操纵液滴定向运输的倾斜阵列微结构表面及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种操纵液滴定向运输的倾斜阵列微结构表面及其制备方法，涉及微结构功能表面制备技术领域。该方法通过在NiTi形状记忆合金表面设计加工倾斜角度为30

【技术实现步骤摘要】
操纵液滴定向运输的倾斜阵列微结构表面及其制备方法


[0001]本专利技术属于微结构功能表面制备
，具体涉及操纵液滴定向运输的倾斜阵列微结构表面及其制备方法。

技术介绍

[0002]液滴的定向传输是液滴在不同的微结构表面通过化学润湿梯度、结构梯度或其他外部刺激产生设定方向的快速移动，移动的液滴可以作为一个独立的单体或者能量传递的载体，在生物医学检测、水雾收集及微流控等领域表现出极大的应用价值。近些年来受到自然界生物体表面对外界环境的变化而调整表面微结的形态改变流体特性的启发，广大研究人员致力于构建外界刺激响应的微结构以实现对液滴的操纵与润湿调控，并且由于刺激响应的微结构具有提高液滴传输体积、增强传输能力、结构可控性好以及操纵简单的优点，可以满足实际的功能应用需求成为研究的热点。
[0003]近年来，研究人员已经报道了多种具有液滴定向运输的操纵与制备与方法。如公布号为CN114570306A的中国专利技术专利(三向异性超滑表面、液体定向运输的方法和微反应器)，主要通过飞秒激在铜基体上加工阶梯阵列微结构，并通过化学溶液刻蚀纳米结构，低表面能处理和注入润滑剂制备液滴定向运输结构表面，并进入垂直结构方向的低频机械振动实现了水滴的定向运输。但该专利技术的制造过程复杂，并且注入润滑油有污染液体以及机械耐久性不足的问题。WuDong等人(Advanced Materials 2022,34(12),2108567)等人通过飞秒激光在聚二甲基硅氧烷(PDMS)加工倾斜阵列结构，并通过引入平行结构表面的低频机械振动实现了水滴的定向传输，但PDMS的机械稳定性差，飞秒制造成本高，且难以实现大面积的可控制制造。此外上述结构形状是不可调控的，只能实现固定单向液体运输，不能控制液体的定向运输，无法满足液滴运输在实际的应用需求。而公开的CN109336048B中国专利技术专利(一种用于液体定向运输的系统及其制备方法和应用)，主要通过模板法制造磁性颗粒混合的聚二甲基硅氧烷(PDMS)硅橡胶阵列结构，通过外界磁场控制结构的变形而控制水滴的传输，但制备的微结构精度、变形的可控性以及机械耐用性差。同时，磁性颗粒将污染运输的液体导致应用场景的受到限制。
[0004]因此，有必要开发大面积、高精度、集成化、可操纵的智能响应微结构表面和经济适用性的调控手段的方法来实现此目的。目前对于如何利用一种简单高效的方法在金属形状记忆材料表面制造微结构实现液滴定向运输的操纵还未见报道。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种操纵液滴定向运输的倾斜阵列微结构表面及其制备方法，用于解决现有技术中如何利用一种简单高效的方法在金属形状记忆材料表面制造微结构实现液滴定向运输的操纵的技术问题。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：
[0007]本专利技术提供了一种操纵液滴定向运输的倾斜阵列微结构表面，通过在NiTi形状记
忆合金表面加工周期性倾斜结构得到，该周期性倾斜结构与水平基体底面的夹角A为30
°
、厚度L1为100μm、高度H为400μm，结构的宽度L2为400μm，纵向间距L3为200μm，横向间距L分别为400、500、600、700或800μm，通过改变微结构间距对不同大小液滴在结构表面的粘附力大小进行调节。
[0008]本专利技术还提供了上述操纵液滴定向运输的倾斜阵列微结构表面的制备方法，包括以下步骤：
[0009]步骤一：根据大绢斑蝶翅膀表面微结构的分布与倾斜角度设计倾斜阵列结构的尺寸参数，根据倾斜阵列微结构的尺寸参数绘制电火花线切割加工时电极丝运动轨迹图纸；
[0010]步骤二：将步骤一绘制的电极丝运动轨迹图纸导入到慢走丝机床中生成电极丝移动的执行程序，进行倾斜阵列微结构的加工；
[0011]步骤三：将步骤二加工完成的周期性倾斜阵列微结构试样采用电化学进行抛光，去除电火花线切割加工后表面残留的重铸层；
[0012]步骤四：将步骤三抛光完成的周期性倾斜阵列微结构试样在酒精溶液中进行超声波清洗5分钟，去除加工的附着碎屑；
[0013]步骤五：在室温下，将步骤四清洗完成的微结构试样置于低表面能溶液中浸泡修饰2小时，取出在80℃下中烘干1小时，即可获得超疏水NiTi形状记忆合金周期性倾斜阵列微结构表面；
[0014]步骤六：得到的超疏水NiTi形状记忆合金周期性倾斜阵列微结构表面将产生各向异性滚动润湿，并且随着NiTi形状记忆倾斜阵列微结构形态在切换时产生可切换的各向异性滚特性，为液滴定向运输操纵奠定基础；
[0015]步骤七：将超疏水NiTi形状记忆合金周期性倾斜阵列微结构试样固定在低频振动实验台上，并将7μL液滴置于微结构表面，接通震动平台的电源并施加低频振动信号，实现液滴的定向运输；
[0016]步骤八：通过机械压力将NiTi形状记忆合金周期性倾斜阵列微结构试样控制一定弯曲，此时水滴与微结构的接触面积增加导致粘附阻力增大，水滴在机械振动作用下产生的动能难以克服粘附阻力，进而控制了水滴的定向传输；
[0017]步骤九：通过热触发变形的NiTi形状记忆合金微结构使其回复到初始结构状态，水滴与微结构的粘附阻力降低，水滴可实现定向传输。
[0018]作为本专利技术进一步改进的方案，步骤一中设计倾斜阵列微结构时，通过设计不同倾斜结构之间的间距，调整液滴与微结构的接触面积，控制液滴的运输速度以及滚动角的大小。
[0019]作为本专利技术进一步改进的方案，倾斜阵列微结构的加工过程包括两个阶段：
[0020]阶段一、在NiTi形状记忆合金棒料的端面利用慢走丝电火花线切割机床在图纸生成的程序指令下，进行倾斜角度为30
°
的周期性阵列微槽结构的加工；
[0021]阶段二、将加工好的带有周期性阵列倾斜微槽结构棒料转置90
°
，再次装夹校正，并使倾斜微槽与电极丝垂直，慢走丝电火花线切割机床按照导入图纸生成的指令进行周期性垂直凹槽的加工，最终加工得到大绢斑蝶翅膀周期性倾斜阵列结构。
[0022]作为本专利技术进一步改进的方案，步骤二中在NiTi形状记忆合金微结构加工时，采用粗加工与精加工相结合的工艺；并在精加工时依次按照加工顺序降低电火花加工的放电
能量和材料去除的偏移量。
[0023]作为本专利技术进一步改进的方案，步骤二中电极丝移动的执行程序生成时，峰值电压、电极丝运行速度和电极丝张力分别为85V、120mm/s和4N且保持不变。
[0024]作为本专利技术进一步改进的方案，步骤七中低频振动信号的施加振幅为1.5mm、振动频率为50Hz，并且通过改变振动频率和振幅控制不同体积液滴的传输控制。
[0025]作为本专利技术进一步改进的方案，步骤八中机械压力控制弯曲使微结构的倾斜角度由原来的30
°
降低到10
°
。
[0026]作为本专利技术进一步改进的方案，步骤九中热触发变形具体是通过温度可控制的电热偶将临时变形微结构加热激至NiTi形状本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.操纵液滴定向运输的倾斜阵列微结构表面，其特征在于，通过在NiTi形状记忆合金表面加工周期性倾斜结构得到，该周期性倾斜结构与水平基体底面的夹角A为30
°
、厚度L1为100μm、高度H为400μm，结构的宽度L2为400μm，纵向间距L3为200μm，横向间距L分别为400、500、600、700或800μm，通过改变微结构间距对不同大小液滴在结构表面的粘附力大小进行调节。2.操纵液滴定向运输的倾斜阵列微结构表面的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：根据大绢斑蝶翅膀表面微结构的分布与倾斜角度设计倾斜阵列结构的尺寸参数，根据倾斜阵列微结构的尺寸参数绘制电火花线切割加工时电极丝运动轨迹图纸；步骤二：将步骤一绘制的电极丝运动轨迹图纸导入到慢走丝机床中生成电极丝移动的执行程序，进行倾斜阵列微结构的加工；步骤三：将步骤二加工完成的周期性倾斜阵列微结构试样采用电化学进行抛光，去除电火花线切割加工后表面残留的重铸层；步骤四：将步骤三抛光完成的周期性倾斜阵列微结构试样在酒精溶液中进行超声波清洗5分钟，去除加工的附着碎屑；步骤五：在室温下，将步骤四清洗完成的微结构试样置于低表面能溶液中浸泡修饰2小时，取出在80℃下中烘干1小时，即可获得超疏水NiTi形状记忆合金周期性倾斜阵列微结构表面；步骤六：得到的超疏水NiTi形状记忆合金周期性倾斜阵列微结构表面将产生各向异性滚动润湿，并且随着NiTi形状记忆倾斜阵列微结构形态在切换时产生可切换的各向异性滚特性，为液滴定向运输操纵奠定基础；步骤七：将超疏水NiTi形状记忆合金周期性倾斜阵列微结构试样固定在低频振动实验台上，并将7μL液滴置于微结构表面，接通震动平台的电源并施加低频振动信号，实现液滴的定向运输；步骤八：通过机械压力将NiTi形状记忆合金周期性倾斜阵列微结构试样控制一定弯曲，此时水滴与微结构的接触面积增加导致粘附阻力增大，水滴在机械振动作用下产生的动能难以克服粘附阻力，进而控制了水滴的定向传输；步骤九：通过热触发变形的NiTi形状记忆合金微结构使其回复到初始结构状态，水滴与微结构的粘附阻力降低，水滴可实现定向传输。3.根据权利要求2所述的操纵液滴定向运输的倾斜阵列微结构表...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯永刚，孙伦业，石善良，李先国，
申请(专利权)人：安徽理工大学，
类型：发明
国别省市：