CN110857748A - 界面材料层及界面材料层的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明一方面提供了一种界面材料层(10)，包括基层(12)和与基层(12)连接的多个锥体结构(14)，其中，锥体结构(14)的顶部(16)具有圆角(18)且底部(20)与基层(12)形成倒角(22)。本发明还提供了一种界面材料层(10)的制作方法。本发明的目的在于至少实现提升界面材料的抗冲击与抗拉伸的性能。

Description

界面材料层及界面材料层的制作方法

技术领域

本发明涉及材料界面设计领域，更具体而言，涉及一种界面材料层以及一种界面材料层的制作方法。

背景技术

界面材料具有防水、疏水、柔度高、硬度大、化学性质稳定等不同的优异性能，现已被广泛应用于各个领域，包括生物、航天、化学、航海等领域，例如在柔性电子器件、薄膜电池、生物医学工程和防护界面的应用等。在自然环境中，由于这些界面材料工作环境复杂多样，比如会受到雨水冲刷、冰雹冲击以及空气中小颗粒物质的不断冲击摩擦等，经常会受到冲击载荷与拉伸载荷的作用。

然而，现在的界面材料在抗冲击与抗拉伸方面的力学性能较差。许多界面材料表面的纳米结构在受冲击过程中会因为应力或应变过大而导致脱落失效，甚至有的界面材料会因为侧向拉伸导致的应变过大而发生破坏失效。造成了大部分界面材料使用寿命短、价值高的现状。

例如现在制备的超疏水界面材料，经常面临着表面纳米结构脱落的问题。导致这个问题发生的原因是外界物体冲击超疏水材料表面，结构表面的纳米结构产生应力集中现象。同样的，其它的界面材料也面临着这样的问题。因此，存在对提升界面材料的抗冲击与抗拉伸性能的需求。

发明内容

针对相关技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种界面材料层和界面材料层的制作方法，以至少实现提升界面材料的抗冲击与抗拉伸的性能。

为实现上述目的，本发明一方面提供了一种界面材料层，包括：基层和与基层连接的多个锥体结构，其中，锥体结构的顶部具有圆角且底部与基层形成倒角。

根据本发明的一个实施例，锥体结构具有垂直于基层的表面的中轴线，其中，锥体结构的垂直于中轴线的横截面沿从底部到顶部的方向逐渐减小。

根据本发明的一个实施例，所有锥体结构的高度相等，并且相邻锥体结构之间的间距相等以形成点状阵列。

根据本发明的一个实施例，基层与锥体结构材料相同且一体成型。

根据本发明的一个实施例，基层与锥体结构材料不同，并且锥体结构形成在基层上。

根据本发明的另一方面，提供了一种界面材料层的制作方法，包括：形成表面上具有多个锥体结构的基层，其中，锥体结构的顶部具有圆角且底部与基层形成倒角。

根据本发明的一个实施例，进一步包括：使用具有与多个锥体结构形状相同的针尖的点阵机对模具进行冲压，以在模具中形成多个锥体结构的模腔；以及将待成型材料加入模具中并进行固化，以形成基层。

根据本发明的一个实施例，进一步包括：在基层的表面喷涂与基层材料相同的液滴并进行降温固化，以形成多个锥体结构。

根据本发明的一个实施例，进一步包括：在基层的表面分散与基层材料相同的颗粒并进行加热融化；固化与基层的表面融合的熔融颗粒，以形成多个锥体结构。

根据本发明的一个实施例，锥体结构具有垂直于基层的表面的中轴线，并且形成基层进一步包括：使得锥体结构的垂直于中轴线的横截面沿从底部到顶部的方向逐渐减小。

本发明的有益技术效果在于：

在本发明的界面材料层及界面材料层的制作方法中，在界面材料表面设置多个锥体结构。材料受拉伸时，锥体结构的倒角可以有效吸收外部的能量；材料受冲击时，锥体结构通过发生弯曲变形减小冲击物体的机械能。避免了界面上应力集中现象的产生，提升了界面材料的抗冲击和抗拉伸性能，延长了界面材料的使用寿命。

此外，本发明提供的界面材料层的制作方法所要求的制备条件较低，制备周期短且可重复性高，从而可以实现大规模生产。

附图说明

图1是本发明一个实施例的示意性截面图；

图2是本发明一个实施例的扫描电镜图；

图3是图2所示实施例中单个锥体结构的扫描电镜图；

图4是本发明一个实施例的实验数据对比图；

图5A是本发明一个实施例的扫描电镜图；

图5B是图5A所示实施例的局部放大扫描电镜图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明进一步阐述。图1和图2示出了本发明一个实施例的一种界面材料层10，其包括基层12和与基层12连接的多个锥体结构14。其中，锥体结构14的顶部16具有圆角18且底部20与基层12形成倒角22。换句话说，锥体结构14与基层12光滑过渡连接。

在本发明的实施例中，具体参照图3，锥体结构14具有垂直于基层12表面的中轴线L。即，锥体结构14关于其顶点到基层12表面的垂线L成轴对称分布。锥体结构14为变截面结构，其垂直于中轴线L的横截面沿从底部20到顶部16的方向逐渐减小。从而，当从平行于中轴线L的方向观察本界面材料层10时，也就是从界面的俯视方向观察，可以看到在基层12表面上具有多个锥体结构14的投影。其中优选地，锥体结构14在基层12的表面上的投影为圆形或椭圆形。

在本发明的一个优选实施例中，所有锥体结构14的高度相等。相邻的锥体结构14之间的间距相等，这样就形成了一个点状阵列。可以理解的是，根据不同的生产需要，锥体结构14可以设置不同的高度，相邻的锥体结构14之间的间距也可以不同，本发明不局限于此。可以具体通过实验或模拟调整锥体结构14的高度、相邻锥体结构14之间的间距和锥体结构14横截面的尺寸。

继续参见图2和图3所示的实施例，优选地，基层12与锥体结构14可以材料相同且一体成型。即，基层12与锥体结构14之间没有分界。根据另一个实施例，基层12和锥体结构14可以材料不同，并且锥体结构14形成在基层12上。

将具有本发明上述实施例中的界面材料层10的新结构薄膜与传统空白薄膜通过实验进行对比：

其中，二者对比时初始条件一致，二者的组成材料相同且二者的长和宽都设置为30mm*10mm。分别进行了拉伸对象不同的三组拉伸实验，其中拉伸对象分别是：厚度为1mm的传统空白薄膜、厚度为2mm的传统空白薄膜和厚度为1mm的新结构薄膜。具体地，三组实验的数据对比图100如图4所示。

实验一：对厚度为1mm的传统空白薄膜进行拉伸，在拉伸面积比例在140％时，薄膜发生断裂。也就是说当1mm厚的传统空白薄膜面积扩展到初始面积的140％时，薄膜产生断裂现象。在发生断裂时，拉伸强度约为8.3N。

实验二：对厚度为2mm的传统空白薄膜进行拉伸，在拉伸面积比例在183％时，薄膜发生断裂。也就是说当2mm厚的传统空白薄膜面积扩展到初始面积的183％时，薄膜产生断裂现象。在发生断裂时，拉伸强度高于实验一的拉伸强度。

实验三：对厚度为1mm的新结构薄膜进行拉伸，在拉伸面积比例在183％时，薄膜发生断裂。也就是说当1mm厚的新结构薄膜表面积扩展到初始面积的183％时，薄膜产生断裂现象。在发生断裂时，拉伸强度超过了实验二的拉伸强度。

由实验可体现，本发明的界面材料层10优化了薄膜的抗拉伸性能。

此外，还进行了本发明的界面材料层10对界面材料抗冲击性能影响的测试。设置了三组组成材料相同的薄膜在钢球撞击下的实验。其中一组是直接在薄膜上制备一层纳米结构层，在钢球撞击下，纳米结构层分裂脱落。第二组是在薄膜上制备一层柔性方柱结构，再在方柱上制备一层纳米结构层，在钢球撞击下，纳米结构层底部脱落严重。第三组是在薄膜上制备了本发明提供的界面材料层10，再在界面材料层10上制备一层纳米结构层，在钢球撞击下，纳米结构层没有被破坏。本发明的界面材料层10优化了薄膜的抗冲击性能。

在本发明的一个具体实施例中，具体参照图5A和图5B，在纤维材料的表面设置了界面材料层10。在实际应用中，表面设置有本发明的界面材料10的纤维相较空白表面纤维，其抗拉伸和防断裂能力都有明显地提高。因此，本发明的界面材料层也可以优化纤维材料或线条状结构(材料)的抗拉伸、抗压弯和抗扭转的力学性能。

本发明的界面材料层10适用于金属材料和非金属材料。在本发明一个优选实施例中，可以在管道结构中设置本发明的界面材料层10。例如，在管道内壁和外壁制备此界面材料层10，可以提高管道的抗压能力。管道内壁的界面材料层10的倒角22可以部分吸收管道内的流体对管壁冲击的机械能，从而加强管道的抗冲刷和耐腐蚀能力。

在实际生产应用中，本发明的界面材料层10可以设置在多种材料、结构或其组合物体的表面。以上所述只是本发明的优选实施例，并不对本发明造成限制。

具体地，在一个实例中，使用了力学软件对本发明的一个实施例中的锥体结构14做了仿真建模。在所做模型上加载压弯载荷，并观察实验结果。通过模拟实验得出的结果发现，锥体结构14在受到复杂荷载作用时不会在底部20处产生应力集中现象，且底部20不会发生较大的变形。

本发明还提供了一种界面材料层10的制作方法，包括形成表面上具有多个锥体结构14的基层12。具体地，锥体结构14的顶部16具有圆角18且底部20与基层12形成倒角22。

在本发明的一个实施例中，进一步包括使用点阵机对模具进行冲压。点阵机具有与多个锥体结构14形状相同的针尖，从而可以在模具中形成多个锥体结构14的模腔。将待成型材料加入模具中并进行固化，固化后得到表面上具有多个锥体结构14的基层12。

在本发明的一个优选实施例中，模具具体为高分子板。使用双面胶将高分子板粘贴至点阵机的点阵台上，点阵机设置有形状为圆形的针尖。在点阵机中设置需要生产的冲压深度，设定点阵机点阵的间距开始点阵。待点阵完成之后关闭点阵机，取下高分子板备用。

随后制备具有本发明的界面材料层10的薄膜：取下具有点状阵列的高分子板放置于承装的盒子当中，配置硅橡胶和固化剂以质量比为50:1至2:1的溶液，并将硅胶溶液浇筑到高分子板当中。使用真空抽气去除硅胶溶液中的气泡，将具有硅胶溶液的高分子板置于鼓风烘箱当中加热固化0.5-24小时，加热温度为30-100℃。固化完成就得到了具有多个锥体结构14的硅胶薄膜。

在本发明其他实施例中，模具可以是模板，待成型材料包括非金属溶液和金属熔液。将待成型材料浇筑到模板中，进行固化前去除待成型材料中的气泡。其中，非金属包括高分子材料和纤维等材料，模具也包括铸型等多种形式。

此外，待成型材料还可以包括固体材料，模具包括锻模。使用锻模对所述固体待成型材料进行锻压，得到具有多个锥体结构14的基层12。需要理解的是，待成型材料和模具有多种选择，根据实际生产需要的不同可以有多种组合方式。以上只是本发明的优选实施例，并不对本发明造成限制。

在本发明的其他实施例中，可以在基层12的表面喷涂与基层12材料相同的液滴并进行降温固化，从而在基层12上形成多个锥体结构14。例如，可以将熔化的同种金属小液滴，喷涂在金属材料表面，随后进行降温固化。在金属材料的表面就形成了多个具有倒角的锥体结构14，有效地提高了金属材料的力学性能。

在本发明另一个实施例中，可以在基层12的表面分散与基层12材料相同的颗粒并进行加热融化。随后固化与基层12的表面融合的熔融颗粒，以形成多个锥体结构14。例如在金属材料表面，分散毫米-微米级别的金属小颗粒，高温融化之后进行降温固化，就可以在金属表面形成多个锥体结构14。当然可以理解的是，在无机非金属材料表面，包括但不限于高分子材料和纤维，也可以通过类似方法，提高材料的力学性能。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种界面材料层(10)，其特征在于，包括：基层(12)和与所述基层(12)连接的多个锥体结构(14)，其中，所述锥体结构(14)的顶部(16)具有圆角(18)且底部(20)与所述基层(12)形成倒角(22)。

2.根据权利要求1所述的界面材料层(10)，其特征在于，所述锥体结构(14)具有垂直于所述基层(12)的表面的中轴线(L)，其中，所述锥体结构(14)的垂直于所述中轴线(L)的横截面沿从所述底部(20)到所述顶部(16)的方向逐渐减小。

3.根据权利要求1所述的界面材料层(10)，其特征在于，所有所述锥体结构(14)的高度相等，并且相邻所述锥体结构(14)之间的间距相等以形成点状阵列。

4.根据权利要求1所述的界面材料层(10)，其特征在于，所述基层(12)与所述锥体结构(14)材料相同且一体成型。

5.根据权利要求1所述的界面材料层(10)，其特征在于，所述基层(12)与所述锥体结构(14)材料不同，并且所述锥体结构(14)形成在所述基层(12)上。

6.一种界面材料层(10)的制作方法，其特征在于，包括：形成表面上具有多个锥体结构(14)的基层(12)，其中，所述锥体结构(14)的顶部(16)具有圆角(18)且底部(20)与所述基层(12)形成倒角(22)。

7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，进一步包括：

使用具有与所述多个锥体结构(14)形状相同的针尖的点阵机对模具进行冲压，以在所述模具中形成所述多个锥体结构(14)的模腔；以及

将待成型材料加入所述模具中并进行固化，以形成所述基层(12)。

8.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，进一步包括：

在所述基层(12)的表面喷涂与所述基层(12)材料相同的液滴并进行降温固化，以形成所述多个锥体结构(14)。

9.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，进一步包括：

在所述基层(12)的表面分散与所述基层(12)材料相同的颗粒并进行加热融化；

固化与所述基层(12)的表面融合的熔融颗粒，以形成所述多个锥体结构(14)。

10.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述锥体结构(14)具有垂直于所述基层(12)的表面的中轴线(L)，并且形成所述基层(12)进一步包括：使得所述锥体结构(14)的垂直于所述中轴线(L)的横截面沿从所述底部(20)到所述顶部(16)的方向逐渐减小。

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