CN112794277A - 一种大尺度超滑器件及其加工制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大尺度超滑器件及其加工方法，其包括至少两个超滑片，和设于所述超滑片顶部的连接层，所述连接层具有粘结区和加高区，所述粘结区位于相邻的两个超滑片之间，所述加高区位于所述超滑片的上方，所述粘结区的下表面高于所述超滑片的底面，能够将不同高度的超滑片转移到同一平整的基底上之后，通过粘结剂将若干个零散的超滑片连接成一个大尺寸的超滑器件，不仅能够应用于大尺寸需要超滑的器件中，且可以连接层还可以为柔性的衬底，能够形成为柔性超滑片。

Description

一种大尺度超滑器件及其加工制作方法

技术领域

本发明涉及结构超滑的技术领域，具体涉及一种大尺度超滑器件及其加工方法。

背景技术

长期以来,摩擦和磨损问题,不但与制造业密切相关,还与能源、环境和健康直接相关。据统计,全世界约三分之一的能源在摩擦过程中被消耗掉,约80％的机器零部件失效都是由磨损造成的。结构超滑是解决摩擦磨损问题的理想方案之一，结构超滑是指两个原子级光滑且非公度接触的范德华固体表面(如石墨烯、二硫化钼等二维材料表面)之间摩擦、磨损几乎为零的现象。

目前超滑片的制作方式是通过加工成目标大小的石墨岛后，通过施加一定外力使得石墨岛内部解离面分离后形成超滑界面，已经脱离本底的HOPG衬底的上层结构就形成可以独立操控可赋予功能化的超滑石墨岛元件。受制于目前高定向热解石墨晶粒大小的限制，石墨岛能够实现超滑的尺寸普遍在10um以内，若需要获得更大面积的超滑面，则需要将小尺寸的石墨岛拼接成所需要的大面积超滑面。

同一批加工的微结构高度一致的情况下，也会出现超滑石墨岛高度的一致性不好的问题，此时需要分别调平超滑石墨岛的高度，申请号为201910233562.3的专利申请中公开了一种大尺度、大滑移行程并且有良好一致性和可靠性的结构超滑器件及其制备方法，所述超滑结构包括基底和多个超滑片，所述多个超滑片连接在所述基底上，所述连接使得所述超滑片的超滑面距基底表面的高度可调节。所述制备方法包括将所述超滑片转移至带有弹性连接材料的所述基底上，通过所述弹性连接材料将所述多个超滑片连接到所述基底上，通过高度调整部件调节所需高度后固化所述弹性连接材料，或者在所述基底上设置通孔，在所述多个超滑片上分别设置连接部件，连接部件对齐所述通孔，通过高度调整部件调整所述高度后将超滑片固定在所述通孔中，或者通过基底的弹性或塑形变形来调节所述高度。

但是，采用上述专利申请中的结构超滑器件的制造方法，由于石墨岛的高度不同，但是上述加工方法需要将超滑片置于凹槽的内部，然后再进行加工，其加工方式较为复杂，耗费了较多的时间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大尺度超滑器件及其加工方法，以解决现有技术中石墨岛的高度不同，因此难以加工成型为大尺度的超滑器件的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种大尺度超滑器件，包括：

至少两个超滑片，所述超滑片的底面为原子级光滑面；以及

设于所述超滑片顶部的连接层，所述连接层具有粘结区和加高区，所述粘结区位于相邻的两个超滑片之间，所述加高区位于所述超滑片的上方，所述粘结区的下表面高于所述超滑片的底面。

进一步地，所述加高区的顶面与所有所述超滑片的下表面相平行。

进一步地，所有所述超滑片的底面在同一平面上。

进一步地，所有所述超滑片的高度不一致，和/或，所有所述超滑片的尺寸不一致。

进一步地，所述连接层为柔性材料。

进一步地，相邻的两个所述超滑片之间的间距为50nm至100um,优选区间为50nm至5um。

本发明还公开了一种加工如上所述的大尺度超滑器件的方法，包括如下步骤：

至少两个所述超滑片置于基底上，所述超滑片的底面具有原子级光滑面；

朝向所述超滑片的顶部涂覆粘结剂并固化成型为连接层，且所述粘结剂的下表面高于所述超滑片的底面。

进一步地，在涂覆所述粘结剂前还包括如下步骤：

朝向所述基底上沉积牺牲层，所述牺牲层沉积于相邻的两个所述超滑片之间。

进一步地，在所述粘结层固化成型后，去除所述牺牲层。

进一步地，所述牺牲层与所述超滑片和所述粘结剂之间具有正交特性。

进一步地，所述粘结剂采用流动性小于300的粘结剂，且所述粘结剂固化成型后为柔性。

本发明提供的一种大尺度超滑器件及其加工方法的有益效果在于：与现有技术相比，能够将不同高度的超滑片转移到同一平整的基底上之后，通过粘结剂将若干个零散的超滑片连接成一个大尺寸的超滑器件，不仅能够应用于大尺寸需要超滑的器件中，且可以连接层还可以为柔性的衬底，能够形成为柔性超滑片。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例2提供的加工方法成型的大尺度超滑器件的结构示意图一；

图2为本发明实施例2提供的加工方法成型的大尺度超滑器件的结构示意图二；

图3为本发明实施例2提供的大尺度超滑器件的加工方法的步骤示意图；

图4为本发明实施例3提供的加工方法成型的大尺度超滑器件的结构示意图一；

图5为本发明实施例3提供的加工方法成型的大尺度超滑器件的结构示意图二；

图6为本发明实施例3提供的大尺度超滑器件的加工方法的步骤示意图。

附图标记说明：

1、基底；2、超滑片；3、连接层；4、牺牲层；31、粘结区；32、加高区。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

由于长期未能实现大尺度的超滑，近十多年来文献上常常将摩擦系数为千分之一量级或更低的现象，称作为“超滑”；而将最初的由于非公度接触导致的摩擦磨损几乎为零的现象，改称为“结构润滑”，本发明所指“超滑”特指由于非公度接触导致的摩擦磨损几乎为零的现象。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

请一并参阅图1、图2、图4及图5，现对本发明提供的大尺度超滑器件进行说明。所述大尺度超滑器件，包括至少两个超滑片2和连接超滑片2的连接层3，且所述超滑片2的至少一个面为超滑面，且该超滑片2的超滑面置于光滑的基底1上，即具有该超滑面的一侧面为超滑片2的底面，且所有的超滑片2的下表面在同一平面上，使得成型的大尺度超滑器件的底面的高度一致且均为超滑面，即该大尺度超滑器件的底面为原子级光滑面。

连接层3设置在超滑片2的顶部，且该连接层3由粘结层固化成型后形成，所述连接层3具有粘结区31和加高区32，所述粘结区31位于相邻的两个超滑片2之间，所述加高区32位于所述超滑片2的上方，所述加高区32的顶面与所有所述超滑片2的下表面相平行，通过加高区32对超滑片2的高度进行调节，使得高度不同的超滑片2能够调平至高度一致，粘结区31能够将所有的超滑片2相连接，并组成大尺度的超滑界面。

对于该大尺度超滑器件，通过连接层3对所有高度一致或不一致的超滑片2进行调平，使得所有超滑片2的下表面的高度一致，且连接层3上表面的高度也一致，连接层3的上表面和超滑片2的下表面相平行，能够弥补超滑片2的高度难以加工成完全一致的问题。

且超滑片2的尺寸和形状也可以根据具体的需求进行调整，可以通过粘结区31将多个超滑片2相粘接，连接层3的兼容性较高，能够适用于多种不同的超滑片2，并成型为大尺寸的超滑器件，提高了超滑片2的利用率，且生产和加工方式简单。

优选的，所述粘结区31的下表面高于所述超滑片2的底面，能够避免粘结区31的下表面凸出于超滑片2，从而影响整个超滑器件底面的平整性。对于使得粘结区31的下表面不高于超滑片2底面的方法有两种：

1、在基底1上预设牺牲层4，牺牲层4的厚度能够决定最终超滑面高出粘结剂表面的高度，通过设置牺牲层4能够阻止粘结区31的粘结剂向下流动，且在粘结剂固化后将牺牲层4去除即可，使得粘结剂固化后不会落至超滑片2的下表面，且加工方式简单。

采用此种方式不需要对超滑片2的间距进行控制，也不需要选用特定的粘结剂，其使用面积更广。根据粘结剂的选取，例如聚二甲基硅氧烷，紫外固化胶，热固化胶，光刻胶，光敏胶等，其成型后可以成型为硬质的连接层3，此时既可以成型为大尺度的平面超滑器件，也可以成型为特定形状的超滑器件；粘结剂还可以选用如聚二甲基硅氧烷，紫外固化胶，热固化胶，光刻胶等，其成型后可以为柔性的连接层3，此时相邻的超滑片2之间柔性连接，既可以成型为大尺度的柔性超滑器件。

2、通过控制相邻的两个超滑片2之间的间距、超滑片2的高度以及粘结剂的流动性，使得粘结剂涂覆在超滑片2上，且粘结剂不会向下流动并超出超滑片2的下表面。

优选的，粘结剂一般可以选择粘度在10cps与30000cps之间的紫外固化胶、热固胶、光刻胶、浆料或者PDMS等材质，且相邻的超滑片2之间的间距一般为0-5um，且为了给粘结剂预留一定的流动空间，超滑片2的高度一般不低于间距的2/3。

实施例2

请参阅图1至图3，本发明还提供了一种加工如上所述的大尺度超滑器件的方法，其包括如下步骤：

S1，提供基底1，基底1的表面通过微加工制备成型为原子级平整的表面或者直接采用具有原子级平整表面的基底1；

S2，将多个超滑片2依次转移至基底1上，并依次间隔排布，相邻的两个超滑片2之间的间距为50nm至5微米，且超滑片2的至少一面具有原子级平整，超滑片2的厚度为600-1000nm，超滑片2具有原子级平整的一侧面贴合设于基底1上，此时能够保证所有的超滑片2的下表面的高度平齐，且所有超滑片2的下表面的组合能够形成超滑界面；

S3，在所述超滑片2的顶面涂覆粘结剂，粘结剂的粘度一般为超滑片2的厚度为600-1000nm，超滑片2的厚度为600-1000nm，且控制所述粘结剂在位于超滑片2的两侧不会塌陷，并导致非超滑状态的出现，即为粘结剂的下表面高于超滑片2的底面，且不与基底1相接触；

S4，将所述粘结剂固化，并成型为连接层3，连接层3与超滑片2固定连接。将连接层3和超滑片2与基底1分离后既可以成型为一大尺度超滑器件。

本实施例提供的大尺度超滑器件的加工方法，通过对超滑片2的间距和粘结剂的选择，使得连接层3既可以实现超滑片2的连接，又可以避免连接层3的设置影响超滑状态，且加工工艺简单快捷。

由于超滑片2的间距一般设置的较小，且粘结剂的流动性较小，因此整个超滑器件的支撑强度较大，但是柔性效果较差。

实施例3

请参阅图4至图6，本发明还提供了另一种加工如上所述的大尺度超滑器件的方法，其包括如下步骤：

S1，提供基底1，基底1的表面通过微加工制备成型为原子级平整的表面或者直接采用具有原子级平整表面的基底1；

S2，将多个超滑片2依次转移至基底1上，并依次间隔排布，相邻的两个超滑片2之间的间距可以大于5μm，且超滑片2的至少一面具有原子级平整，超滑片2具有原子级平整的一侧面贴合设于基底1上，此时能够保证所有的超滑片2的下表面的高度平齐，且所有超滑片2的下表面的组合能够形成超滑界面；

S3，在所述基底1上沉积一层牺牲层4，并将位于超滑片2顶部的牺牲层4去除，仅保留位于相邻的超滑片2之间的牺牲层4，该牺牲层4的厚度决定最终成型的连接层3与基底1之间的间距。其中，牺牲层4一般选择与粘结剂之间具有正交特性的材料，即牺牲层4与粘结层之间具有至少一项鲜明的不同特性的材料，且牺牲层4和粘结层的特征差异巨大，例如光刻胶与氧化硅，以及光刻胶和硅片等。

优选的，牺牲层4可以选择为硅、氧化硅或光刻胶，在连接层3固化成型后，既可以采用气体刻蚀法将牺牲层4刻蚀，或者采用湿法刻蚀的方式将牺牲层4刻蚀，此处不作唯一具体限定。

S4，在所述超滑片2的顶面涂覆粘结剂，粘结剂的流动被牺牲层4阻挡，使得粘结剂不会流动至超滑片2的下表面，此时粘结剂的可选范围较大，仅需要控制所述粘结剂不会穿过牺牲层4既可以，此时粘结剂的下表面不会高于超滑片2的底面，且不与基底1相接触；

S5，将所述粘结剂固化，并成型为连接层3，此时连接层3、超滑片2和牺牲层4固定连接。

S6，将牺牲层4去除，且不影响到超滑片2的表面平整性，其采用的加工工艺可以为干法刻蚀、湿法刻蚀或者其他加工方式针对牺牲层4的特性，将牺牲层4去除。

S6，将连接层3和超滑片2与基底1分离后既可以成型为一大尺度超滑器件。

此时，不需要选择特定的粘结剂，且超滑片2之间的间距可以为较大的，容易加工成型为柔性的超滑器件，且超滑片2之间间距较大，能够节省超滑片2的利用率，但是其加工方式稍微复杂。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种大尺度超滑器件，其特征在于，包括：

至少两个超滑片，所述超滑片的底面为原子级光滑面；以及

设于所述超滑片顶部的连接层，所述连接层具有粘结区和加高区，所述粘结区位于相邻的两个超滑片之间，所述加高区位于所述超滑片的上方，所述粘结区的下表面高于所述超滑片的底面。

2.如权利要求1所述的一种大尺度超滑器件，其特征在于：所述加高区的顶面与所有所述超滑片的下表面相平行。

3.如权利要求1所述的一种大尺度超滑器件，其特征在于：所有所述超滑片的底面在同一平面上。

4.如权利要求1所述的一种大尺度超滑器件，其特征在于：所有所述超滑片的高度不一致，和/或，所有所述超滑片的尺寸不一致。

5.如权利要求1所述的一种大尺度超滑器件，其特征在于：所述连接层为柔性材料。

6.如权利要求1所述的一种大尺度超滑器件，其特征在于：相邻的两个所述超滑片之间的间距为50nm至100um,优选区间为50nm至5um。

7.一种加工如权利要求1至6任一项所述的大尺度超滑器件的方法，其特征在于：包括如下步骤：

至少两个所述超滑片置于基底上，所述超滑片的底面具有原子级光滑面；

朝向所述超滑片的顶部涂覆粘结剂并固化成型为连接层，且所述粘结剂的下表面高于所述超滑片的底面。

8.如权利要求7所述的一种大尺度超滑器件的加工方法，其特征在于：在涂覆所述粘结剂前还包括如下步骤：

朝向所述基底上沉积牺牲层，所述牺牲层沉积于相邻的两个所述超滑片之间。

9.如权利要求8所述的一种大尺度超滑器件的加工方法，其特征在于：在所述粘结层固化成型后，去除所述牺牲层。

10.如权利要求9所述的一种大尺度超滑器件的加工方法，其特征在于：所述牺牲层与所述超滑片和所述粘结剂之间具有正交特性。

Images