一种微结构及具有该微结构的柔性表层结构的制作方法

本发明涉及柔性表层结构设计领域，更具体地，涉及一种微结构及具有该微结构的柔性表层结构。

背景技术：

自然界中动植物表面天然存在的微型复合结构已经引起了科学家们广泛的关注。通过向自然界的学习，使我们了解到高级结构，即微型复合结构，对材料性能的影响，促使我们加深对材料表面加工作用的理解。

柔性材料由于具有很多其它材料所不具备的优点，譬如舒适度和适应环境能力方面，通过对其表明结构的设计以及涂覆相应的材料，使得其在很多领域有着重要的应用，譬如微流控、超疏水、自清洁、设备表面修饰等。

但现有的柔性材料表面设置有各式各样的微结构，其常常由于受力时的应力集中导致自身结构以及表层材料损坏，严重影响了材料的柔度和使用寿命，而且也限制了柔性材料的应用。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明实施例提供一种微结构及具有该微结构的柔性表层结构，以解决或部分解决现有的柔性材料表面微结构易产生应力集中且柔度效果差的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，根据本发明实施例的第一方面，提供一种微结构，包括：多级的微结构单体；

每一级的单个所述微结构单体均包括自上而下依次相连的顶部、连接部和底部；

所述顶部为向上凸起的曲面结构，所述连接部的外表面为封闭的曲面结构，所述连接部的横截面自上而下依次增大，所述底部的边缘设有圆弧形倒角；

所述连接部的上端与所述顶部之间以及所述连接部的下端与所述底部之间均为平滑连接；

第n-1级的每个所述微结构单体上均设有第n级的至少一个所述微结构单体，且第n级的所述微结构单体的底部与对应的第n-1级的所述微结构单体的表面相连接；其中，n为大于等于2的整数。

进一步地，第1级的所述微结构单体为1个，第n级的所述微结构单体为多个；

第n级的多个所述微结构单体分布在第n-1级的每个所述微结构单体的表面。

进一步地，每一级的单个所述微结构单体的横截面积自上而下依次增大。

进一步地，单个所述微结构单体的底部为圆盘状结构，单个所述微结构单体的连接部为圆锥台结构。

进一步地，所述微结构单体的级数最多为6级。

进一步地，各级的所述微结构单体的顶部曲率半径为5um～1000um，各级的所述微结构单体的底部直径为5um～2000um，各级的所述微结构单体的高度为5um～2000um。

进一步地，单个所述微结构单体的顶部、连接部和底部为一体化成型；相邻的各级所述微结构单体之间均为一体成型。

进一步地，所述微结构单体均采用硅橡胶。

本发明实施例还提供一种柔性表层结构，包括基层平面以及本发明实施例第一方面任一所述的微结构，第1级的所述微结构单体的底部与所述基层平面相连接。

进一步地，第1级的所述微结构单体为多个，第1级的多个所述微结构单体在所述基层平面上均匀分布。

(三)有益效果

本发明实施例提供的微结构及具有该微结构的柔性表层结构，通过设置多级的微结构单体，且单个微结构单体表面均为平滑的曲面结构，从而在受力过程中减小结构的应力集中，有效保护自身结构稳定，同时也可保护其表面分布的材料不受破坏；通过多级的微结构单体的逐级延展，有效提高结构的柔度，从而提高微结构在受力过程中的灵敏性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中单个微结构单体的结构示意图；

图2为本发明实施例中二级微结构单体的结构示意图；

图3为本发明实施例中三级微结构单体的结构示意图；

图4为本发明实施例中柔性表层结构的结构示意图；

图中：1、微结构单体；2、基层平面；11、顶部；12、连接部；13、底部。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至图3所示，本发明实施例提供一种微结构，包括多级的微结构单体，且每一级的微结构单体可为1个或者多个。

其中，每一级的单个微结构单体1包括自上而下依次相连的顶部11、连接部12和底部13，由连接部12将顶部11和底部13连接为一个整体结构。

具体地，为了减小应力集中问题，将由顶部11、连接部12和底部13连接而成的整体结构设置成没有直角的微结构。

顶部11为向上凸起的曲面结构，顶部11的下端用于与连接部12连接；连接部12的外表面(非连接端)为封闭的曲面结构，其截面积自上而下依次增大；底部13的边缘设有圆弧形倒角或者，并且连接部12的上端与顶部11之间采用平滑连接进行过度，连接部12的下端与底部13之间也采用平滑连接进行过度，从而使得该微结构单体的表面均为曲面或者圆弧面，具有较强的疏水性，有利于提高对结构自身的保护。

需要说明的是，上述实施例中的平滑连接具体可采用较为平滑的曲面进行衔接，曲面可采用外凸或内凹的结构均可，具体可根据连接处的尺寸进行调整，只要保证连接处为平滑连接即可。

同时，为了保证微结构的柔度，提高受力过程中的灵敏度，减少结构应力集中，本实施例中对多级的微结构单元的层级分布关系进行具体说明。

具体地，第n-1级的单个微结构单体1上均设有第n级的至少一个微结构单体1，相当于下一级的单体微结构1在上一级的单体微结构1的表面逐步进行分支，每一级的微结构单体1的个数相对于上一级逐步增多，类似于细胞分裂。其中，第n级的微结构单体1的底部13与对应的第n-1级的微结构单体1的表面相连接；其中，n为大于等于2的整数。图1至图3依次为一级、二级和三级的微结构，级数越多，柔度也越大。

为了保证整个微结构的结构稳定性，微结构单体1的级数最多为6级，当然最少可为1级，级数越大柔度越高，但相应的结构稳定性也越差。

上述实施例提供的微结构，通过设置多级的微结构单体，且每一级的单个微结构单体表面均为平滑的曲面结构，从而在受力过程中减小结构的应力集中，有效保护自身结构稳定，同时也可保护其表面分布的材料不受破坏；同时通过多级的微结构单体的逐级延展，有效提高结构的柔度，从而提高微结构在受力过程中的灵敏性。

进一步地，本实施例中第1级的微结构单体为1个，第n级的微结构单体为多个，即相当于第2级及以上的每一级微结构单体均为多个，有效提高微结构的接触表面；

从第2级开始，下一级的多个微结构单体1分布在上一级的每个微结构单体1的表面，多个微结构单体1之间的间隔可根据实际需要进行设定。

在上述实施例的基础上，为了使整个微结构单体的表面更加平滑，每一级的单个微结构单体1的横截面积自上而下依次增大，其中包括连接部12与顶部11的连接处以及连接部12与底部13的连接处。

进一步地，上述实施例中，单个微结构单体1的底部11为边缘外凸的圆盘状结构，单个微结构单体1的连接部12为圆锥台结构，下一级的多个微结构单体1在上一级的单个微结构单体1的连接部12表面呈圆锥阵列排布，有利于进一步提高整个微结构的结构稳定性和柔度。

上述实施例中，各级的微结构单体的顶部曲率半径在5um～1000um之间波动，具体根据级数的不同，所对应的曲率半径也不相同，整体变化趋势是所处的级数越高，对应的曲率半径越小。

同样地，各级的单个微结构单体1底部的直径在5um～2000um之间变化，各级的单个微结构单体的高度在5um～2000um之间变化，整体的变化趋势是所处的级数越高，对应的底部的直径越小，高度越小。

上述各实施例中，单个微结构单体1的顶部11、连接部12和底部13为一体化成型，以保证整个微结构单体的结构稳定性，而且有利于提高结构的柔度。此外，相邻的各级微结构单体之间也同样为一体成型，相当于在主干上延伸出多个分支，且分支与主干为一个整体。而且，各级的微结构单体均采用硅橡胶制成，硅橡胶具体可包括pdms(polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)、道康宁-184等材料。

在上述各实施例的基础上，如图4所示，本发明实施例还提供一种柔性表层结构，包括基层平面2以及如上述各实施例中任一所述的微结构，其中，第1级的微结构单体1的底部与基层平面2相连接，提高基层平面的柔度和灵敏度。其中基层平面2也可采用柔性材料制成，包括金属柔性材料和非金属柔性材料，当基层平面2与第1级的微结构单体1采用相同的柔性材料时，第1级的微结构单体1的底部可与基层平面2之间采用一体成型制作。

进一步地，第1级的微结构单体1可以为多个，第1级的多个微结构单体1在基层平面2上均匀分布，使得柔性表层结构的表面具有较强的柔度，而且具有超疏水性和自清洁性，可广泛应用于服装、清洁材料等行业。

上述实施例提供的柔性表层结构，包括多个具有多级的微结构单体，且均匀分布在基层平面上，微结构单体的应力集中较小，且该基层平面具有较高的柔度和灵敏度，能够对该柔性表层结构表层涂覆的材料进行有效保护，提高柔性表层结构的使用寿命，且应用范围较广。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。