刚度梯度化粘附结构的外场诱导成形方法

1.本发明属于微纳工程仿生制造技术领域，具体涉及刚度梯度化粘附结构的外场诱导成形方法。背景技术：2.自然界中，一些动物已经进化出具有梯度材料特性的粘附器官，例如甲虫的脚趾刚毛具有从根部的7.2gpa到尖端的1.2mpa的梯度弹性模量，这有利于与目标表面的密切接触和结构的高稳定性；此外，在树蛙脚趾垫中检测到相反的弹性模量梯度分布趋势：脚趾表面的角质化层显示模量为5-15mpa，角质化层下方的致密软毛细血管网络随着脚趾垫深度的增加而从20kpa持续下降到4kpa，这种类型的梯度可以在保持顺从接触的前提下，表现出优越的耐磨特性。上述上软下硬或者上硬下软的刚度梯度化结构都有可能提高仿生结构的黏附性能。为了模仿这种刚度梯度化结构，一般需要两种弹性模量的材料复合制作，一是软质材料，即弹性模量小的材料,有利于形成可靠的界面接触；二是硬质材料，既可增强稳定性，也能通过抑制界面分离增强附着效果。目前，蘑菇状末端形式已被证明是增强附着力的最佳几何形状，其相较于半球形、钝尖或平面尖端更好的界面接触能力，从而提供更大的接触面积；此外，蘑菇状形式可以减少接触面周边应力并抑制裂纹的产生。由此可见，刚度梯度化蘑菇状粘附结构是一种性能优越的仿生结构形式。3.然而，同时具备刚度梯度化的材料特性和蘑菇状的结构形式，给加工制造带来了很大的困难。传统制备方法在大面积制备及成形效率方面存在诸多不足之处：(1)工艺复杂，例如模具复制分层制作法(mi chael p.murphy,seok kim,and metin sitti acs applied materials&interfaces 200 9.1(4),849-855,doi：10.1021/am8002439)，需要首先制作一层弹性模量较小或较大的柱状阵列，然后在其顶端覆盖与之模量差异较大的其他材料；(2)设备精密，需要昂贵且操作复杂的加工设备；(3)工艺参数需要精确控制，例如硬质外壳成型法(michael p.murphy,seok kim,and metin sitti acs applied materials&interfaces,2009.1(4),849-855,doi：10.1021/am8002439)中，需要在微纳米级别的模具凹槽中精准插入反型结构，以便形成中空的硬质外壳；(4)两相交界处模量过渡不够平稳，例如硬质核心成型法(composite microposts with high dry adhesion strength,h.k.minsky and kevin t.turner,acs applied materials&interfaces,2017.9(21),18322-18327,doi:10.1021/acsami.7b01491)中，两相交界处弹性模量发生突变，会引发应力集中现象，从而导致结构耐久性和强度减弱。技术实现要素：4.为了克服现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种刚度梯度化粘附结构的外场诱导成形方法，能够实现具有微-纳或微-微尺度的刚度梯度化结构。5.为了达到上述目的，本发明采取的技术路线为：6.一种刚度梯度化粘附结构的外场诱导成形方法，包括以下步骤：7.第一步，诱导上极板的制备：在第一导电衬底1表面制备一层厚度为微米级或者纳米级的低表面能介电材料2；8.第二步，基材的选择及处理：采用第二导电衬底4作为基材，在其表面制备一层厚度为微米或纳米级的混合了介电纳米粒子的聚合物材料3；9.第三步，电场诱导软硬复合结构流变成型：施加压力将诱导上极板压在绝缘支撑结构5上，施加直流高电压，使聚合物和介电纳米粒子受到的电场力克服表面张力以及粘滞阻力流变，按照最不稳定波长生长出一层微结构；其中，通过控制纳米颗粒与聚合物的相对介电常数匹配性，得到内部纳米颗粒不同分布的微纳结构；之后，继续保持施加电压，直到聚合物接触诱导上极板，在低表面能介电材料2表面润湿，铺展得到蘑菇结构；10.第四步，聚合物材料的固化及脱模：在保持电压不变的情况下使聚合物固化，脱去诱导上极板，从而得到微-微或微-纳的刚度梯度化结构。11.所述的第三步中通过控制纳米颗粒与聚合物的相对介电常数匹配性，得到内部纳米颗粒不同分布的微纳结构时，当纳米颗粒介电常数大于聚合物介电常数时，纳米颗粒会集中分布在微纳结构的上侧，形成上硬下软的结构形式；反之，则形成上软下硬的结构。12.本发明提出了一种刚度梯度化粘附结构的外场诱导成形方法，工艺路线简单，不需要昂贵的加工设备及复杂的工艺控制，降低了制造成本，提高了加工效率；其制备的微-微或微-纳两级结构，可广泛应用于带式输送机、机械手、微吸盘等方面。附图说明13.图1为本发明诱导上极板的结构示意图。14.图2为本发明在基材上制备一层聚合物材料的结构示意图。15.图3为本发明采用外界压力将诱导模板通过介电支撑结构压在基材上的示意图。16.图4为本发明电场诱导形成微纳米结构流变机理的示意图。17.图5为本发明聚合物在接触上极板形成有效润湿后形成蘑菇结构的示意图。18.图6为本发明固化后脱去上极板得到的上软下硬结构示意图。19.图7为本发明固化后脱去上极板得到的上硬下软结构示意图。具体实施方式20.下面结合附图对本发明做详细描述。21.一种刚度梯度化粘附结构的外场诱导成形方法，包括以下步骤：22.第一步，诱导上极板的制备：利用旋涂工艺在第一导电衬底1表面制备一层厚度为微米级或者纳米级的低表面能介电材料2，比如特氟龙溶液等，然后在第一导电衬底1表面去除部分介电层，用于引出导电胶带，如图1所示；23.第二步，基材的选择及处理：采用第二导电衬底4作为基材，利用旋涂工艺在其表面制备一层厚度为微米或纳米级的混合了介电纳米粒子的聚合物材料3，如图2所示；24.第三步，电场诱导软硬复合结构流变成型：如图3所示，施加压力将诱导上极板压在绝缘支撑结构5上，绝缘支撑结构5比如pi膜；施加直流高电压，使聚合物和介电纳米粒子受到的电场力克服表面张力以及粘滞阻力流变，按照最不稳定波长生长出一层微结构；其中，通过控制纳米颗粒与聚合物的相对介电常数匹配性，可以得到内部纳米颗粒不同分布的微纳结构；当纳米颗粒介电常数大于聚合物介电常数时，纳米颗粒会集中分布在成形结构的上侧，形成上硬下软的结构形式；反之，则形成上软下硬的结构；之后，继续保持施加电压，直到聚合物接触诱导上极板，在低表面能介电材料2表面润湿，铺展得到蘑菇结构，如图4、图5所示；25.第四步，聚合物材料的固化及脱模：在保持电压不变的情况下使聚合物固化，待结构完全固化后，脱去诱导上极板，从而得到微-微或微-纳的刚度梯度化结构。26.上述方法实现的刚度梯度化粘附结构尺寸与外加电压大小u，以及介电支撑结构5高度有着密切的关系：27.电压的影响：电压增大，结构内部的纳米粒子分布密度随之增大，接触润湿性提高，蘑菇形结构的帽檐随之增大；28.介电支撑结构5高度的影响：介电支撑结构5高度增加，成形柱子的深宽比增大，整体模量梯度随之提升，对应粘附性能随之提升。29.施加一定的压力p，使诱导上极板通过介电支撑结构5接触基材，固化之前的聚合物材料具有流动性，施加合适的电场，聚合物在电场作用力开始流变，在聚合物接触诱导上极板之前，聚合物材料按照最不稳定波长生长，得到微结构，如图4所示；当聚合物接触到诱导上极板之后，聚合物材料在低表面能介电材料2界面润湿的效果下平铺展开，得到蘑菇帽檐结构，如图5所示。30.由于介电纳米粒子和流态聚合物的介电常数不同，两种物质在电场作用下的生长速度和分布状况也不一样；介电常数越大，生长速度越快；在相同的生长时长条件下，两种物质会出现不同的梯度化分布状态；当介电纳米粒子的介电常数小于聚合物的介电常数时，介电纳米粒子总体上会集中分布在蘑菇结构的下半部分，形成上软下硬的刚度梯度化分布的蘑菇结构，如图6所示；当介电纳米粒子介电常数大于聚合物介电常数时，介电纳米粒子总体上会集中分布在蘑菇结构的上半部分，形成上硬下软的刚度梯度化分布的蘑菇结构，如图7所示。31.最后使聚合物固化，脱去诱导上极板，即可得到微-微或微-纳的刚度梯度化粘附结构。用这种方法制备的粘附结构，克服了常规工艺的设备及材料限制，可得到大面积的刚度梯度化结构。32.本发明克服了传统制备方法中复杂的工艺过程及昂贵加工设备的限制，可实现聚合物材料的一次性成型得到微-微或微-纳的刚度梯度化结构。