CN114740554A - 一种pdms材料人工复眼的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及人工复眼的制备技术，具体涉及一种PDMS材料人工复眼的制备方法。本发明采用“PDMS‑硅油溶胀法”制备PDMS材料人工复眼，包括以下步骤：1)样品清洗；2)通过飞秒激光改性，在曲面玻璃基板的表面形成烧蚀弹坑；3)曲面湿法刻蚀工艺，通过超声水浴化学腐蚀，形成曲面玻璃复眼模板；4)通过倒模制备PDMS材料的人工复眼结构；5)通过“PDMS‑硅油溶胀法”制备PDMS材料人工复眼。本发明解决了现有技术制备的人工复眼表面结构耐用性能差、容易失去疏水能力以及防雾能力不足的问题，通过该方法制备出来的人工复眼既能满足透明度要求，同时兼备防水、抗雾能力以及良好的耐用性能。

Description

一种PDMS材料人工复眼的制备方法

技术领域

本发明涉及人工复眼的制备技术，具体涉及一种PDMS材料人工复眼的制备方法。

背景技术

复眼存在于自然界的许多昆虫中，复眼由数千个小眼组成，每个小眼都是一个单独的成像单元，这赋予了复眼一种不同于单眼的独特的成像性能。复眼具有高分辨率成像、宽视场、以及对运动物体敏感性高等特点，这在机器人视觉、医学内窥镜、以及运动监测领域具有广泛的应用前景。目前，在仿生制备复眼结构和功能方面，开发出了许多加工方法，如飞秒激光湿法刻蚀、热回流法、基于光刻的方法等等。基于上述方法已经制备出了具有一定防水性能的人工复眼，在防雾复眼方面所涉及的内容却极少。但是防雾和疏水性在复眼成像中同样至关重要，因此如何制备同时兼具防污与抗雾性能的人工复眼是一个重大的挑战。

在实际应用中，如何同时保证复眼的高透明性和防污能力是一个亟待解决的问题。然而，在之前的研究中发现，透明性和疏水性是相互矛盾的。这是因为构建一个超疏水表面需要在表面获得粗糙结构，这种结构会增加光散射，降低光透过率，影响透明度。虽然现在有制备出透明的超疏水表面，但是其耐用性较差，容易失去疏水能力；并且由于其工艺的局限性，防雾能力更是难以实现。接下来，构建一个既能满足透明度，又能同时兼备防水和抗雾能力的表面并应用于复眼是一个重要研究方向。

发明内容

本发明提出了一种PDMS材料人工复眼的制备方法，目的在于解决现有技术制备的人工复眼表面结构耐用性能差、容易失去疏水能力以及防雾能力不足的问题，通过该方法制备出来的PDMS材料人工复眼具有更大的视场角，填充比更高，既能满足透明度要求，又能同时兼备防水、抗雾能力以及良好的耐用性能。

本发明受猪笼草结构的启发，在超滑表面相关领域进行了大量研究，超滑表面由于交联孔洞结构和润滑液层的存在，在不牺牲透明性的同时，具备良好的疏水能力、防雾能力以及良好的耐用性能，将超滑表面与复眼结合，有利于同时保证防雾性能和透明性。

本发明所采用的技术方案为：

一种PDMS材料人工复眼的制备方法，包括以下步骤：

ⅰ)样品清洗：清洗曲面玻璃基板，烘干备用；

ⅱ)飞秒激光改性：将飞秒激光束通过光学聚焦物镜聚焦到步骤ⅰ)中烘干后的曲面玻璃基板表面，将曲面玻璃基板固定在三维平移台上，通过移动三维平移台对曲面玻璃基板进行激光改性，在曲面玻璃基板的表面形成多个烧蚀弹坑；

ⅲ)湿法刻蚀工艺：将步骤ⅱ)激光改性后具有烧蚀弹坑的曲面玻璃基板放置于氢氟酸溶液中，进行超声水浴化学腐蚀，使得曲面玻璃基板表面的多个烧蚀弹坑形成多个表面光滑的微凹透镜，进而得到曲面玻璃复眼模板，清洗曲面玻璃复眼模板，烘干备用；

ⅳ)倒模：将PDMS预聚物与固化剂按照10:1的比例混合后抽干内部的气泡，接着将其浸入在步骤ⅲ)中制备好的曲面玻璃复眼模板中静置，然后放入高温炉中加热固化，再取出进行脱模，得到PDMS材料人工复眼结构；

ⅴ)PDMS-硅油溶胀法：将步骤ⅳ)中制备好的PDMS材料人工复眼浸入硅油中封存，由于所采用的硅油是与PDMS相容的溶剂，因此其分子可以浸入交联的PDMS网络中，形成注入润滑剂的光滑表面，同时PDMS材料人工复眼结构发生溶胀，体积变大并且内部的交联网络中充满了硅油，发生溶胀以后取出得到PDMS材料人工复眼。

进一步地，步骤ⅱ)中所使用的飞秒激光束的加工功率为5-10mW，聚焦物镜为50倍物镜；

所述三维平移台的移动通过电脑程序控制实现，并且通过电脑程序控制辐照点的间距以及排列方式，采用逐点扫描的方式，在曲面玻璃基板的表面形成排列有序的多个烧蚀弹坑，相邻两个烧蚀弹坑中心之间的距离为80-100um，多个烧蚀弹坑为矩形、六角形或者三角形排列。

进一步地，步骤ⅲ)中使用氢氟酸溶液的浓度为8％-10％，超声水浴化学腐蚀温度为20-30℃；

进行超声水浴化学腐蚀70-90min后取出曲面玻璃基板，依次使用酒精、去离子水超声水浴清洗5min，然后放置在真空干燥箱中烘干备用。

步骤ⅳ)中所述静置时间为10-20min；

所述高温炉中加热温度为80-100℃，固化时间为2-3h；

冷却脱模之后，获得表面形成微凸透镜阵列结构的PDMS材料人工复眼结构。

步骤ⅴ)所述硅油粘度为9-11MPA·S；

所述PDMS材料人工复眼侵入硅油中封存时间为24-48h。

进一步地，所述曲面玻璃基板材质为曲面K9玻璃。

进一步地，步骤ⅰ)中，将曲面K9玻璃基板依次使用丙酮、酒精、去离子水超声水浴清洗5min，清除曲面K9玻璃基板表面杂质，然后烘干备用；

步骤ⅱ)中，将能量为8mw、中心波长为800nm、脉宽为50fs、重复频率为1KHz的飞秒激光束通过50倍光学聚焦镜头聚焦到步骤ⅰ)烘干后的曲面K9玻璃基板表面，将曲面K9玻璃基板固定在三维平移台上，通过电脑程序控制三维平移台的移动，飞秒激光在每个辐照点的作用时间为500ms，采用逐点扫描的方式对曲面K9玻璃基板进行激光改性，在曲面K9玻璃基板的表面形成呈六角阵列排布的多个烧蚀弹坑，相邻两个烧蚀弹坑中心之间的距离为90um；

步骤ⅱ)激光改性后具有多个烧蚀弹坑的曲面K9玻璃基板置于浓度为8％的氢氟酸溶液中，在20℃温度下进行超声水浴化学腐蚀，超声水浴化学腐蚀90min后取出曲面K9玻璃基板，曲面K9玻璃基板表面的所有微凹透镜呈六角阵列排布，得到曲面K9玻璃复眼模板，然后依次使用酒精、去离子水超声水浴清洗5min，然后放置在真空干燥箱中烘干备用；

步骤ⅳ)中，将PDMS预聚物与固化剂按照10:1的比例混合，抽干内部的气泡后，将其缓慢浸入步骤ⅲ)制备好的曲面K9玻璃复眼模板，待静置10min后放入高温炉中加热到80℃固化3h，然后取出进行脱模，得到PDMS材料人工复眼结构；

步骤ⅴ)中，将步骤ⅳ)中制备好的PDMS材料人工复眼结构浸入粘度为10MPA·S的硅油中封存，在硅油中封存24h后取出，得到PDMS材料人工复眼。

同现有技术相比，本发明的优点在于：

1.本发明提出的PDMS材料人工复眼的制备方法，制备的PDMS材料人工复眼相比于平面抗污复眼具有更大的视场角，填充比更高，在性能方面具有疏水性、防雾性以及自清洁性能；

2.本发明提出的PDMS材料人工复眼的制备方法相比于其他的曲面抗污复眼，其表面没有任何额外的结构，因此不需要经过额外的加工步骤，工艺简单，生产效率高，且透光和成像性能不会受到影响，具有更好的成像性能；

3.本发明提出的PDMS材料人工复眼的制备方法，制备的PDMS材料人工复眼作为一个整体结构，润滑油存在于复眼的内部以及表面，润滑油可以得到持续的补充，耐久性比较强，也不会像表面的微结构一样一经磨损就失去性能且无法恢复；

4.本发明提出的PDMS材料人工复眼的制备方法，制备的PDMS材料人工复眼结构在硅油中封存，此时PDMS材料人工复眼结构发生溶胀，体积变大并且内部的交联网络中充满了硅油，由于硅油分子和PDMS分子结构相似，所以硅油可以牢牢的锁定在PDMS交联网络中而不配其他溶液所代替，保证了较好的耐久性能。

附图说明

图1为实施例中未加工曲面K9玻璃基板的主视图；

图2为实施例中未加工曲面K9玻璃基板的俯视图；

图3为实施例中曲面K9玻璃基板经过飞秒激光改性后的主视图；

图4为实施例中曲面K9玻璃基板经过飞秒激光改性后的俯视图；

图5为实施例中经过曲面湿法刻蚀之后得到的曲面K9玻璃复眼模板主视图；

图6为实施例中经过曲面湿法刻蚀之后得到的曲面K9玻璃复眼模板俯视图；

图7为实施例中经过固化后的PDMS材料人工复眼结构与曲面K9玻璃复眼模板脱模时的结构示意图；

图8为实施例中脱模后的PDMS材料人工复眼结构侧视图；

图中附图标记如下：

1-曲面玻璃基板，2-烧蚀弹坑，3-微凹透镜，4-微凸透镜，5-PDMS材料人工复眼结构。

具体实施方式

本发明提出一种PDMS材料人工复眼的制备方法，下面将结合附图和具体实施例对本发明做详细阐述：

实施例1

一种PDMS材料人工复眼的制备方法，包括以下主要步骤：

1)样品清洗：将如图1、图2所示的曲面K9玻璃基板依次使用丙酮、酒精、去离子水超声水浴清洗5min，清除曲面K9玻璃基板表面杂质，然后烘干备用；

2)飞秒激光改性：使用中心波长为800nm、脉宽为50fs、重复频率1KHz、能量为5mW的飞秒激光束通过50倍光学聚焦镜头聚焦到曲面K9玻璃基板表面，将曲面K9玻璃基板固定在三维平移台上，通过电脑程序控制三维平移台的移动，飞秒激光在每个辐照点的作用时间为500ms，采用逐点扫描的方式，在曲面K9玻璃基板表面形成排列有序的多个烧蚀弹坑2，相邻两个烧蚀弹坑2中心之间的距离为80um，设置烧蚀弹坑2呈六角阵列排布，如图3、图4所示；

3)曲面湿法刻蚀工艺：将步骤2)激光改性后具有多个烧蚀弹坑2的曲面K9玻璃基板置于浓度为8％的氢氟酸溶液中，在20℃温度下进行超声水浴化学腐蚀，超声水浴化学腐蚀90min后取出曲面K9玻璃基板，曲面K9玻璃基板表面的所有微凹透镜3呈六角阵列排布，如图5、图6所示，得到曲面K9玻璃复眼模板，然后依次使用酒精、去离子水超声水浴清洗5min，然后放置在真空干燥箱中烘干备用；

4)倒模：将PDMS预聚物与固化剂按照10:1的比例混合，抽干内部的气泡后，将其缓慢浸入步骤3)制备好的曲面K9玻璃复眼模板，待静置10min后放入高温炉中加热到80℃固化3h，然后取出进行脱模，如图7所示，得到PDMS材料人工复眼结构5，如图8所示；

5)PDMS-硅油溶胀法：将步骤4)中制备好的PDMS材料人工复眼结构5浸入粘度为10MPA·S的硅油中封存，在硅油中封存24h后取出，得到PDMS材料人工复眼。

实施例2

一种PDMS材料人工复眼的制备方法，包括以下主要步骤：

1)样品清洗：将曲面K9玻璃基板依次使用丙酮、酒精、去离子水超声水浴清洗5min，清除曲面K9玻璃基板表面杂质，然后烘干备用；

2)飞秒激光改性：使用中心波长为800nm、脉宽为50fs、重复频率1KHz、能量为10mW的飞秒激光束通过50倍光学聚焦镜头聚焦到曲面K9玻璃基板表面，将曲面K9玻璃基板固定在三维平移台上，通过电脑程序控制三维平移台的移动，飞秒激光在每个辐照点的作用时间为500ms，采用逐点扫描的方式，在曲面K9玻璃基板表面形成排列有序的多个烧蚀弹坑2，相邻两个烧蚀弹坑2中心之间的距离为100um，设置烧蚀弹坑2呈六角阵列排布；

3)曲面湿法刻蚀工艺：将步骤2)激光改性后具有多个烧蚀弹坑2的曲面K9玻璃基板置于浓度为8％的氢氟酸溶液中，在30℃温度下进行超声水浴化学腐蚀，超声水浴化学腐蚀70min后取出曲面K9玻璃基板，曲面K9玻璃基板表面的所有微凹透镜3呈六角阵列排布，得到曲面K9玻璃复眼模板，然后依次使用酒精、去离子水超声水浴清洗5min，然后放置在真空干燥箱中烘干备用；

4)倒模：将PDMS预聚物与固化剂按照10:1的比例混合，抽干内部的气泡后，将其缓慢浸入步骤3)制备好的曲面K9玻璃复眼模板，待静置20min后放入高温炉中加热到100℃固化2h，然后取出进行脱模，得到PDMS材料人工复眼结构5；

5)PDMS-硅油溶胀法：将步骤4)中制备好的PDMS材料人工复眼结构5浸入粘度为10MPA·S的硅油中封存，在硅油中封存48h后取出，此时PDMS材料人工复眼结构5发生溶胀，体积变大并且内部的交联网络中充满了硅油，得到PDMS材料人工复眼。

实施例3

一种PDMS材料人工复眼的制备方法，包括以下主要步骤：

1)样品清洗：将曲面K9玻璃基板依次使用丙酮、酒精、去离子水超声水浴清洗5min，清除曲面K9玻璃基板表面杂质，然后烘干备用；

2)飞秒激光改性：使用中心波长为800nm、脉宽为50fs、重复频率1KHz、能量为8mW的飞秒激光束通过50倍光学聚焦镜头聚焦到曲面K9玻璃基板表面，将曲面K9玻璃基板固定在三维平移台上，通过电脑程序控制三维平移台的移动，飞秒激光在每个辐照点的作用时间为500ms，采用逐点扫描的方式，在曲面K9玻璃基板表面形成排列有序的多个烧蚀弹坑2，相邻两个烧蚀弹坑2中心之间的距离为90um，设置烧蚀弹坑2呈六角阵列排布；

3)曲面湿法刻蚀工艺：将步骤2)激光改性后具有多个烧蚀弹坑2的曲面K9玻璃基板置于浓度为9％的氢氟酸溶液中，在25℃温度下进行超声水浴化学腐蚀，超声水浴化学腐蚀80min后取出曲面K9玻璃基板，曲面K9玻璃基板表面的所有微凹透镜3呈六角阵列排布，得到曲面K9玻璃复眼模板，然后依次使用酒精、去离子水超声水浴清洗5min，然后放置在真空干燥箱中烘干备用；

4)倒模：将PDMS预聚物与固化剂按照10:1的比例混合，抽干内部的气泡后，将其缓慢浸入步骤3)制备好的曲面K9玻璃复眼模板，待静置15min后放入高温炉中加热到90℃固化3h，然后取出进行脱模，得到PDMS材料人工复眼结构5；

5)PDMS-硅油溶胀法：将步骤4)中制备好的PDMS材料人工复眼结构5浸入粘度为10MPA·S的硅油中封存，在硅油中封存36h后取出，此时PDMS材料人工复眼结构5发生溶胀，体积变大并且内部的交联网络中充满了硅油，得到PDMS材料人工复眼。

通过扫描电子显微镜和共聚焦显微镜对所制备的PDMS材料人工复眼5进行观测，发现由于硅油分子和PDMS分子结构相似，因此硅油分子可以浸入交联的PDMS网络中硅油可以牢牢的锁定在PDMS交联网络中而不配其他溶液所代替，保证了较好的耐久性能。通过测试发现PDMS材料人工复眼5相比于平面抗污复眼具有更大的视场角，填充比更高，在性能方面具有疏水性、防雾性以及自清洁性能。

Claims (7)

1.一种PDMS材料人工复眼的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

ⅰ)样品清洗：清洗曲面玻璃基板(1)，烘干备用；

ⅱ)飞秒激光改性：将飞秒激光束通过光学聚焦物镜聚焦到步骤ⅰ)中烘干后的曲面玻璃基板(1)表面，将曲面玻璃基板(1)固定在三维平移台上，通过移动三维平移台对曲面玻璃基板(1)进行激光改性，在曲面玻璃基板(1)的表面形成多个烧蚀弹坑(2)；

ⅲ)湿法刻蚀工艺：将步骤ⅱ)激光改性后具有多个烧蚀弹坑(2)的曲面玻璃基板(1)放置于氢氟酸溶液中，进行超声水浴化学腐蚀，使得曲面玻璃基板(1)表面的多个烧蚀弹坑(2)形成多个表面光滑的微凹透镜(3)，进而得到曲面玻璃复眼模板，清洗曲面玻璃复眼模板，烘干备用；

ⅳ)倒模：将PDMS预聚物与固化剂按照10:1的比例混合后抽干内部的气泡，接着将其浸入在步骤ⅲ)中制备好的曲面玻璃复眼模板中静置，然后放入高温炉中加热固化，再取出进行脱模，得到PDMS材料人工复眼结构(5)；

ⅴ)PDMS-硅油溶胀法：将步骤ⅳ)中制备好的PDMS材料人工复眼结构(5)浸入硅油中封存，取出后得到PDMS材料人工复眼。

2.根据权利要求1所述的一种PDMS材料人工复眼的制备方法，其特征在于：

步骤ⅱ)中所使用的飞秒激光束的加工功率为5-10mW，聚焦物镜为50倍物镜；

所述三维平移台的移动通过电脑程序控制实现，并且通过电脑程序控制辐照点的间距以及排列方式，采用逐点扫描的方式，在曲面玻璃基板(1)的表面形成排列有序的多个烧蚀弹坑(2)，相邻两个烧蚀弹坑(2)中心之间的距离为80-100um，多个烧蚀弹坑(2)为矩形、六角形或者三角形排列。

3.根据权利要求2所述的一种PDMS材料人工复眼的制备方法，其特征在于：

步骤ⅲ)中使用氢氟酸溶液的浓度为8％-10％，超声水浴化学腐蚀温度为20-30℃；

进行超声水浴化学腐蚀70-90min后取出曲面玻璃基板(1)，使用酒精、去离子水超声水浴清洗5min，然后放置在真空干燥箱中烘干备用。

4.根据权利要求3所述的一种PDMS材料人工复眼的制备方法，其特征在于：

步骤ⅳ)中所述静置时间为10-20min；

所述高温炉中加热温度为80-100℃，固化时间为2-3h；

冷却脱模之后，获得表面形成微凸透镜(4)阵列结构的PDMS材料人工复眼结构(5)。

5.根据权利要求4所述的一种PDMS材料人工复眼的制备方法，其特征在于：

步骤ⅴ)所述硅油粘度为9-11MPA·S；

所述PDMS材料的人工复眼结构(5)浸入硅油中封存时间为24-48h。

6.根据权利要求5所述的一种PDMS材料人工复眼的制备方法，其特征在于：

所述曲面玻璃基板(1)材质为曲面K9玻璃。

7.根据权利要求1-6任一所述的一种PDMS材料人工复眼的制备方法，其特征在于：

步骤ⅰ)中，将曲面K9玻璃基板依次使用丙酮、酒精、去离子水超声水浴清洗5min，清除曲面K9玻璃基板表面杂质，然后烘干备用；

步骤ⅱ)中，将能量为8mw、中心波长为800nm、脉宽为50fs、重复频率为1KHz的飞秒激光束通过50倍光学聚焦镜头聚焦到步骤ⅰ)烘干后的曲面K9玻璃基板表面，将曲面K9玻璃基板固定在三维平移台上，通过电脑程序控制三维平移台的移动，飞秒激光在每个辐照点的作用时间为500ms，采用逐点扫描的方式对曲面K9玻璃基板进行激光改性，在曲面K9玻璃基板的表面形成呈六角阵列排布的多个烧蚀弹坑(2)，相邻两个烧蚀弹坑(2)中心之间的距离为90um；

步骤ⅱ)激光改性后具有烧蚀弹坑(2)的曲面K9玻璃基板置于浓度为9％的氢氟酸溶液中，在25℃温度下进行超声水浴化学腐蚀，超声水浴化学腐蚀80min后取出曲面K9玻璃基板，曲面K9玻璃基板表面的所有微凹透镜(3)呈六角阵列排布，得到曲面K9玻璃复眼模板，然后依次使用酒精、去离子水超声水浴清洗5min，然后放置在真空干燥箱中烘干备用；

步骤ⅳ)中，将PDMS预聚物与固化剂按照10:1的比例混合，抽干内部的气泡后，将其缓慢浸入步骤ⅲ)制备好的曲面K9玻璃复眼模板，待静置15min后放入高温炉中加热到90℃固化3h，发生溶胀以后取出进行脱模，得到PDMS材料人工复眼结构(5)；

步骤ⅴ)中，将步骤ⅳ)中制备好的PDMS材料人工复眼结构(5)浸入粘度为10MPA·S的硅油中封存，封存36h后取出，得到PDMS材料的人工复眼。

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