一种毫微三级的跨尺度干粘附复合结构及其制备工艺的制作方法

本发明属于干粘附结构技术领域，具体涉及一种毫微三级的跨尺度干粘附复合结构及其制备工艺。

背景技术：

许多小型攀爬动物，例如壁虎、蜘蛛等能够在墙面上自由行走，它们的粘附具有以下优点：可以快速脱粘，重复利用；不需要外场(电磁场、真空)辅助；没有分泌粘附液体，属于干粘附，不会污染表面；具有自清洁等特点。许多的仿生干粘附结构被提出来，以实现上述优点并应用到实际工程中。在这些优点当中，强力粘附快速脱粘，以及重复利用的特点最具有应用前景，因此，有许多能够增加粘附与脱附之间的比值(即各向异性比值)，实现快速粘附与脱附转换的结构被设计提出，例如采用微米级的倾斜柱子，具有缺陷的微米级帽子末端，其它非圆型的柱子阵列(如三角形，梯形)等，然而，这些传统的设计方案仍然存在着很多的不足之处：微米级的倾斜柱子变形尺度有限，导致粘附与脱附之间的比值受限，不能提供很好的粘与脱的转换；具有缺陷的微米级帽子末端能够提供很好的各向异性粘附，但是以牺牲粘附强度为代价的；各种非圆形结构所提供的各向异性性能也是很有限的。

技术实现要素：

为了克服上述结构设计缺点，本发明的目的在于提供一种毫微三级的跨尺度干粘附复合结构及其制备工艺，该干粘附复合结构能够满足强力粘附以及快速的脱附，制备工艺简单可靠，成本低廉。

为了达到上述目标，本发明的技术方案为：

一种毫微三级的跨尺度干粘附复合结构，包括第一级底层倾斜的毫米级片状结构1，在第一级底层倾斜的毫米级片状结构1的倾斜表面覆盖第二级微米级柱子阵列结构2，第二级微米级柱子阵列2的顶部设有第三级微米级蘑菇型末端3，第一级底层倾斜的毫米级片状结构1为毫米级尺度，第二级微米级柱子阵列结构2和第三级微米级蘑菇型末端3均为微米级尺度。

一种毫微三级的跨尺度干粘附复合结构的制备工艺，包括以下步骤：

第一步，第一级底层倾斜的毫米级片状结构1的制备：首先采用机加工技术制备具有倾斜槽状结构的金属模具4，将未固化的硅橡胶5灌入金属模具4中，待硅橡胶5完全固化后从金属模具4中翻出，得到第一级底层倾斜的毫米级片状结构1；

第二步，将第一级底层倾斜的毫米级片状结构1在压力p作用下，压在基底6表面未固化的硅橡胶5上，撤去压力p，第一级底层倾斜的毫米级片状结构1的倾斜表面则会蘸取一层未固化的硅橡胶5；

第三步，将第二步得到的蘸有未固化的硅橡胶5的第一级底层倾斜的毫米级片状结构1压在微米级具有蘑菇型末端的孔阵列模具7上，在真空环境下，未固化的硅橡胶5将会填入具有蘑菇型末端的孔阵列模具7中，待硅橡胶5固化后，从具有蘑菇型末端的孔阵列模具7中翻出，形成第二级微米级柱子阵列结构2以及第二级微米级柱子阵列2顶部的第三级微米级蘑菇型末端3，得到毫微三级的跨尺度干粘附复合结构。

所述的具有蘑菇型末端的孔阵列模具7是由双面紫外曝光工艺制备的，其材料是光刻胶；双面紫外曝光工艺中，硅橡胶5固化后，在从具有蘑菇型末端的孔阵列模具7中翻出之前，先用酒精将光刻胶洗掉。

本发明的有益效果为：

首先，从宏观角度出发，采用第一级底层倾斜的毫米级片状结构1，使干粘附结构拥有很好的脱附性能；其次在第一级底层倾斜的毫米级片状结构1的倾斜表面制备一层第二级微米级柱子阵列2，使干粘附结构拥有很好的粘附性能；最后在第二级微米级柱子阵列2做上第三级微米级蘑菇型末端3，再一次提升粘附性能。通过毫米级结构提供快速的脱附，微米级结构提供高强度的粘附，实现强粘易脱的粘附效果，满足实际工程需求。其制备工艺简单可靠，制造成本很低，适合于大面积生产。

附图说明：

图1为本发明的毫微三级的跨尺度干粘附复合结构的整体示意图。

图2为第一级底层倾斜的毫米级片状结构1的制备工艺示意图。

图3为第一级底层倾斜的毫米级片状结构1的蘸取工艺示意图。

图4为毫微三级的跨尺度干粘附复合结构的制备工艺示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

参照图1，一种毫微三级的跨尺度干粘附复合结构，包括第一级底层倾斜的毫米级片状结构1，其倾斜角度为a，高度为h1，倾斜面之间的间距为l1；在第一级底层倾斜的毫米级片状结构1的倾斜表面覆盖第二级微米级柱子阵列结构2，柱子的高度为h2，柱子之间的间距为l2；第二级微米级柱子阵列2的顶部设有第三级微米级蘑菇型末端3，第三级微米级蘑菇型末端3的直径为d1；第一级底层倾斜的毫米级片状结构1为毫米级尺度，第二级微米级柱子阵列结构2和第三级微米级蘑菇型末端3均为微米级尺度。

毫微三级的跨尺度干粘附复合结构能够实现强粘易脱的工作原理是：(1)第一级底层倾斜的毫米级片状结构1能够提供优异的各向异性粘附性能，即起到快速的粘附和脱附的转换作用，这是因为顺着倾斜方向与逆着倾斜方向的粘附特性是不同的，顺着倾斜角度移动，第一级底层倾斜的毫米级片状结构1的倾斜角度将会降低，与被粘表面会贴合的更紧，因此能够体现出粘附力变大的趋势；相反的，逆着倾斜角度移动，第一级底层倾斜的毫米级片状结构1的倾斜角度将会变大，与被粘表面有撕裂分离的趋势，因此粘附力会迅速下降；所以说，第一级底层倾斜的毫米级片状结构1能够提供优异的各向异性粘附性能。(2)第二级微米级柱子阵列2和第三级微米级蘑菇型末端3能够提供强力的粘附，即起到快速的抓取物体的作用。这是由于，第二级微米级柱子阵列2能够有效增加粘附接触面积，防止裂纹扩展。同时，第三级微米级蘑菇型末端3能够有效降低应力集中，极大的增加粘附的强度。因此，通过第一级底层倾斜的毫米级片状结构1提供快速的粘附与脱附的转换，第二级微米级柱子阵列结构2和第三级微米级蘑菇型末端3提供强力的粘附，使毫微三级的跨尺度干粘附复合结构体现出强粘易脱的粘附性能。

一种毫微三级的跨尺度干粘附复合结构的制备工艺，包括以下步骤：

第一步，第一级底层倾斜的毫米级片状结构1的制备：首先，如图2-i所示，采用机加工工艺，制备具有倾斜槽状结构的金属模具4；之后，将未固化的硅橡胶5浇注在金属模具4上，并且放于真空环境中使未固化的硅橡胶5完全填入金属模具4中，如图2-ii所示；等未固化的硅橡胶5完全固化后，从金属模具4中翻出，得到第一级底层倾斜的毫米级片状结构1，如图2-iii所示；

第二步，如图3-i所示，将配置好的未固化的硅橡胶5均匀旋涂在干净平整的基底6上；将第一级底层倾斜的毫米级片状结构1在外加压力p的作用下，压在匀好的未固化的硅橡胶5薄膜上，如图3-ii所示；然后，撤去外加压力p，将第一级底层倾斜的毫米级片状结构1从未固化的硅橡胶5薄膜上揭下来，此时，在第一级底层倾斜的毫米级片状结构1的表面将会蘸留一层未固化的硅橡胶5，如图3-iii所示；

第三步，将第二步得到的蘸有未固化的硅橡胶5的第一级底层倾斜的毫米级片状结构1压在微米级具有蘑菇型末端的孔阵列模具7上，如图4-i所示，具有蘑菇型末端的孔阵列模具7是由双面紫外曝光工艺制备的，其材料是光刻胶。未固化的硅橡胶5压在具有蘑菇型末端的孔阵列模具7上以后，在真空环境下，使未固化的硅橡胶5完全填入微孔中，图4-ii给出了该过程的示意图；待未固化的硅橡胶5填完并固化后，先用酒精将具有蘑菇型末端的孔阵列模具7(光刻胶)洗掉，以保证蘑菇型末端3能够顺利翻出，不出现撕裂的现象。固化后的硅橡胶5从具有蘑菇型末端的孔阵列模具7中翻出后，形成第二级微米级柱子阵列结构2以及第二级微米级柱子阵列2顶部的第三级微米级蘑菇型末端3，得到毫微三级的跨尺度干粘附复合结构，如图4-iii所示。

本发明采用毫微三级的跨尺度干粘附复合结构实现强粘易脱的粘附效果，克服了传统干粘附结构的粘附缺点：不能同时实现高强度粘附和高效快速的脱附，而且其制备工艺可靠，适合于大规模的生产。