CN102094222A - 一种多尺度仿生织构表面的加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多尺度仿生织构表面的加工方法。本发明是将表面复型法和电沉积方法相结合，依次进行(1)利用软印章技术，用AC纸复制生物原型表面织构，然后在AC纸上蒸镀金膜增加导电性；(2)在金属电解液中，采用电沉积法在导电处理过的AC纸上沉积金属镀层，最终在金属表面上微加工出具有生物表面高精度仿生织构，其形貌和尺寸与生物原型表面的微/纳织构一致。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属表面获得具有多尺度仿生微/纳织构表面加工方法，属于仿生表面处理领域。
背景技术
自然界中的很多植物具有超疏水表面，比如荷叶，水在这些叶子表面的接触角大于150°，并且当叶子稍微倾斜，水珠很快滑落，同时将叶子上的颗粒状污染物带走。这种现象被称为荷叶效应，这是由荷叶外表皮上的疏水性腊质和叶子表面微纳米双层结构共同引起的。壁虎可以利用它们足面上密堆积的纳米尺寸的刚毛阵列可以光滑的竖直表面或者天花板上爬行，表现出大的粘着作用。蜣螂是一种土壤动物，能在土壤中自由穿行，具有很强的抗粘附能力。这些生物系统独特的表面功能与它们表面多尺度织构和微形貌紧密相关，因而仿生微/纳织构表面加工技术得到了广泛关注，主要应用于工程设计和仿生机器人等设计。
目前，获得仿生微/纳织构表面的方法包括：结晶控制，相分离，模板法，阳极氧化铝模板法，多孔氧化铝模板法，电化学沉积，微波等离子增强化学气相沉积等。但是，这些方法得到的仿生微/纳织构表面功能单一，成本比较高，而且常常受到当前仪器水平的制约。因此，如何高精度获得与生物原型形貌和结构一致的多尺度微/纳织构表面是目前仿生材料开发的瓶颈之一。
发明内容
本发明的目的是在金属表面上加工出与生物原型表面形貌和织构一致的多尺度仿生微/纳织构的表面，解决仿生表面复制造型中存在的精度差和技术难度高等问题。
本发明是将表面复型法和电沉积方法相结合，依次进行(1)利用软印章技术，用AC纸复制生物原型表面织构，然后在AC纸上蒸镀金膜增加导电性；(2)在金属电解液中，采用电沉积法在导电处理过的AC纸上沉积金属镀层，最终在金属表面上微加工出具有如水稻叶子、荷叶、芋头叶子、蛇蜕和蜣螂等生物表面高精度仿生织构，其形貌和尺寸与生物原型表面的微/纳织构一致。
一种多尺度仿生织构表面的加工方法，其特征在于该方法依次通过以下步骤获得：
(1)预处理
将生物材料用丙酮、去离子水超声处理进行清洁，并用氮气吹干；所述生物材料选自荷叶、水稻叶子、芋头叶子、蜣螂、普通蛇蜕和蟒蛇蜕中的一种；
(2)AC纸表面复制
然后利用软印章技术，用醋酸纤维素溶液复制生物模板表面织构；待醋酸纤维素溶液固化后， 生物模板表面织构就转移到固化的醋酸纤维素薄膜即AC纸上；然后在AC纸上蒸镀一层80～120nm厚的金膜来增加导电性；
(3)电沉积
以高纯镍板为阳极，导电处理过的AC纸为阴极，在含镍的电镀溶液中进行电沉积实验；电解液组成：硫酸镍200～240g/l，氯化镍40～50g/l，硼酸25-35g/l，十二烷基磺酸钠0.1-0.15g/l。电沉积参数：pH值4.5～5.5，温度39±2℃，电流密度2～3A/dm2，沉积时间控制在1-3h；
(4)后处理
电沉积结束后，将阴极材料在丙酮中做超声处理以去除AC纸，最终得到具有生物表面高精度仿生微/纳织构的金属镍表面，其形貌和尺寸与生物原型表面的微/纳织构一致。
采用本发明的方法制备出的具有仿生微/纳织构的金属表面，具有以下特点：
1、采用生物原型材料如水稻叶子、荷叶、芋头叶子、蛇蜕和蜣螂为模板。
2、加工工艺简单，原料易得，成本低。以自然界生物材料为模板，利用复型法和电沉积方法相结合，在常温下制得具有多尺度、高精度仿生微/纳织构的金属表面。
3、获得的仿生微/纳织构的金属表面的形貌和尺寸与生物原型表面的微/纳织构一致，具有复制精度高、重复性好、大面积获取等优点。采用本发明方法获得的表面微织构在水平方向的分辨率达到100纳米，深度方向达到30纳米。
本发明的具有荷叶、水稻叶子等表面微织构的金属表面，具有自清洁及疏水作用，可以用于防粘着、防结雾等设计。本发明的具有蜣螂表面微织构的金属表面，具有很强的抗粘、脱附能力，可以用于挖掘工具设计中。本发明的具有蛇蜕表面微织构的金属表面，在地面的滑动性较好，可以用于流行性、减阻等设计。本发明的方法也可以仿制出具有其他生物表面微织构及人工有序或者无序织构，从而可以应用于不同的工程设计和仿生机器人等设计。
具体实施方式
实施例1
以水稻叶子为模板，制备出具有水稻叶子表面微织构的镍表面：
(1)预处理
将水稻叶子用丙酮、去离子水超声处理进行清洁，并用氮气吹干。
(2)AC纸表面复制
然后利用软印章技术，用醋酸纤维素溶液复制生物模板表面织构；待醋酸纤维素溶液固化后，生物模板表面织构就转移到固化的醋酸纤维素薄膜(AC纸)上。然后在AC纸上蒸镀一层约100nm厚的金膜来增加导电性。
(3)电沉积
以高纯镍板为阳极，导电处理过的AC纸为阴极，在含镍的电解液中进行电沉积处理。电解液组成：硫酸镍224g/l，氯化镍45g/l，硼酸30g/l，十二烷基磺酸钠0.11g/l。沉积过程参数：pH4.5～5.5，温度39±2℃，电流密度2A/dm2。电沉积时间控制在2h左右。
(4)后处理
电沉积结束后，将金属阴极材料在丙酮中做超声处理以去除AC纸，最终得到了与水稻叶子表面形貌和织构一致的多尺度仿生微/纳织构的金属镍表面。
实施例2
以荷叶为模板，制备出具有荷叶表面微织构的镍表面：
(1)预处理
将荷叶用丙酮、去离子水超声处理进行清洁，并用氮气吹干。
(2)AC纸表面复制
然后利用软印章技术，用醋酸纤维素溶液复制生物模板表面织构；待醋酸纤维素溶液固化后，生物模板表面织构就转移到固化的醋酸纤维素薄膜(AC纸)上。然后在AC纸上蒸镀一层约100nm厚的金膜来增加导电性。
(3)电沉积
以高纯镍板为阳极，导电处理过的AC纸为阴极，在含镍的电解液中进行电沉积处理。电解液组成：硫酸镍224g/l，氯化镍45g/l，硼酸30g/l，十二烷基磺酸钠0.11g/l。沉积过程参数：pH4.5～5.5，温度39±2℃，电流密度2A/dm2。电沉积时间控制在2h左右。
(4)后处理
电沉积结束后，将阴极材料在丙酮中做超声处理以去除AC纸，最终得到了与荷叶表面形貌和织构一致的多尺度仿生微/纳织构的金属镍表面。
实施例3
以芋头叶子为模板，制备出具有芋头叶子表面微织构的镍表面：
(1)预处理
将芋头叶子用丙酮、去离子水超声处理进行清洁，并用氮气吹干。
(2)AC纸表面复制
然后利用软印章技术，用醋酸纤维素溶液复制生物模板表面织构；待醋酸纤维素溶液固化后，生物模板表面织构就转移到固化的醋酸纤维素薄膜(AC纸)上。然后在AC纸上蒸镀一层约100nm厚的金膜来增加导电性。
(3)电沉积
以高纯镍板为阳极，导电处理过的AC纸为阴极，在含镍的电解液中进行电沉积处理。电解液组成：硫酸镍224g/l，氯化镍45g/l，硼酸30g/l，十二烷基磺酸钠0.11g/l。沉积过程参数：pH4.5～5.5，温度39±2℃，电流密度2A/dm2。电沉积时间控制在2h左右。
(4)后处理
电沉积结束后，将阴极材料在丙酮中做超声处理以去除AC纸，最终得到了与芋头叶子表面形貌和织构一致的多尺度仿生微/纳织构的金属镍表面。
实施例4
以普通蛇蜕为模板，制备出具有普通蛇蜕表面微织构的镍表面：
(1)预处理
将普通蛇蜕用丙酮、去离子水超声处理进行清洁，并用氮气吹干。
(2)AC纸表面复制
然后利用软印章技术，用醋酸纤维素溶液复制生物模板表面织构；待醋酸纤维素溶液固化后，生物模板表面织构就转移到固化的醋酸纤维素薄膜(AC纸)上。然后在AC纸上蒸镀一层约100nm厚的金膜来增加导电性。
(3)电沉积
以高纯镍板为阳极，导电处理过的AC纸为阴极，在含镍的电解液中进行电沉积处理。电解液组成：硫酸镍224g/l，氯化镍45g/l，硼酸30g/l，十二烷基磺酸钠0.11g/l。沉积过程参数：pH4.5～5.5，温度39±2℃，电流密度2A/dm2。电沉积时间控制在2h左右。
(4)后处理
电沉积结束后，将阴极材料在丙酮中做超声处理以去除AC纸，最终得到了与普通蛇蜕表面形貌和织构一致的多尺度仿生微/纳织构的金属镍表面。
实施例5
以蟒蛇蜕为模板，制备出具有蟒蛇蜕表面微织构的镍表面：
(1)预处理
将蟒蛇蜕用丙酮、去离子水超声处理进行清洁，并用氮气吹干。
(2)AC纸表面复制
然后利用软印章技术，用醋酸纤维素溶液复制生物模板表面织构；待醋酸纤维素溶液固化后，生物模板表面织构就转移到固化的醋酸纤维素薄膜(AC纸)上。然后在AC纸上蒸镀一层约100nm厚的金膜来增加导电性。
(3)电沉积
以高纯镍板为阳极，导电处理过的AC纸为阴极，在含镍的电解液中进行电沉积处理。电解液组成：硫酸镍224g/l，氯化镍45g/，硼酸30g/l，十二烷基磺酸钠0.11g/l。沉积过程参数：pH4.5～5.5，温度39±2℃，电流密度2A/dm2。电沉积时间控制在2h左右。
(4)后处理
电沉积结束后，将阴极材料在丙酮中做超声处理以去除AC纸，最终得到了与蟒蛇蜕表面形貌和织构一致的多尺度仿生微/纳织构的金属镍表面。
实施例6
以蜣螂前胸背板为模板，制备出具有蜣螂前胸背板表面微织构的镍表面：
(1)预处理
将蜣螂前胸背板用丙酮、去离子水超声处理进行清洁，并用氮气吹干。
(2)AC纸表面复制
然后利用软印章技术，用醋酸纤维素溶液复制生物模板表面织构；待醋酸纤维素溶液固化后，生物模板表面织构就转移到固化的醋酸纤维素薄膜(AC纸)上。然后在AC纸上蒸镀一层约100nm厚的金膜来增加导电性。
(3)电沉积
以高纯镍板为阳极，导电处理过的AC纸为阴极，在含镍的电解液中进行电沉积处理。电解液组成：硫酸镍224g/l，氯化镍45g/l，硼酸30g/l，十二烷基磺酸钠0.11g/l。沉积过程参数：pH4.5～5.5，温度39±2℃，电流密度2A/dm2。电沉积时间控制在2h左右。
(4)后处理
电沉积结束后，将阴极材料在丙酮中做超声处理以去除AC纸，最终得到了与蜣螂前胸背板表面形貌和织构一致的多尺度仿生微/纳织构的金属镍表面。
Claims (1)
1.一种多尺度仿生织构表面的加工方法，其特征在于该方法依次通过以下步骤获得：
(1)预处理
将生物材料用丙酮、去离子水超声处理进行清洁，并用氮气吹干；所述生物材料选自荷叶、水稻叶子、芋头叶子、蜣螂、普通蛇蜕和蟒蛇蜕中的一种；
(2)AC纸表面复制
然后利用软印章技术，用醋酸纤维素溶液复制生物模板表面织构；待醋酸纤维素溶液固化后，生物模板表面织构就转移到固化的醋酸纤维素薄膜即AC纸上；然后在AC纸上蒸镀一层80～120nm厚的金膜来增加导电性；
(3)电沉积
以高纯镍板为阳极，导电处理过的AC纸为阴极，在含镍的电镀溶液中进行电沉积实验；电解液组成：硫酸镍200～240g/l，氯化镍40～50g/l，硼酸25-35g/l，十二烷基磺酸钠0.1-0.15g/l。电沉积参数：pH值4.5～5.5，温度39±2℃，电流密度2～3A/dm2，沉积时间控制在1-3h；
(4)后处理
电沉积结束后，将阴极材料在丙酮中做超声处理以去除AC纸，最终得到具有生物表面高精度仿生微/纳织构的金属镍表面。
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