CN110835418A - 一种弹性基体材料表面柔性二维褶皱结构的构筑方法 - Google Patents

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Abstract

一种弹性基体材料表面柔性二维褶皱结构的构筑方法，本发明涉及一种弹性基体材料表面柔性二维褶皱结构的构筑方法。本发明的目的是为了解决现有技术难以在弹性基体上制备出柔性二维褶皱结构、表面层厚度可调节范围窄的问题，本发明方法为：(1)基体材料的预清洁；(2)在基体材料表面沉积表面层或通过重离子、电子或质子辐照形成表面层；(3)将具有表面层的基体进行热处理后冷却至室温。本发明操作温度始终高于基体材料玻璃转化点温度，在弹性基体材料表面构筑出柔性二维褶皱结构。可通过控制沉积表面层厚度、辐照能量、通量、注量、热处理温度和时间实现对褶皱波长和振幅的调控。本发明应用于表面微、纳结构的构筑领域。

Description

一种弹性基体材料表面柔性二维褶皱结构的构筑方法
技术领域
本发明涉及一种弹性基体材料表面柔性二维褶皱结构的构筑方法。
背景技术
表面起皱现象在自然界中广泛存在，在材料表面可调控构筑微、纳褶皱结构是纳米科技和表面工程领域的重要研究方向。褶皱结构在光学调控、传感器、探测器、微电子机械系统、微纳机器人、表面增强拉曼散射、荧光增强效应、超浸润、防雾除冰、表面防尘等领域具有重要理论研究意义和工程应用价值。
目前构筑褶皱的主要手段包括：(1)在热塑性基体(如聚苯乙烯热缩膜、PET热缩膜)表面沉积一层表面层或者通过等离子体、激光、紫外/O3辐照、聚焦离子束对基体进行处理形成表面层，然后将基体加热至其玻璃转化点(Tg)温度以上受热收缩出褶皱结构。该方法采用的基体在常温以及工作温度时为刚性基体，限制了其在柔性领域的应用。(2)对弹性基体(如PDMS)施加预应变，在应变条件下在基体表面沉积表面层或采用等离子体、激光、紫外/O3辐照、聚焦离子束对基体进行处理形成表面层，然后缓慢释放应力在弹性基体表面形成褶皱结构。该方案通常采用单轴拉伸进行应变的施加和回复，操作复杂且难以进行双轴应变的施加和回复，在弹性基体上构筑出二维褶皱结构操作较为复杂。且上述两种方案都存在表面层厚度可调控范围较窄的问题，因此开发出能够在弹性基体上可调控构筑柔性二维褶皱结构的制备方案具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有在弹性基体上制备出柔性二维褶皱结构的方法复杂、构筑的表面层厚度可调节范围窄的问题，提供了一种弹性基体材料表面柔性二维褶皱结构的构筑方法。
本发明一种弹性基体材料表面柔性二维褶皱结构的构筑方法，按以下步骤进行：
一、基体材料的预清洁：将弹性基体材料进行超声洗涤，然后用高纯氮气吹干，得到清洁后的基体；
二、在清洁后的基体表面构建表面层：在清洁后的基体材料表面沉积一层表面层，或者将清洁后的基体材料用重离子、电子或质子进行辐照处理，使基体表面形成表面层；
三、将具有表面层的基体进行热处理：将具有表面层的基体材料加热，然后冷却至室温构筑出柔性二维褶皱结构，即完成。
本发明通过在弹性基体表面沉积表面层或通过重离子辐照、质子辐照、电子辐照使弹性基体表面形成表面层，然后利用加热炉加热到100℃至基体熔化点之间温度或电子束辐照热加热后冷却至室温(操作温度和使用温度始终远高于弹性基体玻璃转化点温度)，表面层和弹性基体材料间由于热应力失配从而构筑出柔性二维褶皱结构。可通过控制辐照能量、通量、注量、热处理温度、时间实现对褶皱波长和振幅的精确调控，辐照产生的表面层厚度从纳米级至毫米级可调，有效拓宽了表面层厚度的调节范围。通过沉积或辐照以及热处理的方法即可在弹性材料上构筑褶皱结构，该方法适用于大面积、低成本、可控地构筑柔性二维褶皱结构，解决了在弹性基体上构筑柔性二维褶皱结构方法复杂、表面层厚度可调节范围窄的问题。可应用于光学调控、传感器、探测器、微电子机械系统、微纳机器人、表面增强拉曼散射、荧光增强效应、超浸润、防雾除冰、表面防尘等领域。
附图说明
图1是实例1中在盖片胶表面沉积Au层后在马弗炉中热处理构筑柔性二维褶皱结构的SEM图；
图2是实例2中在盖片胶表面沉积Pt后利用电子束辐照热构筑柔性二维褶皱结构的SEM图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种弹性基体材料表面柔性二维褶皱结构的构筑方法，按以下步骤进行：
一、基体材料的预清洁：将弹性基体材料进行超声洗涤，然后用高纯氮气吹干，得到清洁后的基体；
二、在清洁后的基体表面构建表面层：在清洁后的基体材料表面沉积一层表面层，或者将清洁后的基体材料用重离子、电子或质子进行辐照处理，使基体表面形成表面层；
三、将具有表面层的基体进行热处理：将具有表面层的基体材料加热，然后冷却至室温构筑出柔性二维褶皱结构，即完成。
本实施方式通过在弹性基体表面沉积表面层或通过重离子辐照、质子辐照、电子辐照使弹性基体表面形成表面层，然后利用加热炉加热到100℃至基体熔化点之间温度或电子束辐照热加热后冷却至室温(操作温度和使用温度始终远高于弹性基体玻璃转化点温度)，表面层和弹性基体材料间由于热应力失配从而构筑出柔性二维褶皱结构。可通过控制辐照能量、通量、注量、热处理温度、时间实现对褶皱波长和振幅的精确调控，辐照产生的表面层厚度从纳米级至毫米级可调，有效拓宽了表面层厚度的调节范围。通过沉积或辐照以及热处理的方法即可在弹性材料上构筑褶皱结构，该方法适用于大面积、低成本、可控地构筑柔性二维褶皱结构，解决了在弹性基体上构筑柔性二维褶皱结构方法复杂、表面层厚度可调节范围窄的问题。可应用于光学调控、传感器、探测器、微电子机械系统、微纳机器人、表面增强拉曼散射、荧光增强效应、超浸润、防雾除冰、表面防尘等领域。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：利用无水乙醇或去离子水进行超声洗涤或无水乙醇和去离子水交替进行超声洗涤。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：弹性基体材料为聚二甲基硅氧烷或盖片胶。其他与具体实施方式一或二相同。
本实施方式也可采用除了聚二甲基硅氧烷和盖片胶以外的其他弹性基体材料。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤三中加热的温度为100℃以上且小于弹性基体材料的熔点。其他与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中重离子为氩离子、氮离子、氧离子、硅离子、氦离子、铜离子或金离子，能量范围为eV～MeV，注量为1×1011cm-2～5×1015cm-2。其他与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中电子辐照的能量范围为eV～MeV，注量为1×1012cm-2～1×1016cm-2。其他与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤二中质子辐照的能量范围可为eV～MeV，注量可为1×1012cm-2～1×1016cm-2。其他与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤二中在清洁后的基体材料表面沉积Au、Pt、SiO2、石墨烯、Ag或Cu。其他与具体实施方式一至七之一相同。
本实施方式中也可在表面层沉积其他材料。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤三中加热采用干燥箱、马弗炉或电子束辐照热进行加热。其他与具体实施方式一至八之一相同。
本实施方式也可采用其他热处理炉进行加热。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤三中加热时间为1s～2h。其他与具体实施方式一至九之一相同。
通过以下实施例对本发明的效果进行验证：
实施例1：在盖片胶表面沉积Au层后在马弗炉中加热处理构筑柔性二维褶皱结构：
(1)将盖片胶在酒精、去离子水中超声清洗后用高纯氮气吹干。
(2)在清洁后的盖片胶表面沉积10nm厚的Au表面层。
(3)将沉积有表面层的盖片胶在300℃下热处理5min形成柔性二维褶皱结构。在盖片胶表面沉积Au层后在马弗炉中热处理构筑柔性二维褶皱结构的SEM图如图1所示，由图1可知，本实施例成功在盖片胶上构筑了柔性二维褶皱结构。
实施例2
在盖片胶表面沉积Pt后利用电子束辐照热构筑柔性二维褶皱结构：
(1)将盖片胶在酒精、去离子水中超声清洗后用高纯氮气吹干。
(2)在清洁后的盖片胶表面沉积20nm厚的Pt表面层。
(3)将沉积有表面层的盖片胶在扫描电镜下利用20keV电子束加热形成柔性二维褶皱结构。在盖片胶表面沉积Pt后利用电子束辐照热构筑柔性二维褶皱结构的SEM图如图2所示，由图2可知，本实施例成功在盖片胶上构筑了柔性二维褶皱结构。
实施例3
采用氩离子辐照PDMS后马弗炉热处理构筑柔性二维褶皱结构：
(1)将PDMS在酒精、去离子水中超声清洗后用高纯氮气吹干。
(2)将PDMS在能量为50keV，通量为1×1011cm-2·s-1，注量为5×1014cm-2的氩离子辐照条件下进行辐照处理形成表面层，表面层厚度为102nm。
(3)将辐照后的PDMS在350℃下热处理2min形成柔性二维褶皱结构。
实施例4
采用质子辐照PDMS后马弗炉热处理构筑柔性二维褶皱结构：
(1)将PDMS在酒精、去离子水中超声清洗后用高纯氮气吹干。
(2)将PDMS在能量为100keV，通量为1×1012cm-2·s-1，注量为1×1015cm-2的质子辐照条件下进行辐照处理产生表面层，表面层厚度为1.35μm。
(3)将辐照后的PDMS在400℃下热处理1min产生柔性二维褶皱结构。
实施例5
采用电子辐照PDMS后马弗炉热处理构筑柔性二维褶皱结构：
(1)将PDMS在酒精、去离子水中超声清洗后用高纯氮气吹干。
(2)将PDMS在能量为50keV，通量为5×1011cm-2·s-1，注量为2×1015cm-2的电子辐照条件下进行辐照处理产生表面层，表面层厚度为35μm。
(3)将辐照后的PDMS在250℃下热处理20min产生柔性二维褶皱结构。
由上述实施例可知，本发明通过沉积表面层或控制辐照能量、通量、注量、热处理温度、时间实现对褶皱波长和振幅的精确调控，辐照产生的表面层厚度从纳米级至毫米级可调，有效拓宽了表面层厚度的调节范围。

Claims (10)

1.一种弹性基体材料表面柔性二维褶皱结构的构筑方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：
一、基体材料的预清洁：将弹性基体材料进行超声洗涤，然后用高纯氮气吹干，得到清洁后的基体；
二、在清洁后的基体表面构建表面层：在清洁后的基体材料表面沉积一层表面层，或者将清洁后的基体材料用重离子、电子或质子进行辐照处理，使基体表面形成表面层；
三、将具有表面层的基体进行热处理：将具有表面层的基体材料加热，然后冷却至室温构筑出柔性二维褶皱结构，即完成。
2.根据权利要求1所述的一种弹性基体材料表面柔性二维褶皱结构的构筑方法，其特征在于利用无水乙醇或去离子水进行超声洗涤或无水乙醇和去离子水交替进行超声洗涤。
3.根据权利要求1所述的一种弹性基体材料表面柔性二维褶皱结构的构筑方法，其特征在于弹性基体材料为聚二甲基硅氧烷或盖片胶。
4.根据权利要求1或3所述的一种弹性基体材料表面柔性二维褶皱结构的构筑方法，其特征在于步骤三中加热的温度为100℃以上且小于弹性基体材料的熔点。
5.根据权利要求1所述的一种弹性基体材料表面柔性二维褶皱结构的构筑方法，其特征在于步骤二中重离子为氩离子、氮离子、氧离子、硅离子、氦离子、铜离子或金离子，能量范围为eV～MeV，注量为1×1011cm-2～5×1015cm-2。
6.根据权利要求1所述的一种弹性基体材料表面柔性二维褶皱结构的构筑方法，其特征在于步骤二中电子辐照的能量范围为eV～MeV，注量为1×1012cm-2～1×1016cm-2。
7.根据权利要求1所述的一种弹性基体材料表面柔性二维褶皱结构的构筑方法，其特征在于步骤二中质子辐照的能量范围可为eV～MeV，注量可为1×1012cm-2～1×1016cm-2。
8.根据权利要求1所述的一种弹性基体材料表面柔性二维褶皱结构的构筑方法，其特征在于步骤二中在清洁后的基体材料表面沉积Au、Pt、SiO2、石墨烯、Ag或Cu。
9.根据权利要求1所述的一种弹性基体材料表面柔性二维褶皱结构的构筑方法，其特征在于步骤三中加热采用干燥箱、马弗炉或电子束辐照热进行加热。
10.根据权利要求1所述的一种弹性基体材料表面柔性二维褶皱结构的构筑方法，其特征在于步骤三中加热时间为1s～2h。
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