一种大面积高耐用性超疏水表面结构的制备方法及其产品与流程

本发明属于微纳结构相关技术领域：，更具体地，涉及一种大面积高耐用性超疏水表面结构的制备方法及其产品。背景技术：：近年来，随着微纳制造技术、材料制备技术的发展，超疏水表面的研究得到逐渐深入，其应用得到更广的拓展。超疏水表面具有防污、防腐、自清洁、防附着、减少阻力等功能，能够用于航天军工，交通工具、农业、建筑、医疗、日用纺织品等各个方面。制备超疏水表面的主要方式有两种，其一为增加表面粗糙度，在原先疏水表面的基础上增加粗糙度可以进一步提高其疏水性；其二为减少表面能，在原先具有粗糙结构表面涂覆低表面能材料可以进一步提高其疏水性。目前超疏水表面的主要挑战在于长期稳定性和大面积的问题，大多数研究的超疏水表面结构的稳定性较差，主要原因在于微纳结构本身的机械性能不强。此外，依赖低表面能的涂层暴露在空气中，极易丧失其表面化学官能团。超疏水无法大面积的主要原因在于，仅仅依赖光刻技术无法将微纳结构做大，而激光加工的效率无法一次整面成型。技术实现要素：针对现有技术的上述缺点和/或改进需求，本发明提供了一种大面积高耐用性超疏水表面结构的制备方法及其产品，其中该方法采用一次倒模、构建耐磨层的方式制备大面积倒锥形模板，后续利用疏水聚合物进行二次倒模得到大面积的超疏水表面，无需任何低表面能物质修饰，即可获得大面积高耐用性超疏水表面，最后通过研磨的方式进行微纳结构的加工，能够进一步提高表面的粗糙度和结构稳定性，得到更优异的耐磨性。为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种大面积高耐用性超疏水表面结构的制备方法，该制备方法包括如下步骤：s1在基底表面制备预设图形，然后在该具有预设图形的基底表面制备刻蚀掩膜层；s2对具有刻蚀掩膜层的基底进行刻蚀，进而在该基底上制得倒锥形阵列；s3对步骤s2制得的倒锤形阵列进行纳米压印，以此制得锥形掩膜，然后对该锥形掩膜进行一次倒模，获得倒锥形阵列结构；s4在所述倒锥形阵列结构的表面构建耐磨层，获得倒锥形模板，利用疏水聚合物对该倒锥形模板进行二次倒模，制得锥形阵列结构；s5对所述锥形阵列结构的表面进行研磨，以得到锥台阵列结构，进而制得所述大面积高耐用性超疏水表面结构。作为进一步优选地，步骤s1中，采用光刻的方式在基底表面制备预设图形。作为进一步优选地，步骤s1中，制备刻蚀掩膜层的过程为：采用溅射或蒸发的方式进行保护层沉积，然后利用剥离液进行剥离，从而得到图形化的刻蚀掩膜层。作为进一步优选地，步骤s1中，所述基底的材料为硅，所述刻蚀掩膜层的材料为铬。作为进一步优选地，步骤s2中，采用湿法刻蚀的方式对无刻蚀掩膜层的区域进行刻蚀，得到倒锥形阵列。作为进一步优选地，步骤s4中，构建耐磨层的过程为：采用沉积方式构建耐磨种子层，然后利用电铸方式制备耐磨层。作为进一步优选地，步骤s4中，所述耐磨层的材料为铬。作为进一步优选地，步骤s5中，采用研磨机或砂纸进行研磨。作为进一步优选地，步骤s5中，研磨过程中磨削厚度为锥体高度的1/10～1/2。按照本发明的另一方面，提供了一种利用上述方法制备的大面积高耐用性超疏水表面结构。总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：1.本发明采用一次倒模、构建耐磨层的方式制备倒锥形模板，能够得到结构稳定的模板结构，同时利用一次倒模和耐磨层的配合改善了原先聚合物的机械结构稳定性，以得到均一稳定的大面积倒锥形模板，后续利用疏水聚合物进行二次倒模得到大面积的超疏水表面，无需任何低表面能物质修饰，即可获得大面积高耐用性超疏水表面，最后通过研磨的方式进行微纳结构的加工，能够进一步提高表面的粗糙度和结构稳定性，得到更优异的耐磨性，以此制得大面积高耐用超疏水表面结构；2.同时，本发明采用光刻技术制备预设图形，并通过刻蚀制得倒锥形阵列，进而得到均一稳定的小面积倒锥形模板，具有工艺简单、制造成本较低的优势；3.此外，本发明充分利用硅基底的各项异性刻蚀，采用倒模方式逐渐扩大生产面积，整体工艺简单环保，并且可以实现低温制备，为后续的柔性制备和大规模制备奠定了基础。附图说明图1是本发明优选实施例提供的大面积高耐用性超疏水表面结构的制备流程图；图2是本发明优选实施例提供的制备方法中步骤s1旋涂光刻胶后的基底示意图；图3是本发明优选实施例提供的制备方法中步骤s1曝光后涂有光刻胶的基底示意图；图4是本发明优选实施例提供的制备方法中步骤s1显影后的基底示意图；图5是本发明优选实施例提供的制备方法中步骤s1溅射掩膜层后的基底示意图；图6是本发明优选实施例提供的制备方法中步骤s1剥离掩膜层后的基底示意图；图7是本发明优选实施例提供的制备方法中步骤s2刻蚀后的基底示意图；图8是本发明优选实施例提供的制备方法中步骤s3纳米压印的过程示意图；图9是本发明优选实施例提供的制备方法中步骤s3纳米压印后得到锥形掩膜的示意图；图10是本发明优选实施例提供的制备方法中步骤s3进行一次倒模前的示意图；图11是本发明优选实施例提供的制备方法中步骤s3进行一次倒模后的示意图；图12是本发明优选实施例提供的制备方法中步骤s3获得的倒锥形阵列结构的示意图；图13是本发明优选实施例提供的制备方法中步骤s4沉积耐磨种子层后的倒锥形模板的示意图；图14是本发明优选实施例提供的制备方法中步骤s4电铸耐磨层后的倒锥形模板的示意图；图15是本发明优选实施例提供的制备方法中步骤s4二次倒模前的示意图；图16是本发明优选实施例提供的制备方法中步骤s4二次倒模后的示意图；图17是本发明优选实施例提供的制备方法中步骤s4制得的锥形阵列结构的示意图；图18是本发明优选实施例提供的制备方法中步骤s5制得的锥台阵列结构的示意图。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-基底，2-光刻胶，3-曝光后的光刻胶，4-刻蚀掩膜层，5-倒锥形阵列，6-压印材料，7-锥形掩膜，8-一次倒模材料，9-倒锥形阵列结构，10-耐磨种子层，11-耐磨层，12-二次倒模材料，13-锥形阵列结构，14-锥台阵列结构。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。如图1所示，本发明实施例提供了一种大面积高耐用性超疏水表面结构的制备方法，该制备方法包括如下步骤：s1如图2～6所示，采用光刻的方式在基底1表面制备预设图形，然后在该具有预设图形的基底表面制备刻蚀掩膜层4，作为刻蚀保护层；s2如图7所示，对具有刻蚀掩膜层的基底进行刻蚀，采用湿法刻蚀的方式对无刻蚀掩膜层的区域进行刻蚀，刻蚀液为强碱溶液如氢氧化钾溶液或氢氧化钠溶液，进而在该基底上制得倒锥形阵列5；s3如图8～12所示，利用压印材料6对步骤s2制得的倒锤形阵列进行纳米压印，以此制得锥形掩膜7，然后利用一次倒模材料8对该锥形掩膜7进行一次倒模，获得倒锥形阵列结构9；s4如图14～17所示，在倒锥形阵列结构的表面构建耐磨层，获得倒锥形模板，利用二次倒模材料12对该倒锥形模板进行二次倒模，制得锥形阵列结构13；s5如图18所示，采用研磨机或砂纸对锥形阵列结构的表面进行研磨，研磨过程中磨削厚度为锥体高度的1/10～1/2，以得到锥台阵列结构14，进而制得大面积高耐用性超疏水表面结构。进一步，步骤s1中，光刻的主要步骤包含基底选择、涂光刻胶2、前烘、曝光(曝光后的光刻胶3如图3所示)、显影、坚膜等操作，基底材料优选为硅。进一步，步骤s1中，制备刻蚀掩膜层的过程为：采用物理沉积如溅射或蒸发的方式进行保护层沉积，然后利用剥离液进行剥离，从而得到图形化的刻蚀掩膜层，刻蚀掩膜层的材料为铬。进一步，步骤s4中，构建耐磨层的过程为：采用沉积方式构建耐磨种子层10，然后利用电铸方式制备耐磨层11，耐磨层的材料为铬。进一步，压印材料6和一次倒模材料8采用聚合物，二次倒模材料12采用疏水聚合物，并优选采用pdms材料。按照本发明的另一方面，提供了一种利用上述方法制备的大面积高耐用性超疏水表面结构，具有防污、防腐、自清洁、防附着、减少阻力等功能，可涵盖航天军工，交通工具、农业、建筑、医疗、日用纺织品等各个方面。下面根据具体实施例对本发明作进一步说明。1)图形转印选用厚度为300μm厚度的硅(100)作为基底，按照顺序采用丙酮、酒精和去离子水对其超声清洗30min后采用氮气吹干，放置于温度为100℃的热板上烘干待用，选用正胶az5214，转速2000r/min，旋涂40s，前烘温度115℃，前烘时间2min，曝光2s，采用rd6显影，显影时间10s，采用氮气枪吹干，90℃坚膜5min。2)构建掩膜选用金属铬作为靶材，采用磁控溅射的方法进行掩膜层的沉积，溅射厚度50nm，形成刻蚀保护层。3)刻蚀锥形结构选用氢氧化钾作为刻蚀液，刻蚀到停刻为止，得到倒锥形阵列。4)纳米压印选用pdms作为压印材料，采用纳米压印机进行锥形掩膜制备。5)一次倒模选用pdms作为倒模材料，采用倒模方式制备倒锥形阵列结构。6)构建耐磨层选用金属cr作为耐磨层，采用磁控溅射的方式得到耐磨金属种子层，溅射厚度为50nm，进一步采用电铸方式得到倒锥形阵列结构表面耐磨层，电铸厚度为10μm。7)二次倒模选用pdms作为倒模材料，采用倒模方式制备锥形阵列结构。8)研磨采用砂磨机对表面进行研磨，研磨高度为锥形高度的1/10，得到锥台阵列结构，由此得到大面积高耐用性超疏水表面结构。实施例2除表1中的工艺参数外,其他具体操作步骤和参数与实施例1一样。表1工艺参数实施例3除表2中的工艺参数外,其他具体操作步骤和参数与实施例1一样。表2工艺参数硅片厚度(μm)750掩膜溅射厚度(nm)射频模式压印材料聚酯倒模材料聚酯耐磨层种子层厚度(nm)300耐磨层厚度(μm)100二次倒模材料聚酯研磨厚度高度占比1/2本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12