CN109795062A - 一种掩膜加工仿鲨鱼皮表面的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种掩膜加工仿鲨鱼皮表面的制备方法，通过先制备铝基掩膜板，然后制备复型底板，再制备仿生鲨鱼皮；然后将整个结构浸泡于溶剂中，在恒温水浴箱中轻微的晃动，利用溶剂的表面张力，更为容易得剥离复型底板和掩模板B，从而获得仿生鲨鱼皮表面。本发明的工艺可靠，方便快捷，适用于更大批量且更好形貌的仿生鲨鱼皮样品的制备。

Description

一种掩膜加工仿鲨鱼皮表面的制备方法

技术领域

本发明表面制备技术领域，特别涉及一种掩膜加工仿鲨鱼皮表面的制备方法。

背景技术

目前，常用的防护技术如表面防污涂层技术对延长海洋装备的使用寿命和减少运行能耗起到了较好的作用，但依然存在维护周期长，费用高，防污与减阻效率低等缺点。传统防污涂层(有机锡)对海洋生态平衡的破坏作用也受到越来越多的学者关注。同时一旦这种涂层受到物理性损伤，必须紧急停航进行修复和维护，不利于海洋装备服役的灵活性与机动性。当前传统的涂层防护技术已无法满足服役条件的苛刻性与复杂性。所以，如何提高海洋装备的防护和减阻性能，减少生物附着对海洋装备的服役伤害，清理污着表面，是现今亟待解决的问题。

生活在海洋的鲨鱼因其独特的皮肤构造从而具有强大的自清洁及减阻能力，基于仿生学原理，研究鲨鱼与海豚皮肤的结构特点，对其基本结构与表面成分进行分析，提取并获得鲨鱼皮等海洋生物的微观形貌特征。研究其结构分布的拓扑特征，建立表面微观结构与附着生物的相互作用关系，并采取合适的复型再制造技术，构建仿自清洁与减阻表面。

结合已有文献对减阻形貌数据的报道及扫描电镜(SEM)观察，提取利于表面减阻的形貌特征参数，然后采用模板法制备与生物功能高度一致的表面仿生结构。目前我们已经做出的工作内容如下：将鲨鱼皮防腐处理后，喷涂适量脱模剂。利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)模具胶浇铸到生物样本上，经过抽真空、固化和脱模，得到模板。对模板表面进行喷金处理，于SEM和激光共聚焦显微镜下观察表面形貌特征，提取减阻仿生的形貌参数；采用激光烧蚀的加工方法，对模板基材表面进行预处理，如抛光和清洗等。探索和调节激光加工工艺过程中的参数：重复频率、加工电流、扫描次数等，将获取的减阻仿生参数输入，控制激光光斑的运动路径，得到仿生的减阻表面。不论何种加工方法，最后都应通过复型精度等作为基本评价依据，其中复型精度可通过测量比较鲨鱼皮和仿生鲨鱼皮对应的关键尺寸误差值得到。可用激光共聚焦分别测量鲨鱼皮和仿生鲨鱼皮表面的关键尺寸，关键尺寸主要有盾鳞基底的长和宽，以及“脊”的长宽高。经查阅资料以及实验发现：使用鲨鱼皮作为复型模板获得仿生鲨鱼皮样品减阻效果明显。但其中“脊”的长度、高度复型精度低于98％，原因可能主要是由于脊的结构较为细微，复型过程中，硅胶模板不能很好把该结构复型下来。同时该方法存在样品尺寸受限，无法大规模批量制作的弊端；使用激光烧蚀方法得到的仿生的减阻织构表面，虽然方便大规模批量生产，且通过改变激光参数获得形貌较好的盾鳞中“脊”。但仅体现出鲨鱼皮盾鳞的“脊”，而无盾鳞基底，其完整盾鳞结构难以获得。综上，有必要提出一种同时实现大规模、高复型精度的仿生鲨鱼皮制备方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种掩膜加工仿鲨鱼皮表面的制备方法，以克服现有技术的缺陷，利用掩膜的贴合，优化仿生鲨鱼皮产品的剥离过程；同时其制备结果相较于直接采用激光加工的制备样品具备更好形貌，因为存在厚度可控的掩模板更利于实现盾鳞高度的调控，从而更为精确地制备出仿生鲨鱼皮表面；且结合激光加工后相对于采用PDMS脱模真正鲨鱼皮的方法更适合大规模生产的表面制备工艺；通过本发明可以获得大面积的仿鲨鱼皮表面。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种掩膜加工仿鲨鱼皮表面的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、铝基掩膜板的制备

在掩模板A与掩模板B的复型区采用激光烧蚀的方法，制造出排布完全相同的若干圆形通孔；

步骤二、复型底板的制备

将钢板与掩模板A重合放置，用固定件固定四角，随后用激光烧蚀出平行的沟槽图案，得到分布有类似鲨鱼皮盾鳞图案的复型底板；

步骤三、仿生鲨鱼皮的制备

将复型底板与掩模板B重合放置，用固定件固定四角，浇铸聚二甲基硅氧烷，形成聚二甲基硅氧烷浇注层，然后除去气泡，静置成型；

步骤四、底板和掩模板B的剥离

将步骤三中的成型后的结构浸泡于溶剂中，剥离复型底板和掩模板B，获得仿生鲨鱼皮样品。

本发明进一步的改进在于，通孔直径为0.5mm。

本发明进一步的改进在于，步骤一中所述复型区为距离掩模板A与掩模板B底面边界一厘米处，所形成8cm×8cm的正方形区域。

本发明进一步的改进在于，步骤一的具体过程为：掩模板A选用边长为10cm的第一正方形铝箔，掩模板B则选用边长为12cm的第二正方形铝箔，将第二正方形铝箔四角均割下边长为1cm的正方薄片，随后将四个面积为10cm×1cm的侧面折起，边缝粘合，得到底面面积为10cm×10cm，四个侧面面积为10cm×1cm的无顶盒体，随后将盒体与第一正方形铝箔上下重叠放置，在复型区激光烧蚀出若干圆形通孔，最终得到掩模板A和掩膜板B。

本发明进一步的改进在于，步骤二中，钢板的长宽均为10cm，厚度为3mm。

本发明进一步的改进在于，步骤二中，沟槽间距为0.1mm。

本发明进一步的改进在于，步骤二中，步骤一与步骤二中，激光烧蚀的扫描能量为25.7-80μJ，速度为10mm/s，频率为40-50kHz。

本发明进一步的改进在于，步骤二、步骤三中固定件均为底面直径为7-8mm、厚度为3-4mm的圆柱体磁体；步骤三中，聚二甲基硅氧烷浇注层的厚度为3-6mm。

本发明进一步的改进在于，步骤四中，溶剂为超纯水或无水乙醇。

本发明进一步的改进在于，步骤四中，采用机械剥离的方法进行剥离，具体过程为：1)先将复合底板、掩模板B、聚二甲基硅氧烷浇铸层作为整体放入溶剂中，晃动2min；2)使用医用针头，将复合底板与掩模板B边缘撬动后，用镊子轻扯掩模板B边缘，室温条件下于溶剂中将二者剥离；3)取出复合底板后，使用医用针头，将聚二甲基硅氧烷PDMS浇铸层与掩模板B边缘撬动后，用镊子轻扯PDMS浇铸层，室温条件下于溶剂中将二者剥离，最终获得仿生鲨鱼皮样品。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明通过先制备铝基掩膜板，然后制备复型底板，再制备仿生鲨鱼皮；然后将整个结构浸泡于溶剂中，在恒温水浴箱中轻微的晃动，利用溶剂的表面张力，更为容易得剥离复型底板和掩模板B，从而获得仿生鲨鱼皮表面。本发明利用掩模板这一手段，综合真空铸造复型方法和激光烧蚀法制备模板的方法，制备仿生鲨鱼皮样品。本发明中两块掩模板在复型区的加工图案应完全相同，并且保证与底板重合时的放置角度、位置完全相同，以保证样品顺利加工。本发明的工艺可靠，方便快捷，适用于更大批量且更好形貌的仿生鲨鱼皮样品的制备。通过对仿生鲨鱼皮制品表面结构和功能的研究，能够实现表面高效的污着防护与减阻的海洋装备。

进一步的，第一正方形铝箔与第二正方形铝箔的厚度的改变可实现盾鳞高度的调节。

进一步的，选用厚为0.3mm铝箔制作掩模板时既能保证强度要求，也具有很好的柔软性。

进一步的，采用本发明中的激光烧蚀工艺，克服了激光能量过高、加工速度、频率不当会产生过多熔融物的堆积和造成沟槽宽度的减小，进而影响加工质量的问题。

进一步的，剥离底板和掩模板B是在溶液中进行的，利用液体的表面张力来分离底模板与掩模板B，以及掩模板B及PDMS浇铸层，并辅以轻微的晃动或是机械外力，这极大地减少了机械力对分离界面质量的影响。本发明适用于更大批量且更好形貌的仿生鲨鱼皮样品的制备。

进一步的，溶剂为超纯水或无水乙醇，不会对仿鲨鱼皮表面造成的污染。

附图说明

图1为一种鲨鱼皮盾鳞扫描电镜照片。

图2为掩模板A、掩模板B上烧蚀圆形通孔排布方式的种类。其中，(a)为正方形排布，(b)为菱形排布，(c)为中心矩形排布。

图3为掩模板A的俯视示意图。

图4为图3中左下角方框处的放大图。

图5为掩模板A的斜视示意图。

图6为掩模板B的斜视示意图。

图7为本发明制备方法的流程示意图。

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方法，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。

参见图7，本发明的一种掩膜加工仿鲨鱼皮表面的制备方法，包括下列步骤：

步骤一、铝基掩膜板的制备

铝基掩膜板的制备如下：准备两片铝基薄片制品，薄片厚度要求为0.2-0.4mm，其中一块为边长是10cm的正方形，此为掩模板A(见图5)；另一块为边长为12cm的正方形，利用直尺和裁刀将其四角均精准割下边长为1cm的小正方形，四边翻折直立，边沿外侧的四条长1cm的边缝用胶水小心密封黏合，形成底面为边长10cm的正方形的无盖立方体盒子，此为掩模板B(见图6)。随后在复型区内采用激光烧蚀的方法，制造出排布完全相同的圆形通孔(见图3和图4，掩模板B的俯视图与掩模板A的俯视图完全相同)，其直径为0.5mm，其中激光数据为控制能量为25.7-80μJ，速度为10mm/s，扫描频率40-50kHz；圆心间距为0.6-0.8mm，每四个相邻最近圆心顺次连线为正方形(见图2(a))，同样的，每四个相邻最近圆心顺次连线亦可为菱形(见图2(b))或是中心矩形(见图2(c))。应注意：铝箔厚度的改变可实现盾鳞高度的调节；掩模板上圆形通孔的排布决定盾鳞排布。两块掩模板在复型区的加工图案应完全相同，并且保证与底板重合时的放置角度、位置完全相同，以保证样品顺利加工。

步骤二、复型底板的制备

准备一块边长为10cm，厚度3mm的钢板，经抛光清洗处理后，将其与掩模板A重合放置。轻轻按压整个表面，确保掩模板A与底板完全重合，随后四角用磁性固定件贴合固定。用激光烧蚀出平行的沟槽图案，沟槽之间的间距为0.1mm，与复型底板边沿保持平行(或垂直)。激光加工底板图案时，控制扫描能量、速度、频率，范围分别为：扫描能量25.7-80μJ、速度10mm/s、频率40-50kHz，此时得到的复型底板复型区上分布着具有鲨鱼皮盾鳞俯视效果的二维图案。一种鲨鱼皮盾鳞的俯视图参见图1。应注意：激光烧蚀出的沟槽与底板边沿的角度关系同样影响着盾鳞排布。其中，固定件为底面直径为7-8mm、厚度为3-4mm的圆柱体磁体。

步骤三、仿生鲨鱼皮的制备

小心撕下掩模板A，将底板放入超声清洗机震荡清洗4分钟后，得到表面干净的复型底板，放入真空干燥箱中干燥。将掩模板B与底板重合放置，轻轻按压整个表面，确保掩模板B与底板完全重合，随后四角用固定件磁铁贴合固定。浇铸PDMS至厚度大约为3-6mm，于真空环境下除气泡，使PDMS中溶解气体尽可能排干净，随后静置样品成型。其中，固定件为底面直径为7-8mm、厚度为3-4mm的圆柱体磁体。

步骤四、底板和掩模板B的剥离

将步骤三中成型后的整个结构浸泡于溶剂中，在恒温水浴箱中轻微的晃动，利用溶剂的表面张力，更为容易得剥离复型底板和掩模板，获得仿生鲨鱼皮表面。具体剥离过程如下：1)首先将底板、掩模板B、PDMS浇铸层作为整体放入恒温水浴箱中，晃动2min。2)随后使用医用针头，轻轻将底板与掩模板B边缘撬动后，用镊子小心轻撕掩模板B边缘，于室温条件下于溶剂中将二者剥离。3)取出底板后，使用医用针头，轻轻将PDMS浇铸层与掩模板B边缘撬动后，用镊子小心轻扯PDMS浇铸层，于室温条件下于溶剂中将二者剥离，最终获得仿生鲨鱼皮样品。其中，溶剂为超纯水或无水乙醇。

实施例1

本发明一种掩膜加工仿鲨鱼皮表面的制备方法，包括以下步骤：

1.铝基掩膜板的制备

铝这种银白色轻金属具有优良的延展性且铝元素在地壳中的含量仅次于氧和硅，居第三位，是地壳中含量最丰富的金属元素，故使铝箔成为一种非常经济且方便获得的材料。同时铝在潮湿空气中易形成一层致密氧化膜，具有良好的稳定性。选用厚为0.3mm铝箔制作掩模板时既能保证强度要求，也具有很好的柔软性。当然,铝箔厚度可适当改变进而实现盾鳞高度的调节。其优点是实现掩模板与样品等更容易地剥离，其材质也利于得到更好的圆孔加工效果。在用激光烧蚀出0.5mm圆形通孔时，激光数据是：能量70μJ，速度10mm/s，扫描频率40kHz；圆心间距为0.6-0.8mm，每四个相邻最近圆心顺次连线为正方形(图2)。当然应当理解,掩模板上圆形通孔的排布改变会决定盾鳞排布的改变。

2.复型底板的制备

同样激光烧蚀的方法，加工出盾鳞结构中的“脊”，即鳞片上的条状凸起。将底板与掩模板A贴合放置后，用激光烧蚀出平行的沟槽图案，每条沟槽的间距为0.1mm，与复型底板边沿保持平行(或垂直)。激光加工底板图案时，控制扫描能量、速度、频率，范围分别为：扫描能量60μJ、速度10mm/s、频率45kHz，此时得到的复型底板复型区上分布着具有鲨鱼皮盾鳞俯视效果的二维图案。值得注意的是，激光烧蚀出的沟槽与底板边沿的角度关系与掩模板上圆形通孔的排布共同影响着盾鳞排布。并且激光能量过高、加工速度、频率不当会产生过多熔融物的堆积和造成沟槽宽度的减小，进而影响加工质量，故本发明为加工参数提出如上建议范围。

3.仿生鲨鱼皮的制备

将掩模板A替换为掩模板B的操作基本相同，均为超声清洗机震荡清洗各个部件约3-5分钟，得到干净的表面后，放入真空干燥箱中干燥10分钟，随后将掩模板B与底板重合放置，轻轻按压整个表面使之贴合。特别注意，掩模板A与掩模板B底面完全一致，并且必须保证放置角度及位置完全一致。浇铸PDMS至厚度大约为4mm，于真空环境下除气泡，使PDMS中溶解气体尽可能排干净，随后静置样品成型。PDMS在固化时,置于真空干燥箱内去除气泡，恒温45℃凝固干燥18小时。这期间，固化的条件温和(不对金属薄膜产生化学反应)，固化速率均匀(不易产生应力集中)和固化后固化剂体积变化小。

4.底板和掩模板B的剥离

剥离底板和掩模板B的办法采用的是溶液条件下，利用液体的表面张力来分离底模板与掩模板B，以及掩模板B及PDMS浇铸层，并辅以轻微的晃动或是机械外力，这极大地减少了机械力对分离界面质量的影响。考虑到溶液可能对仿鲨鱼皮表面造成的污染，选取了两种常见溶剂：超纯水和无水乙醇。实验中选取了电阻率为18.25MΩ·cm的超纯水，其表面张力可达75.64mN/m。在制备样品时，经超纯水浸泡2～3min后，于水浴环境中将底板和掩模板B依次剥离，最终获得仿生鲨鱼皮样品。

本发明包括：步骤一、铝基掩膜板的制备，其中两片掩模板材质、加工要求基本一致；步骤二、复型底板的制备，先前激光烧蚀制备方法为其提供数据支持；步骤三、仿生鲨鱼皮的制备，采用真空铸造法制备；步骤四、将步骤三中的整个结构浸泡于溶剂中，在恒温水浴箱中轻微的晃动，利用溶剂的表面张力，更为容易得剥离复型底板和掩模板B，从而获得仿生鲨鱼皮表面。本发明的工艺可靠，方便快捷，适用于更大批量且更好形貌的仿生鲨鱼皮样品的制备。

对本领域内的技术人员来说，在不脱离本发明的实质范围内，对上述实例的实施进行适当的替换或修改都将落在本发明权利要求的范围内。示范例的实施例仅是例证例，而不是对本发明的限定，本发明的范围由所附的权利要求所定义。

Claims (10)

1.一种掩膜加工仿鲨鱼皮表面的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、铝基掩膜板的制备

在掩模板A与掩模板B的复型区采用激光烧蚀的方法，制造出排布完全相同的若干圆形通孔；

步骤二、复型底板的制备

将钢板与掩模板A重合放置，用固定件固定四角，随后用激光烧蚀出平行的沟槽图案，得到分布有类似鲨鱼皮盾鳞图案的复型底板；

步骤三、仿生鲨鱼皮的制备

将复型底板与掩模板B重合放置，用固定件固定四角，浇铸聚二甲基硅氧烷，形成聚二甲基硅氧烷浇注层，然后除去气泡，静置成型；

步骤四、底板和掩模板B的剥离

将步骤三中的成型后的结构浸泡于溶剂中，剥离复型底板和掩模板B，获得仿生鲨鱼皮样品。

2.根据权利要求1所述的一种掩膜加工仿鲨鱼皮表面的制备方法，其特征在于，通孔直径为0.5mm。

3.根据权利要求1所述的一种掩膜加工仿鲨鱼皮表面的制备方法，其特征在于，步骤一中所述复型区为距离掩模板A与掩模板B底面边界一厘米处，所形成8cm×8cm的正方形区域。

4.根据权利要求1所述的一种掩膜加工仿鲨鱼皮表面的制备方法，其特征在于，步骤一的具体过程为：掩模板A选用边长为10cm的第一正方形铝箔，掩模板B则选用边长为12cm的第二正方形铝箔，将第二正方形铝箔四角均割下边长为1cm的正方薄片，随后将四个面积为10cm×1cm的侧面折起，边缝粘合，得到底面面积为10cm×10cm，四个侧面面积为10cm×1cm的无顶盒体，随后将盒体与第一正方形铝箔上下重叠放置，在复型区激光烧蚀出若干圆形通孔，最终得到掩模板A和掩膜板B。

5.根据权利要求1所述的一种掩膜加工仿鲨鱼皮表面的制备方法，其特征在于，步骤二中，钢板的长宽均为10cm，厚度为3mm。

6.根据权利要求1所述的一种掩膜加工仿鲨鱼皮表面的制备方法，其特征在于，步骤二中，沟槽间距为0.1mm。

7.根据权利要求1所述的一种掩膜加工仿鲨鱼皮表面的制备方法，其特征在于，步骤二中，步骤一与步骤二中，激光烧蚀的扫描能量为25.7-80μJ，速度为10mm/s，频率为40-50kHz。

8.根据权利要求1所述的一种掩膜加工仿鲨鱼皮表面的制备方法，其特征在于，步骤二、步骤三中固定件均为底面直径为7-8mm、厚度为3-4mm的圆柱体磁体；步骤三中，聚二甲基硅氧烷浇注层的厚度为3-6mm。

9.根据权利要求1所述的一种掩膜加工仿鲨鱼皮表面的制备方法，其特征在于，步骤四中，溶剂为超纯水或无水乙醇。

10.根据权利要求1所述的一种掩膜加工仿鲨鱼皮表面的制备方法，其特征在于，步骤四中，采用机械剥离的方法进行剥离，具体过程为：1)先将复合底板、掩模板B、聚二甲基硅氧烷浇铸层作为整体放入溶剂中，晃动2min；2)使用医用针头，将复合底板与掩模板B边缘撬动后，用镊子轻扯掩模板B边缘，室温条件下于溶剂中将二者剥离；3)取出复合底板后，使用医用针头，将聚二甲基硅氧烷PDMS浇铸层与掩模板B边缘撬动后，用镊子轻扯PDMS浇铸层，室温条件下于溶剂中将二者剥离，最终获得仿生鲨鱼皮样品。