專利名稱：具有跨尺度仿生微納米分支結(jié)構(gòu)陣列及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微納米材料和機(jī)器人領(lǐng)域,特別涉及仿生粘附材料及其制備方法，也 涉及電化學(xué)陽極氧化技術(shù)。
背景技術(shù)：
壁虎神奇的爬壁能力千百年來吸引著人們模仿。壁虎的粘附爬壁行為不同于其 他昆蟲或動(dòng)物，在其攀爬過的表面不殘留下任何粘液或抓痕。壁虎腳趾這種能在各種粗糙 度的表面上迅速粘附與脫附的爬行粘附方式，研究者們稱其為干性粘附。壁虎的腳趾剛毛 的微納結(jié)構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)迅速粘附與脫附,達(dá)到干性粘附的奧秘之所在。這種微納結(jié)構(gòu)陣列所產(chǎn) 生的范德華力的聚集力，大大超出其身體的重量的許多倍。2000年Autumn和Full等人在 《Nature》405巻第681頁報(bào)道了壁虎腳趾....匕特殊的粘附力主要來自于其腳趾上數(shù)百萬根微
納米結(jié)構(gòu)的剛毛陣列所產(chǎn)生的范德瓦爾斯力的聚積。這種分子引力的聚積必須在適當(dāng)?shù)奈?納米結(jié)構(gòu)陣列中產(chǎn)生，而且這種微納米結(jié)構(gòu)陣列必須與所采用的構(gòu)成微納米結(jié)構(gòu)的材料相
匹配。將仿壁虎干性粘附材料與機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合將有可能實(shí)現(xiàn)在不規(guī)則地面、墻面以及 天花板上行走，到達(dá)人類難以到達(dá)的區(qū)域進(jìn)行工作，在航空航天技術(shù)、電子封裝和高溫粘接 等領(lǐng)域有非常大的應(yīng)用前景。早期干性粘附材料的粘附強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于期望值,隨著微加工 技術(shù)與納米制備技術(shù)的在這個(gè)研究方向中的應(yīng)用，干性粘附材料的粘附力已大大提高。然 而，壁虎腳趾剛毛的微納米結(jié)構(gòu)相關(guān)的參數(shù)較多，它們之間又相互關(guān)聯(lián)，找到一個(gè)合適的組 成材料與微納米結(jié)構(gòu)相匹配的最佳條件是一項(xiàng)復(fù)雜的工作。要實(shí)現(xiàn)粘附與脫附的快速可逆 轉(zhuǎn)換目前仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。 盡管人類已對(duì)壁虎的干性粘附進(jìn)行了大量的研究,但迄今為止人類還沒有真正找 到最合適的、類似壁虎腳趾剛毛的微納結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)理想的干性粘附。其最主要的原因在于 目前人類不能像壁虎腳趾剛毛的一樣將微納結(jié)構(gòu)與組成材料有效配合。壁虎通過剛毛的特 殊結(jié)構(gòu)降低了腳趾剛毛陣列整體的有效彈性模量,其獨(dú)特的高密度、高縱橫比的微納多級(jí) 分支結(jié)構(gòu)剛毛陣列使其易于變形，能實(shí)現(xiàn)與各種粗糙表面的密切分子間接觸，達(dá)到干性黏 附。 對(duì)于仿壁虎千性粘附材料的制備，已經(jīng)有很多報(bào)道，總體來說，有兩類制備方案。 即以微加工手段為基礎(chǔ)的自上而下(top-down)的制備方法和以納米生長、組裝技術(shù)為基 礎(chǔ)的自下而上(Bottom-up)的方法。T叩-d，n制備方法主要以高分子多聚物為基質(zhì)材料。 傳統(tǒng)的自上而下的微納米制備技術(shù)如光刻、電子束光刻以及刻蝕等，用來從基體上直接制 備微納米陣列，或以這些微加工為手段先制造帶有直立微納米孔洞的模板，然后再使用帶 有直立微納米孔洞的模板將聚合物復(fù)型。如Geim等在《Nature Materials》2003年2巻 第461頁報(bào)道,使用電子束光刻制備的納米孔洞模板，然后將聚酰亞胺復(fù)型制備直徑大約 0. 5微米的仿壁虎粘附陣列。又如，Sitt.i等在《Langmuir》2007年23巻第3322頁報(bào)道了 通過光刻法制備的光刻膠微米陣列，它們同時(shí)報(bào)道了將光刻膠模板復(fù)型制備的直徑8微米 的聚氨酯粘附陣列。對(duì)于自下而上(Bottom-叩)的方法，目前主要是以碳納米管(CarbonNanot.ubes， CNTs)生長制備為基礎(chǔ)，如Dai等在《Science》2008年322巻第238頁報(bào)道的 通過化學(xué)氣相沉積法在附有過渡金屬催化劑顆粒的基板上的生長CNTs陣列便屬于這種方 法。 綜上所述，不同的制備方法都有各自的特點(diǎn)，而且不同材料制備的陣列也顯示了 不同的粘附性能。但是由于在微米結(jié)構(gòu)上定點(diǎn)定向的組裝或生長納米有序結(jié)構(gòu)十分困難， 因此現(xiàn)有技術(shù)中得到的陣列結(jié)構(gòu)要么只是在微米尺度范圍中，要么只是在納米尺度范圍， 沒有達(dá)到跨尺度的微納米結(jié)構(gòu)參數(shù)可調(diào)的需求，因而不能適應(yīng)某些特定的使用要求。如何 找到有效的從的跨尺度分支結(jié)構(gòu)陣列的可控制備方法，即如何在微米結(jié)構(gòu)上定點(diǎn)定向的組 裝或生長納米有序結(jié)構(gòu)是擺在當(dāng)今技術(shù)人員面前的難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種跨尺度仿生微納米分支結(jié)構(gòu)陣列及其制備方法，以用 于制備可迅速粘附與脫附交替的動(dòng)態(tài)粘附材料，即仿生干性粘附材料，來滿足不同用處的需要。 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案。 本發(fā)明的跨尺度仿生微納米分支結(jié)構(gòu)陣列，其特征在于，它由基底和微納米的多 級(jí)分支結(jié)構(gòu)陣列組成，所述微納米的多級(jí)分支結(jié)構(gòu)陣列至少包括有--級(jí)微米圓柱體結(jié)構(gòu)陣 列和分支的微納米圓柱體結(jié)構(gòu)陣列，其中一級(jí)微米圓柱體結(jié)構(gòu)陣列成四角排列或六角密堆 排列，圓柱體直徑為3-10微米，高度為5-100微米，密度為0. 25-3. 21X 106/cm2 ;或者，在一 級(jí)微米圓柱的頂端面上先設(shè)置二級(jí)亞微米圓柱體陣列，然后在二級(jí)亞微米圓柱頂端面上設(shè) 置分支的納米圓柱體陣列，其中二級(jí)的亞微米圓柱體陣列為六角密堆排列，圓柱體直徑為 200-400納米，高度為卜5微米，密度為0. 4-1. 3X 109/cm2 ;或者，在每個(gè)二級(jí)的亞微米圓柱 體頂端面上再設(shè)置2-3分支的三級(jí)亞微米圓柱體結(jié)構(gòu)陣列，然后在三級(jí)亞微米圓柱頂端面 上設(shè)置4-5分支的四級(jí)納米圓柱體陣列，三級(jí)的亞微米圓柱體直徑為100-200納米，高度為 0. 5-2微米，密度為0. 8-3. 9X 109/cm2，四級(jí)的納米圓柱體直徑50-100納米,深度為100-500 納米，密度為0. 32-1. 95X 1010/Cm2 ;所述微納米多級(jí)分支結(jié)構(gòu)陣列與基底垂直或成0-30° 傾斜。 本發(fā)明的跨尺度仿生微納米分支結(jié)構(gòu)陣列的制備方法，包括首先在清理后的金屬 鋁片表面通過紫外光刻獲得光刻膠掩膜圖案,再進(jìn)行氬離子束刻蝕得到具有所需的一級(jí)微 米孔洞陣列的鋁模板；其特征在于，在得到具有所需的一級(jí)微米孔洞陣列的鋁模板后，以電 化學(xué)陽極氧化法在一級(jí)微米孔洞陣列上定點(diǎn)定向制備具有所需微納米分支結(jié)構(gòu)陣列的氧 化鋁模板；然后，采用聚合物復(fù)型法在該模板中塑膜、固化，最后去除模板成型，得到所需結(jié) 構(gòu)陣列；所述定點(diǎn)定向制備，是指在進(jìn)行陽極氧化時(shí)，以具有孔洞陣列的鋁模板作為陽極電 極，另取鉛板作為陰極電極，將陰陽兩電極平行放置或成0-30°傾斜放置，使孔洞陣列的孔 洞軸線方向與電場方向平行或成0-30°傾斜；通過調(diào)節(jié)陽極氧化過程中的電壓、氧化時(shí)間 和使用不同的電解液來控制所需孔徑及深度，氧化過程結(jié)束得到所需的微納米分支孔洞結(jié) 構(gòu)陣列的氧化鋁模板。 在上述制備方法中，所述氧化過程可分為一次或兩次或兩次以上進(jìn)行，一次氧化 過程可得到具有二級(jí)孔洞陣列的鋁模板,兩次氧化過程可得到具有三級(jí)孔洞陣列的鋁模
4板，三次氧化過程可得到具有四級(jí)孔洞陣列的鋁模板，例如，先在PH值為2-3. 5的無機(jī)酸 電解液中，例如磷酸電解液、硫酸電解液等，對(duì)所述具有一級(jí)微米孔洞陣列的鋁模板進(jìn)行一 次陽極氧化，在微米孔洞底面獲得六角密堆排列的二級(jí)亞微米孔，該二級(jí)亞微米孔直徑為 200-400納米，深度為1-5微米，密度為().4-1. 3X 1()7cra2 ;然后通過降壓法在上述磷酸電 解液中進(jìn)行二次陽極氧化，獲得具有2-3分支的三級(jí)壓微米孔結(jié)構(gòu)，該三級(jí)微米孔直徑為 100-200納米，高度為0. 5-2微米，密度為0. 8-3. 9X 107ci^，最后再通過降壓法在KI值為 0. 8-1. 2的有機(jī)酸電解液中，如草酸電解液等，進(jìn)行三次陽極氧化,獲得具有4-5分支結(jié)構(gòu) 的四級(jí)氧化鋁模板，孔徑50-100納米，深度為100-500納米,密度為() 32-1. 95X l()10/Cra2。
在上述制備方法中，所述通過調(diào)節(jié)陽極氧化過程中的電壓、氧化時(shí)間和使用不同
的電解液來控制所需孔徑及深度，是現(xiàn)有電化學(xué)陽極氧化技術(shù)中的常規(guī)技術(shù)，電壓高、氧化 時(shí)間長則得到的孔徑大、深度長,反之則孔徑小、深度短。例如,本發(fā)明中，在進(jìn)行一次氧化
時(shí)，使用:PH:值為2-3. 5的無機(jī)酸電解液，其濃度為0. 1% -2%,氧化電壓為180-19()V，氧化 時(shí)間5-20小時(shí)，得到的孔洞直徑200-400納米，深度卜5微米；在進(jìn)行二次氧化時(shí)，電解液 不變，氧化電壓逐漸降到105-135V，氧化時(shí)間減少到5-10小時(shí)，得到的孔洞直徑為100-200 納米，深度0. 5-2微米；進(jìn)行三次陽極氧化，使用PII值為0. 8-1. 2的有機(jī)酸電解液，其濃度 為0. 1% -0. 5%，氧化電壓為40-5()V,氧化時(shí)間10-30分鐘，得到的孔洞直徑50-100納米， 深度為100-500納米。 在....匕述制備方法中，所述氬離子束刻蝕得到的微米孔洞陣列，其分布方式為四角 排列或六角密堆式排列，孔直徑為3-10微米，深度為5-100微米，密度為0. 25-3. 21X 106/ cm2;所述"采用聚合物復(fù)型法在該模板中塑膜、固化，最后去除模板成型，得到所需結(jié)構(gòu)陣 列"是常規(guī)技術(shù)，即先對(duì)已具有微納米分支孔洞結(jié)構(gòu)陣列的氧化鋁模板進(jìn)行完全貫通處理， 然后將液態(tài)化高分子多聚物，如聚氨酯(TPU)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚二甲基硅氧烷 (P匿S)等多聚物，在真空條件下覆于模板上，待其固化定型后，以飽和SnCl4溶液置換反應(yīng) 去除氧化鋁模板背面的鋁層，最后在().2M的氫氧化鈉溶液中浸泡去除模板，即得到由高分 子多聚物材料構(gòu)成的跨尺度仿生微納米分支結(jié)構(gòu)陣列。
有關(guān)氧化過程的具體操作歩驟是 (1)首先對(duì)具有一級(jí)微米孔洞陣列的鋁模板進(jìn)行一次陽極氧化5-20小時(shí)，氧化電 壓為180-19()V,得到具有二級(jí)多分支結(jié)構(gòu)氧化鋁模板，即具有直徑200-400納米孔洞的氧 化鋁層，深度為l-5微米，孔密度為0.4-1.3X107cm2，孔分布方式為六角密堆排列。氧化 過程中，所用電解液是ra值為2-3. 5的無機(jī)酸電解液，其濃度為0. 1% -2% ;
(2)然后逐漸降低電壓到105-135V,對(duì)二級(jí)氧化鋁模板進(jìn)行二次陽極氧化5-10小 時(shí)，獲得具有2-3分支結(jié)構(gòu)的三級(jí)氧化鋁模板,孔徑100-200納米，深度為0. 5-2微米，所用 電解液為WI值為2-3. 5的無機(jī)酸電解液，其濃度為0. 1% -2% ; (3)再逐漸降低電壓到40-50V，對(duì)三級(jí)氧化鋁模板進(jìn)行三次陽極氧化10-30分鐘， 獲得具有4-5分支結(jié)構(gòu)的四級(jí)氧化鋁模板，孔徑50-100納米,深度為0. 2-1微米，所用電解 液是PH值為0. 8-1. 2的有機(jī)酸，濃度為() 1-0. 5M。 本發(fā)明使用已有技術(shù)中的電化學(xué)陽極氧化法，以具有微米孔洞結(jié)構(gòu)陣列的鋁模板 作為陽極電極，鉛板作為陰極電極，將陰陽兩電極平行放置或成0-30°傾斜放置，巧妙利用 了電場特性，從而得到在微米結(jié)構(gòu)陣列上定點(diǎn)定向組裝納米陣列的有序結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了從微米結(jié)構(gòu)到納米結(jié)構(gòu)的跨尺度結(jié)合。陰陽兩電極平行放置時(shí)，在電場作用下，只在與電場方向 垂直的孔洞底端面進(jìn)行陽極氧化并形成新的孔洞結(jié)構(gòu)，而且，形成的新孔洞的軸線與原孔 洞軸線平行,原孔側(cè)壁與電場方向平行，不能進(jìn)行陽極氧化,也就不會(huì)產(chǎn)生新孔洞；或者當(dāng) 陰陽兩電極呈()-30°夾角放置，即孔洞陣列的孔洞軸線方向與陰極電極具有0-3("夾角 的傾斜時(shí)，使傾斜后的孔軸線方向與電場方向平行，在電場作用下，也只在傾斜的孔洞底端 面發(fā)生陽極氧化并形成新的孔洞結(jié)構(gòu)，新的孔洞軸線與原孔軸線具有0-30°夾角的傾斜； 同樣，原孔側(cè)壁因與電場方向平行，陽極氧化不能進(jìn)行。 本發(fā)明有效地結(jié)合了光刻、離子束刻蝕及電化學(xué)陽極氧化法,制備出具有多級(jí)多 分支結(jié)構(gòu)跨尺度微納米孔洞陣列的氧化鋁模板，并且通過液態(tài)化后的高分子多聚物材料復(fù) 型得到了具有分支結(jié)構(gòu)的微納米陣列，成為更有效的千性粘附材料。本發(fā)明在微米結(jié)構(gòu)上 定點(diǎn)定向的組裝了納米有序結(jié)構(gòu)，有效解決了從微米尺度到納米尺度的跨尺度分支結(jié)構(gòu)陣 列可控。本發(fā)明對(duì)于仿生微納米陣列干性粘附材料的發(fā)展及相關(guān)的仿生機(jī)器人的發(fā)展都有 著非常重要的意義。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例1制備的所述跨尺度仿生微納米分支結(jié)構(gòu)粘附陣列的示意 圖。 圖2是制備實(shí)施例1所述具有微納米分支結(jié)構(gòu)孔洞的氧化鋁模板示意圖。
圖3是實(shí)施例2得到的所述跨尺度仿生微納米分支結(jié)構(gòu)粘附陣列掃描電鏡照片。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述
實(shí)施例1 : (1)將高純度鋁片依次在丙酮和乙醇中超聲清洗，除去鋁片表面的油污。 (2)將去污后的高純度鋁片烘干后,在N2或惰性氣氛中置于管式爐中，于S0(TC退
火處理4小時(shí)。
(3)將退火后的鋁片在無水乙醇和高氯酸的混合溶液(乙醇高氯酸=9 : 1體 積比)中進(jìn)行電化學(xué)拋光，以石墨作為陰極，電壓為2()V，消除鋁片表面的劃痕和氧化層。
(4)通過紫外光刻在鋁片表面獲得光刻膠掩膜圖案。 (5)對(duì)帶有光刻膠掩膜的鋁片進(jìn)行氬離子束刻蝕，離子能量為500eV，離子束垂直 入射，束流密度0. 5mA/cm2,工作壓強(qiáng)2 X 10 2Pa,得到具有微米孔洞陣列的鋁模板，其微米孔 直徑3微米，深度5微米，孔間距3微米的，孔分布形式為六角排列。
(6)去除鋁模板表面的光刻膠并對(duì)再次對(duì)表面進(jìn)行清洗及電化學(xué)拋光處理。
(7)在磷酸電解液中對(duì)鋁模板進(jìn)行一次氧化，直流電壓為麗，氧化時(shí)間12小時(shí)， 得到具有直徑400納米，深2微米孔洞的二級(jí)多分支結(jié)構(gòu)陣列的氧化鋁模板。電解液是PH 值為3的磷酸溶液，其濃度為0. 2%， (8) 二次氧化結(jié)束后開始降壓，電壓降到IIOV，電解液不變，繼續(xù)氧化8小時(shí)，獲得
具有直徑150納米，深1微米孔洞的三級(jí)分支結(jié)構(gòu)陣列的氧化鋁模板。 (9)三次氧化結(jié)束后繼續(xù)降壓，電壓降到40V后，電解液換成ra值為1的草酸電解液，濃度為0. 3M，繼續(xù)氧化30分鐘，獲得具有直徑60納米，深500納米孔洞的四級(jí)分支結(jié)構(gòu) 陣列的氧化鋁模板。其示意如圖2所示。從圖可以看出，四級(jí)不同的微納米孔洞軸線均平 行。 (10)利用飽和SnCl4溶液置換反應(yīng)除去氧化鋁模板背面的鋁，并將該模板漂浮在 6w^的磷酸溶液中，在30。C下腐蝕到氧化鋁模板膜表面有溶液滲透出，即得到完全貫通的 雙通氧化鋁模板。 (11)將熱塑性聚氨酯(TPU)覆于模板上，待其定型后去除模板，得到聚氨酯仿生 微納米分支結(jié)構(gòu)粘附陣列，如圖1所示。圖1中，一級(jí)微米圓柱體陣列2垂直連接在基板1 上，二級(jí)亞微米圓柱體陣列3垂直連接在一級(jí)微米圓柱體陣列的頂端面上，三級(jí)亞微米圓 柱體陣列4垂直連接在二級(jí)微圓柱體陣列的頂端面....匕四級(jí)納米圓柱體陣列5垂直連接在 三級(jí)亞微米圓柱體陣列的頂端面上。
實(shí)施例2 : (1)將高純度鋁片依次在丙酮和乙醇中超聲清洗，除去鋁片表面的油污。
(2)將去脂后高純度鋁片烘千后，在N2或惰性氣氛中置于管式爐中，于50(TC退火
處理4小時(shí)。
(3)將退火后的鋁片在無水乙醇和高氯酸的混合溶液(乙醇高氯酸=9 : 1體 積比)中進(jìn)行電化學(xué)拋光，以石墨作為陰極，電壓為20V，消除鋁片表面的劃痕和氧化層。
(4)通過紫外光刻在鋁片表面獲得光刻膠掩膜圖案。 (5)對(duì)帶有光刻膠掩膜的鋁片進(jìn)行氬離子束刻蝕,離子能量為600V，離子束入射 角度30° ,束流密度0. 6mA/cni2，工作壓強(qiáng)2 X 10—2:Pa,得到直徑5微米，深度10微米傾斜的 微米孔洞陣列。 (6)去除鋁片表面的光刻膠并對(duì)再次鋁片表面進(jìn)行清洗及電化學(xué)拋光處理。
(7)對(duì)氧化鋁模板進(jìn)行一次氧化，電解液是PII值為2. 5的磷酸溶液，磷酸濃度 1. 2%，直流電壓為19()V，氧化時(shí)間18小時(shí)，得到具有直徑4()()納米，深4微米孔洞的氧化鋁 層。 (8) 二次氧化結(jié)束后開始降壓，電壓降到135V，電解液不變，繼續(xù)氧化10小時(shí)，獲 得直徑200納米，深2微米具有二分支結(jié)構(gòu)孔洞的氧化鋁層。 (9)利用飽和SnClJ容液置換反應(yīng)將氧化鋁模板背面的鋁層除去，并將氧化鋁模板 漂浮在6w^的磷酸溶液,在30t;下腐蝕到氧化鋁模板膜表面有溶液滲透出，即得到完全貫 通的雙通氧化鋁模板。 (10)將熱塑性聚甲基丙烯酸甲酯(PPMA)覆于模板上,待其定型后去除模板，得到 三級(jí)仿生微納米分支結(jié)構(gòu)粘附陣列。 圖3所示的是用電鏡對(duì)實(shí)施例2得到的所述跨尺度仿生微納米分支結(jié)構(gòu)粘附陣列 掃描得到的照片。由該照片可以看出，其結(jié)構(gòu)和以上所述一致，即三級(jí)仿生微納米分支結(jié)構(gòu) 粘附陣列，其中，一級(jí)微米圓柱體結(jié)構(gòu)陣列為四角排列；二級(jí)亞微米圓柱體在一級(jí)微米圓柱 體的頂端面上,成六角密堆排列；三級(jí)納米圓柱體在二級(jí)微米圓柱體的頂端面上，所有微納 圓柱體軸線均相互平行。
權(quán)利要求
一種跨尺度仿生微納米分支結(jié)構(gòu)陣列，其特征在于，它由基底和微納米的多級(jí)分支結(jié)構(gòu)陣列組成，所述微納米的多級(jí)分支結(jié)構(gòu)陣列至少包括有一級(jí)微米圓柱體陣列和分支的微納米圓柱體陣列，其中一級(jí)微米圓柱體陣列成四角排列或六角密堆排列，圓柱體直徑為3-10微米，高度為5-100微米，密度為0.25-3.21×106/cm2；或者，在一級(jí)微米圓柱的頂端面上先設(shè)置二級(jí)亞微米圓柱體陣列，然后在二級(jí)亞微米圓柱頂端面上設(shè)置分支的納米圓柱體陣列，其中二級(jí)的亞微米圓柱體陣列為六角密堆排列，圓柱體直徑為200-400納米，高度為1-5微米，密度為0.4-1.3×109/cm2；或者，在每個(gè)二級(jí)的亞微米圓柱體頂端面上再設(shè)置2-3分支的三級(jí)亞微米圓柱體陣列，然后在三級(jí)亞微米圓柱頂端面上設(shè)置4-5分支的四級(jí)納米圓柱體陣列，三級(jí)的亞微米圓柱體直徑為100-200納米，高度為0.5-2微米，密度為0.8-3.9×109/cm2，四級(jí)的納米圓柱體直徑50-100納米，深度為100-500納米，密度為0.32-1.95×1010/cm2；所述微納米多級(jí)分支結(jié)構(gòu)陣列與基底垂直或成0-30°傾斜。
2. 制備權(quán)利要求所述跨尺度仿生微納米分支結(jié)構(gòu)陣列的方法，包括首先在清理后的金 屬鋁片表面通過紫外光刻獲得光刻膠掩膜圖案，再進(jìn)行氬離子束刻蝕得到具有所需的一級(jí) 微米孔洞陣列的鋁模板；其特征在于，在得到具有所需的--級(jí)微米孔洞陣列的鋁模板后，以 電化學(xué)陽極氧化法在一級(jí)微米孔洞陣列....匕定點(diǎn)定向制備具有所需微納米分支結(jié)構(gòu)陣列的 氧化鋁模板；然后，采用聚合物復(fù)型法在該模板中塑膜、固化,最后去除模板成型,得到所需 微納米分支結(jié)構(gòu)陣列；所述定點(diǎn)定向制備，是指在進(jìn)行電化學(xué)陽極氧化時(shí)，以具有孔洞陣列 的鋁模板作為陽極電極，另取鉛板作為陰極電極，將陰陽兩電極平行放置或成0-30°傾斜 放置，使孔洞陣列的孔洞軸線方向與電場方向平行或成0-30°傾斜；通過調(diào)節(jié)陽極氧化過 程中的電壓、氧化時(shí)間和使用不同的電解液來控制所需孔徑及深度,氧化過程結(jié)束得到所 需的微納米分支孔洞結(jié)構(gòu)陣列的氧化鋁模板。
3. 如權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述氧化過程分為一次或兩次或兩次 以--匕進(jìn)行，一次氧化過程得到具有二級(jí)孔洞陣列的鋁模板，兩次氧化過程得到具有三級(jí)孔 洞陣列的鋁模板，三次氧化過程得到具有四級(jí)孔洞陣列的鋁模板。
4. 如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述一次氧化過程中使用的氧化電壓 為180-190V，氧化時(shí)間5-20小時(shí)，所用電解液是ra值為2-3. 5的無機(jī)酸電解液，其濃度為 0. 1% -2%。
5. 如權(quán)利要求3所述的制備方法,其特征在于，所述二次氧化過程中使用的氧化電壓 逐漸降到105-135V，氧化時(shí)間5-10小時(shí)，所用電解液是ra值為2-3. 5的無機(jī)酸電解液，其 濃度為0. 1% -2%。
6. 如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述三次氧化過程中使用的氧化 電壓為40-50V，氧化時(shí)間10-30分鐘，所用電解液是PII值為0. 8-1. 2的有機(jī)酸，濃度為 0. 1—0. 5M。
全文摘要
本發(fā)明涉及微納米材料和機(jī)器人領(lǐng)域，特別涉及仿生粘附材料及其制備方法，也涉及電化學(xué)陽極氧化技術(shù)。所述跨尺度仿生微納米分支結(jié)構(gòu)陣列由基底和微納米的多級(jí)分支結(jié)構(gòu)陣列組成，微納米的多級(jí)分支結(jié)構(gòu)至少包括有一級(jí)微米圓柱體結(jié)構(gòu)陣列和分支的微納米圓柱體結(jié)構(gòu)陣列。其制備方法是先用氬離子束刻蝕得到具有一級(jí)微米孔洞陣列的鋁模板；然后以電化學(xué)陽極氧化法在該模板陣列上定點(diǎn)定向制備微納米分支結(jié)構(gòu)陣列；再采用聚合物復(fù)型法在該模板中塑膜、固化，最后去除模板成型，得到所需微納米結(jié)構(gòu)陣列，成為仿生干性粘附材料。本發(fā)明利用電場特性，有效解決了從微米到納米的跨尺度分支結(jié)構(gòu)陣列可控問題，對(duì)于仿生粘附材料的發(fā)展及相關(guān)干性仿生機(jī)器人的發(fā)展有著重要意義。
文檔編號(hào)B81B7/00GK101774528SQ20101004650
公開日2010年7月14日 申請(qǐng)日期2010年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月4日
發(fā)明者李達(dá), 梅濤, 王大朋, 趙愛武 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院