垂直碳纳米管阵列/类金刚石薄膜复合黏附材料、制备方法及应用技术

本发明专利技术提供了一种垂直碳纳米管阵列/类金刚石薄膜复合黏附材料制备方法，所述制备方法包括：将转移介质均匀覆盖于目标柔性基底上并加热形成半固化状态；将硅基底上垂直碳纳米管阵列翻转并施加压力使其黏附在半固化转移介质表面，并通过加热固化使转移介质与垂直碳纳米管阵列充分结合；将垂直碳纳米管阵列从硅基底上剥离，得到顶端转移的垂直碳纳米管阵列；利用射频等离子体沉积技术在垂直碳纳米管阵列表面沉积类金刚石薄膜，获得垂直碳纳米管阵列/类金刚石薄膜复合黏附材料。本发明专利技术利用类金刚石的优异力学性能和来提高垂直碳纳米管阵列的黏附特性，通过可增大垂直碳纳米管阵列顶端与待黏附表面的接触面积，具有方法简单，易于操作等优点。易于操作等优点。易于操作等优点。

【技术实现步骤摘要】
垂直碳纳米管阵列/类金刚石薄膜复合黏附材料、制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及新型仿生黏附材料领域，具体地，涉及一种垂直碳纳米管阵列/类金刚石薄膜复合黏附材料、制备方法及应用。

技术介绍

[0002]壁虎卓越的黏附爬行能力得益于其脚趾腹面密布的微纳米层级结构刚毛，这种高超黏附能力的微纳米层级结构与表面紧密接触时，可产生微弱范德华力并汇聚成宏观黏附力，使壁虎黏附系统具有高强黏附、易脱附、可重复黏附等优异性能。这种结构与接触表面产生的黏附力被认为是一种不具方向性和饱和性的范德华力作用，属于干性黏附。近年来，基于这种干黏附作用机理的仿生干黏附材料研制和开发受到了越来越广泛的关注。
[0003]碳纳米管是一种由石墨烯片层按一定螺旋角卷曲而成的无缝、中空螺旋管状纳米结构，具有优异的物理化学特性，尤其是杨氏模量高达1TPa，弯曲模量达0.91
‑
1.24TPa，抗拉强度是钢的100倍，而密度却只有钢的1/6，断裂伸长率达到15％
‑
30％。优异的结构和物理化学性能，以及空间环境的适应性，使得碳纳米管成为制备仿生黏附材料的重要组成部分。垂直定向排列的碳纳米管刚毛阵列具有结构更精细、本身不具粘连性、机械性能好、理论黏附强度高(可超过500N/cm2，是壁虎脚掌黏附强度的50倍)、可规模化生产等优点，有望取代高分子黏附材料。
[0004]经过现有技术检索，专利号ZL201310284325.2公开了一种用于仿壁虎脚掌粘附阵列的粘附材料及其制备方法，它是由硅弹性体主剂A组分，交联剂B组分，碳纳米管组成，碳纳米管按一定比例混合，在适合温度(70～100℃)下固化而形成的复合材料。其中硅弹性体主剂A组分为道康宁184的A组分，交联剂B组分由道康宁184的B组分和道康宁186的B组分混合组成。切向粘附可达到4N/cm2，法向粘附可达到1N/cm2。但是，从微观角度来看，垂直碳纳米管阵列顶端与待黏附接触面积仍然有限，与壁虎脚掌刚毛相比，垂直碳纳米管阵列在粘附性能和材料强度方面还有待提高，同时在阵列密度固定的情况下如何提高黏附性能缺乏系统研究。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种垂直碳纳米管阵列/类金刚石薄膜复合黏附材料及其制备方法，利用类金刚石薄膜增大垂直碳纳米管阵列顶端与待黏附材料的接触面积，同时利用类金刚石的优异力学特性，通过提高垂直碳纳米管阵列的黏附性能。
[0006]本专利技术的目的是通过以下方案实现的：
[0007]本专利技术第一方面提供一种垂直碳纳米管阵列/类金刚石薄膜复合黏附材料制备方法，其特征在于，所述材料由垂直碳纳米管阵列和其表面的类金刚石薄膜组成，
[0008]所述制备方法包括以下步骤：
[0009]步骤一、将转移介质均匀覆盖于目标基底上；
[0010]步骤二：将硅基底上垂直碳纳米管阵列经过高温预氧化处理后翻转置于目标基底上，并施加法向压力使其黏附在半固化转移介质表面；
[0011]步骤三：经过加热处理后，将垂直碳纳米管阵列从硅基底上剥离，得到顶端转移的垂直碳纳米管阵列；
[0012]步骤四：利用离子体化学气相沉积工艺在垂直碳纳米管阵列表面沉积类金刚石薄膜，获得垂直碳纳米管阵列/类金刚石薄膜复合黏附材料。
[0013]优选的，所述步骤一中的转移介质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚氨酯，所述转移介质为半固化状态。
[0014]优选的，所述半固化转移介质通过在60～70℃热板上加热固化1～2小时形成。
[0015]优选的，所述步骤二中所述高温预氧化处理条件为在空气中450～550℃处理，所述高温预氧化处理时间为5～15min。
[0016]优选的，所述步骤二中的法向压力为0.2～0.8N/cm2。
[0017]优选的，所述步骤三中的加热处理温度为60～70℃，所述加热处理固化时间为2～6小时。
[0018]优选的，所述的剥离原理是利用垂直碳纳米管阵列/转移介质之间的结合力大于其与硅基底之间的结合力，使得垂直碳纳米管阵列从原有硅基底上缓慢脱落。
[0019]优选的，所述步骤四中的离子体化学气相沉积工艺蒸发功率为500～700w，所述离子体化学气相沉积工艺沉积时间为2～10min。
[0020]优选的，所述步骤四中垂直碳纳米管阵列/类金刚石薄膜厚度为10～50nm。
[0021]本专利技术第二方面提供一种垂直碳纳米管阵列/类金刚石薄膜复合黏附材料，由直碳纳米管阵列/类金刚石薄膜复合黏附材料制备方法制得。
[0022]本专利技术第三方面提供一种垂直碳纳米管阵列/类金刚石薄膜复合黏附材料在在仿生黏附领域的应用，具体的用于地面垂直方向的攀爬及对空间碎片的黏附抓取。
[0023]与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：
[0024]1、本专利技术所制备的垂直碳纳米管阵列/类金刚石薄膜复合黏附材料顶端较为平坦，可与待黏附材料更好地接触，同时可利用类金刚石优异的力学特性，进一步提高黏附性能，黏压比可达1.65。
[0025]2、本专利技术在垂直碳纳米管阵列顶端沉积一层纳米级厚度的类金刚石薄膜，可以增大顶端比表面积，同时也可以部分填充垂直碳纳米管阵列内的空隙间距，进而改善其力学性能。
[0026]3、碳纳米管和类金刚石均由碳元素构筑，且原子杂化相近，在两者原子级接触的界面处更易形成较强的范德华作用力，在垂直碳纳米管阵列形变时也不易发生界面分离等问题。
附图说明
[0027]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0028]图1是垂直碳纳米管阵列/类金刚石薄膜复合黏附材料制备流程图；
[0029]图2是实施例1顶端转移的垂直碳纳米管阵列侧面和顶端的SEM图像；
[0030]图3是实施例1垂直碳纳米管阵列/类金刚石薄膜复合黏附材料顶端的SEM图；
具体实施方式
[0031]下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。
[0032]实施例1：
[0033]如图1所示是垂直碳纳米管阵列/类金刚石薄膜复合黏附材料制备流程图，具体步骤如下：
[0034]步骤一、将PDMS基本组分和固化剂(Sylgard 184Silicone Elastomer,Dow Corning)按重量比例为10:1的液体混合物完全混合，并使用真空泵在减压下脱气。然后将液态PDMS混合物放在65℃的热板上加热固化2小时形成半固化PDMS溶液。利用旋涂法将PDMS溶液均匀涂覆在目标基底表面，转速设为5000rpm，旋涂的时间约30s；
[0035]步骤二、将硅基底上垂直碳纳米管阵列置于管式炉中，在大气环境下升温至500℃并处理1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种垂直碳纳米管阵列/类金刚石薄膜复合黏附材料制备方法，其特征在于，所述材料由垂直碳纳米管阵列和其表面的类金刚石薄膜组成，所述制备方法包括以下步骤：步骤一、将转移介质均匀覆盖于目标基底上；步骤二、将硅基底上垂直碳纳米管阵列经过高温预氧化处理后翻转置于目标基底上，并施加法向压力使其黏附在半固化转移介质表面；步骤三、经过加热处理后，将垂直碳纳米管阵列从硅基底上剥离，得到顶端转移的垂直碳纳米管阵列；步骤四、利用离子体化学气相沉积工艺在垂直碳纳米管阵列表面沉积类金刚石薄膜，获得垂直碳纳米管阵列/类金刚石薄膜复合黏附材料。2.根据权利要求1所述的一种垂直碳纳米管阵列/类金刚石薄膜复合黏附材料制备方法，其特征在于，所述步骤一中的转移介质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚氨酯，所述转移介质为半固化状态。3.根据权利要求2所述的一种垂直碳纳米管阵列/类金刚石薄膜复合黏附材料制备方法，其特征在于，所述半固化转移介质通过在60～70℃热板上加热固化1～2小时形成。4.根据权利要求1所述的一种垂直碳纳米管阵列/类金刚石薄膜复合黏附材料制备方法，其特征在于，步骤二中所述高温预氧化处理条件为在空气中450～55...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏言杰，慕忠成，张罗茜，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：