專(zhuān)利名稱(chēng)：一種多尺度仿生織構(gòu)表面的加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬表面獲得具有多尺度仿生微/納織構(gòu)表面加工方法，屬于仿 生表面處理領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
自然界中的很多植物具有超疏水表面，比如荷葉，水在這些葉子表面的接觸角大 于150°，并且當(dāng)葉子稍微傾斜，水珠很快滑落，同時(shí)將葉子上的顆粒狀污染物帶走。這種現(xiàn) 象被稱(chēng)為荷葉效應(yīng)，這是由荷葉外表皮上的疏水性臘質(zhì)和葉子表面微納米雙層結(jié)構(gòu)共同引 起的。壁虎可以利用它們足面上密堆積的納米尺寸的剛毛陣列可以光滑的豎直表面或者天 花板上爬行，表現(xiàn)出大的粘著作用。蜣螂是一種土壤動(dòng)物，能在土壤中自由穿行，具有很強(qiáng) 的抗粘附能力。這些生物系統(tǒng)獨(dú)特的表面功能與它們表面多尺度織構(gòu)和微形貌緊密相關(guān)， 因而仿生微/納織構(gòu)表面加工技術(shù)得到了廣泛關(guān)注，主要應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)和仿生機(jī)器人等 設(shè)計(jì)。目前，獲得仿生微/納織構(gòu)表面的方法包括結(jié)晶控制，相分離，模板法，陽(yáng)極氧化 鋁模板法，多孔氧化鋁模板法，電化學(xué)沉積，微波等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積等。但是，這些方 法得到的仿生微/納織構(gòu)表面功能單一，成本比較高，而且常常受到當(dāng)前儀器水平的制約。 因此，如何高精度獲得與生物原型形貌和結(jié)構(gòu)一致的多尺度微/納織構(gòu)表面是目前仿生材 料開(kāi)發(fā)的瓶頸之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在金屬表面上加工出與生物原型表面形貌和織構(gòu)一致的多尺度 仿生微/納織構(gòu)的表面，解決仿生表面復(fù)制造型中存在的精度差和技術(shù)難度高等問(wèn)題。本發(fā)明是將表面復(fù)型法和電沉積方法相結(jié)合，依次進(jìn)行(1)利用軟印章技術(shù)，用 AC紙復(fù)制生物原型表面織構(gòu)，然后在AC紙上蒸鍍金膜增加導(dǎo)電性；(2)在金屬電解液中，采 用電沉積法在導(dǎo)電處理過(guò)的AC紙上沉積金屬鍍層，最終在金屬表面上微加工出具有如水 稻葉子、荷葉、芋頭葉子、蛇蛻和蜣螂等生物表面高精度仿生織構(gòu)，其形貌和尺寸與生物原 型表面的微/納織構(gòu)一致。一種多尺度仿生織構(gòu)表面的加工方法，其特征在于該方法依次通過(guò)以下步驟獲 得(1)預(yù)處理將生物材料用丙酮、去離子水超聲處理進(jìn)行清潔，并用氮?dú)獯蹈桑凰錾锊牧线x 自荷葉、水稻葉子、芋頭葉子、蜣螂、普通蛇蛻和蟒蛇蛻中的一種；(2) AC紙表面復(fù)制然后利用軟印章技術(shù)，用醋酸纖維素溶液復(fù)制生物模板表面織構(gòu)；待醋酸纖維素 溶液固化后，生物模板表面織構(gòu)就轉(zhuǎn)移到固化的醋酸纖維素薄膜即AC紙上；然后在AC紙 上蒸鍍一層80 120nm厚的金膜來(lái)增加導(dǎo)電性；
(3)電沉積以高純鎳板為陽(yáng)極，導(dǎo)電處理過(guò)的AC紙為陰極，在含鎳的電鍍?nèi)芤褐羞M(jìn)行電沉積 實(shí)驗(yàn)；電解液組成硫酸鎳200 240g/l，氯化鎳40 50g/l，硼酸25_35g/l，十二烷基磺 酸鈉0. 1-0. 15g/l。電沉積參數(shù)pH值4. 5 5. 5，溫度39士2°C，電流密度2 3A/dm2，沉 積時(shí)間控制在1- ；(4)后處理電沉積結(jié)束后，將陰極材料在丙酮中做超聲處理以去除AC紙，最終得到具有生物 表面高精度仿生微/納織構(gòu)的金屬鎳表面，其形貌和尺寸與生物原型表面的微/納織構(gòu)一 致。采用本發(fā)明的方法制備出的具有仿生微/納織構(gòu)的金屬表面，具有以下特點(diǎn)1、采用生物原型材料如水稻葉子、荷葉、芋頭葉子、蛇蛻和蜣螂為模板。2、加工工藝簡(jiǎn)單，原料易得，成本低。以自然界生物材料為模板，利用復(fù)型法和電 沉積方法相結(jié)合，在常溫下制得具有多尺度、高精度仿生微/納織構(gòu)的金屬表面。3、獲得的仿生微/納織構(gòu)的金屬表面的形貌和尺寸與生物原型表面的微/納織構(gòu) 一致，具有復(fù)制精度高、重復(fù)性好、大面積獲取等優(yōu)點(diǎn)。采用本發(fā)明方法獲得的表面微織構(gòu) 在水平方向的分辨率達(dá)到100納米，深度方向達(dá)到30納米。本發(fā)明的具有荷葉、水稻葉子等表面微織構(gòu)的金屬表面，具有自清潔及疏水作用， 可以用于防粘著、防結(jié)霧等設(shè)計(jì)。本發(fā)明的具有蜣螂表面微織構(gòu)的金屬表面，具有很強(qiáng)的抗 粘、脫附能力，可以用于挖掘工具設(shè)計(jì)中。本發(fā)明的具有蛇蛻表面微織構(gòu)的金屬表面，在地 面的滑動(dòng)性較好，可以用于流行性、減阻等設(shè)計(jì)。本發(fā)明的方法也可以仿制出具有其他生物 表面微織構(gòu)及人工有序或者無(wú)序織構(gòu)，從而可以應(yīng)用于不同的工程設(shè)計(jì)和仿生機(jī)器人等設(shè) 計(jì)。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1以水稻葉子為模板，制備出具有水稻葉子表面微織構(gòu)的鎳表面(1)預(yù)處理將水稻葉子用丙酮、去離子水超聲處理進(jìn)行清潔，并用氮?dú)獯蹈伞?2) AC紙表面復(fù)制然后利用軟印章技術(shù)，用醋酸纖維素溶液復(fù)制生物模板表面織構(gòu)；待醋酸纖維素 溶液固化后，生物模板表面織構(gòu)就轉(zhuǎn)移到固化的醋酸纖維素薄膜(AC紙)上。然后在AC紙 上蒸鍍一層約IOOnm厚的金膜來(lái)增加導(dǎo)電性。(3)電沉積以高純鎳板為陽(yáng)極，導(dǎo)電處理過(guò)的AC紙為陰極，在含鎳的電解液中進(jìn)行電沉積處 理。電解液組成硫酸鎳224g/l，氯化鎳45g/l，硼酸30g/l，十二烷基磺酸鈉0. llg/Ι。沉 積過(guò)程參數(shù)pH4. 5 5. 5，溫度39士2°C，電流密度2A/dm2。電沉積時(shí)間控制在池左右。(4)后處理電沉積結(jié)束后，將金屬陰極材料在丙酮中做超聲處理以去除AC紙，最終得到了與 水稻葉子表面形貌和織構(gòu)一致的多尺度仿生微/納織構(gòu)的金屬鎳表面。
實(shí)施例2以荷葉為模板，制備出具有荷葉表面微織構(gòu)的鎳表面(1)預(yù)處理將荷葉用丙酮、去離子水超聲處理進(jìn)行清潔，并用氮?dú)獯蹈伞?2) AC紙表面復(fù)制然后利用軟印章技術(shù)，用醋酸纖維素溶液復(fù)制生物模板表面織構(gòu)；待醋酸纖維素 溶液固化后，生物模板表面織構(gòu)就轉(zhuǎn)移到固化的醋酸纖維素薄膜(AC紙)上。然后在AC紙 上蒸鍍一層約IOOnm厚的金膜來(lái)增加導(dǎo)電性。(3)電沉積以高純鎳板為陽(yáng)極，導(dǎo)電處理過(guò)的AC紙為陰極，在含鎳的電解液中進(jìn)行電沉積處 理。電解液組成硫酸鎳224g/l，氯化鎳45g/l，硼酸30g/l，十二烷基磺酸鈉0. llg/Ι。沉 積過(guò)程參數(shù)pH4. 5 5. 5，溫度39士2°C，電流密度2A/dm2。電沉積時(shí)間控制在池左右。(4)后處理電沉積結(jié)束后，將陰極材料在丙酮中做超聲處理以去除AC紙，最終得到了與荷葉 表面形貌和織構(gòu)一致的多尺度仿生微/納織構(gòu)的金屬鎳表面。實(shí)施例3以芋頭葉子為模板，制備出具有芋頭葉子表面微織構(gòu)的鎳表面(1)預(yù)處理將芋頭葉子用丙酮、去離子水超聲處理進(jìn)行清潔，并用氮?dú)獯蹈伞?2) AC紙表面復(fù)制然后利用軟印章技術(shù)，用醋酸纖維素溶液復(fù)制生物模板表面織構(gòu)；待醋酸纖維素 溶液固化后，生物模板表面織構(gòu)就轉(zhuǎn)移到固化的醋酸纖維素薄膜(AC紙)上。然后在AC紙 上蒸鍍一層約IOOnm厚的金膜來(lái)增加導(dǎo)電性。(3)電沉積以高純鎳板為陽(yáng)極，導(dǎo)電處理過(guò)的AC紙為陰極，在含鎳的電解液中進(jìn)行電沉積處 理。電解液組成硫酸鎳224g/l，氯化鎳45g/l，硼酸30g/l，十二烷基磺酸鈉0. llg/Ι。沉 積過(guò)程參數(shù)pH4. 5 5. 5，溫度39士2°C，電流密度2A/dm2。電沉積時(shí)間控制在池左右。(4)后處理電沉積結(jié)束后，將陰極材料在丙酮中做超聲處理以去除AC紙，最終得到了與芋頭 葉子表面形貌和織構(gòu)一致的多尺度仿生微/納織構(gòu)的金屬鎳表面。實(shí)施例4以普通蛇蛻為模板，制備出具有普通蛇蛻表面微織構(gòu)的鎳表面(1)預(yù)處理將普通蛇蛻用丙酮、去離子水超聲處理進(jìn)行清潔，并用氮?dú)獯蹈伞?2) AC紙表面復(fù)制然后利用軟印章技術(shù)，用醋酸纖維素溶液復(fù)制生物模板表面織構(gòu)；待醋酸纖維素 溶液固化后，生物模板表面織構(gòu)就轉(zhuǎn)移到固化的醋酸纖維素薄膜(AC紙)上。然后在AC紙 上蒸鍍一層約IOOnm厚的金膜來(lái)增加導(dǎo)電性。(3)電沉積
以高純鎳板為陽(yáng)極，導(dǎo)電處理過(guò)的AC紙為陰極，在含鎳的電解液中進(jìn)行電沉積處 理。電解液組成硫酸鎳224g/l，氯化鎳45g/l，硼酸30g/l，十二烷基磺酸鈉0. llg/Ι。沉 積過(guò)程參數(shù)pH4. 5 5. 5，溫度39士2°C，電流密度2A/dm2。電沉積時(shí)間控制在池左右。(4)后處理電沉積結(jié)束后，將陰極材料在丙酮中做超聲處理以去除AC紙，最終得到了與普通 蛇蛻表面形貌和織構(gòu)一致的多尺度仿生微/納織構(gòu)的金屬鎳表面。實(shí)施例5以蟒蛇蛻為模板，制備出具有蟒蛇蛻表面微織構(gòu)的鎳表面(1)預(yù)處理將蟒蛇蛻用丙酮、去離子水超聲處理進(jìn)行清潔，并用氮?dú)獯蹈伞?2) AC紙表面復(fù)制然后利用軟印章技術(shù)，用醋酸纖維素溶液復(fù)制生物模板表面織構(gòu)；待醋酸纖維素 溶液固化后，生物模板表面織構(gòu)就轉(zhuǎn)移到固化的醋酸纖維素薄膜(AC紙)上。然后在AC紙 上蒸鍍一層約IOOnm厚的金膜來(lái)增加導(dǎo)電性。(3)電沉積以高純鎳板為陽(yáng)極，導(dǎo)電處理過(guò)的AC紙為陰極，在含鎳的電解液中進(jìn)行電沉積處 理。電解液組成硫酸鎳224g/l，氯化鎳45g/，硼酸30g/l，十二烷基磺酸鈉0. llg/Ι。沉積 過(guò)程參數(shù)pH4. 5 5. 5，溫度39士2°C，電流密度2A/dm2。電沉積時(shí)間控制在池左右。(4)后處理電沉積結(jié)束后，將陰極材料在丙酮中做超聲處理以去除AC紙，最終得到了與蟒蛇 蛻表面形貌和織構(gòu)一致的多尺度仿生微/納織構(gòu)的金屬鎳表面。實(shí)施例6以蜣螂前胸背板為模板，制備出具有蜣螂前胸背板表面微織構(gòu)的鎳表面(1)預(yù)處理將蜣螂前胸背板用丙酮、去離子水超聲處理進(jìn)行清潔，并用氮?dú)獯蹈伞?2) AC紙表面復(fù)制然后利用軟印章技術(shù)，用醋酸纖維素溶液復(fù)制生物模板表面織構(gòu)；待醋酸纖維素 溶液固化后，生物模板表面織構(gòu)就轉(zhuǎn)移到固化的醋酸纖維素薄膜(AC紙)上。然后在AC紙 上蒸鍍一層約IOOnm厚的金膜來(lái)增加導(dǎo)電性。(3)電沉積以高純鎳板為陽(yáng)極，導(dǎo)電處理過(guò)的AC紙為陰極，在含鎳的電解液中進(jìn)行電沉積處 理。電解液組成硫酸鎳224g/l，氯化鎳45g/l，硼酸30g/l，十二烷基磺酸鈉0. llg/Ι。沉 積過(guò)程參數(shù)pH4. 5 5. 5，溫度39士2°C，電流密度2A/dm2。電沉積時(shí)間控制在池左右。(4)后處理電沉積結(jié)束后，將陰極材料在丙酮中做超聲處理以去除AC紙，最終得到了與蜣螂 前胸背板表面形貌和織構(gòu)一致的多尺度仿生微/納織構(gòu)的金屬鎳表面。
權(quán)利要求
1. 一種多尺度仿生織構(gòu)表面的加工方法，其特征在于該方法依次通過(guò)以下步驟獲得(1)預(yù)處理將生物材料用丙酮、去離子水超聲處理進(jìn)行清潔，并用氮?dú)獯蹈?；所述生物材料選自荷 葉、水稻葉子、芋頭葉子、蜣螂、普通蛇蛻和蟒蛇蛻中的一種；(2)AC紙表面復(fù)制然后利用軟印章技術(shù)，用醋酸纖維素溶液復(fù)制生物模板表面織構(gòu)；待醋酸纖維素溶液 固化后，生物模板表面織構(gòu)就轉(zhuǎn)移到固化的醋酸纖維素薄膜即AC紙上；然后在AC紙上蒸鍍 一層80 120nm厚的金膜來(lái)增加導(dǎo)電性；(3)電沉積以高純鎳板為陽(yáng)極，導(dǎo)電處理過(guò)的AC紙為陰極，在含鎳的電鍍?nèi)芤褐羞M(jìn)行電沉積實(shí) 驗(yàn)；電解液組成硫酸鎳200 240g/l，氯化鎳40 50g/l，硼酸25_35g/l，十二烷基磺酸 鈉0. 1-0. 15g/l。電沉積參數(shù)pH值4. 5 5. 5，溫度39士2°C，電流密度2 3A/dm2，沉積 時(shí)間控制在l-3h ；(4)后處理電沉積結(jié)束后，將陰極材料在丙酮中做超聲處理以去除AC紙，最終得到具有生物表面 高精度仿生微/納織構(gòu)的金屬鎳表面。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種多尺度仿生織構(gòu)表面的加工方法。本發(fā)明是將表面復(fù)型法和電沉積方法相結(jié)合，依次進(jìn)行(1)利用軟印章技術(shù)，用AC紙復(fù)制生物原型表面織構(gòu)，然后在AC紙上蒸鍍金膜增加導(dǎo)電性；(2)在金屬電解液中，采用電沉積法在導(dǎo)電處理過(guò)的AC紙上沉積金屬鍍層，最終在金屬表面上微加工出具有生物表面高精度仿生織構(gòu)，其形貌和尺寸與生物原型表面的微/納織構(gòu)一致。
文檔編號(hào)C23C28/02GK102094222SQ20091011769
公開(kāi)日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2009年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月9日
發(fā)明者王立平, 王瑩, 薛群基 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所