本专利技术提供了3种显微组织的形成方法并限定了磁性纳米粒子的浓度范围，可以实现通过磁场有效地控制薄膜微结构的摩擦性能和运动特性。
附图说明
[0020]图1为在制造本专利技术的磁控仿生薄膜微结构过程中施加磁场的示意图：(a)磁场方向平行于薄膜表面；(b)磁场方向垂直于薄膜表面。
[0021]图2具有不同显微组织的磁控仿生薄膜微结构示意图：(a)平行各向异性显微组织(Fe3O4纳米粒子聚集形成平行于薄膜表面的纤维状结构)；(b)垂直各向异性显微组织(Fe3O4纳米粒子聚集形成垂直于薄膜表面的柱状结构)；(c)各向同性显微组织。
[0022]图3为PDMS
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Fe3O4复合薄膜显微组织的光学显微镜图片：(a)平行各向异性,Fe3O4重量百分比为10％；(b)垂直各向异性,Fe3O4重量百分比为10％；(c)各向同性,Fe3O4重量百分比为10％；(d)平行各向异性,Fe3O4重量百分比为40％；(e)垂直各向异性,Fe3O4重量百分比为40％；(f)各向同性,Fe3O4重量百分比为40％。薄膜厚度均为13微米。
[0023]图4为PDMS
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Fe3O4复合薄膜中的磁致应力随Fe3O4浓度(重量百分比)变化的关系曲线图。薄膜厚度为13微米；所施加磁场的方向平行于薄膜表面，磁感应强度为150mT。
[0024]图5(a)为平行各向异性(Fe3O4纳米粒子聚集形成平行于薄膜表面的纤维状结构)PDMS
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10％Fe3O4复合薄膜中用于数字图像相关分析的区域；(b)所选择薄膜区域在外磁场作用下沿平行于磁场方向的应变分布；(c)所选择薄膜区域在外磁场作用下沿垂直于磁场方向的应变分布。薄膜厚度为13微米，薄膜中Fe3O4重量百分数为10％；所施加磁场的方向平行于薄膜表面，磁感应强度为80mT。
[0025]图6(a)为垂直各向异性(Fe3O4纳米粒子聚集形成垂直于薄膜表面的柱状结构)
PDMS
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10％Fe3O4复合薄膜中用于数字图像相关分析的区域；(b)所选择薄膜区域在外磁场作用下沿平行于磁场本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁控仿生薄膜微结构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.将负光刻胶均匀旋涂于基底上；S2.采用光刻工艺在负光刻胶表面形成微米尺度正六边形凹槽阵列凹模板；S3.将PDMS预聚物和固化剂以重量比10:1充分混合得到PDMS混合物；S4.将磁性纳米粒子以10％
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40％的重量百分比与步骤S3所得PDMS混合物混合均匀，得到PDMS
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磁性纳米粒子液态混合物；S5.将步骤S2所得凹模板放置于匀胶机样品台中心位置并固定，取步骤S4获得的PDMS
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磁性纳米粒子液态混合物置于凹模版的中心部位进行旋涂，得到厚度30
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100微米的PDMS
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磁性纳米粒子复合涂膜；S6.将步骤S5获得的PDMS
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磁性纳米粒子复合涂膜放置于磁场中60
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80分钟，在磁场作用下磁性纳米粒子沿磁场方向重新排列，形成各向异性显微组织；S7.烘烤步骤S6所述处于磁场中的PDMS
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磁性纳米粒子复合涂膜，直至PDMS完全...

【专利技术属性】
技术研发人员：张遒姝，彭倍，马志楠，文盼，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：