专利名称：一种水上微小机器人用疏水钢丝腿部及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种水上微小机器人用疏水钢丝腿部及其制备方法，属于机械零件制备领域。
背景技术：
目前，国际上已经开始研制仿水黾的水上微小机器人，它在侦察勘测、水质监控、 液面清污等领域具有十分重要的应用前景。生物水黾利用疏水腿部在水面上自由地穿梭飞行。水黾仅用单腿就能在水面上支撑起其身体15倍的重量，其腿能够排开300倍于身体体积的水量而不刺破水面，产生极大的表面张力。水黾腿部的刚毛表面具有粗糙微结构，使吸附在粗糙微结构中的气泡形成气垫。研究表明，水黾腿部粗糙微结构是其具有超疏水性的关键。水上微小机器人的支撑力主要来自水的表面张力。腿部材料的亲水或疏水性能对于能获得多大表面张力非常关键。在相同结构与尺寸的情况下，腿部材料与水的接触角越大，能够获得的最大表面张力也越大。但水上微小机器人的腿部还应具有一定的强度和刚度，因为其直接决定了机器人自重大小和负载能力。所以采用何种材料和工艺来制作既满足强度和刚度要求，又具有超疏水表面性能的微小机器人腿部，是一个值得研究的重要问题。卡耐基-梅隆大学Sitti教授带领的小组在2004年9月制作成功了名为“Water Walker”的水上微小机器人，该机器人用涂有防水塑料的钢丝构成腿部(Steve H. Suhr, Yun Seong Song, Sang Jun Lee, Metin Sitti. Biologically inspired miniature water strider robot[C]. Proceedings of the Robotics :Science and Systems I. Cambridge, MA, USA :2005.)。清华大学吴立成，丁樑，郭栋，等人在申请号200610112601. 7的专利“水上漂浮仿生水黾机器人”公开了一种名为“Water Dancer"的水上微小机器人，它有6_8条腿，由直径为0. 2mm的钢丝制成，钢丝表面用疏水物质修饰。上面两个例子都是用钢丝来制作仿水黾水上微小机器人腿部，其强度和刚度满足要求，而且钢丝价格低廉，通用性好。但是其表面没有粗糙微结构，疏水性能仅仅靠疏水物质修饰钢丝表面获得，并不是真正模仿水黾腿部的原理。
发明内容
本发明从仿生角度，基于水黾腿部疏水原理，提出一种水上微小机器人用疏水钢丝腿部及其制备方法，在钢丝表面制备粗糙微结构并用疏水液修饰其表面，获得良好疏水性能，同时也减轻了腿部的重量。本方法的技术方案是一种水上微小机器人用疏水钢丝腿部，为一种表面有粗糙微结构的钢丝，所述微结构表面附着有氟硅烷单分子层。一种水上微小机器人用疏水钢丝腿部的制备方法，包括如下步骤步骤一在钢丝表面腐蚀出粗糙微结构，包括如下子步骤
子步骤1，将钢丝依次经过室温5-10分钟的丙酮震荡清洗，室温5-10分钟的无水乙醇震荡清洗，然后用去离子水清洗，以去除附着在上面的油污和其他杂质；子步骤2，将钢丝放入浓度为0. 5-2mol/L的H2SO4溶液中，室温反应3_8分钟；子步骤3，取出钢丝用去离子水清洗，然后用氮气吹干；步骤二 配置氟硅烷疏水液，包括如下子步骤子步骤1，取体积为V的十七氟葵基三乙氧基硅烷(CF3 (CF2) ,CH2CH2Si (0C2H5) 3)放入体积为MV的水中配制成体积百分比为4%的氟硅烷中间溶液；子步骤2，用冰乙酸调节氟硅烷中间溶液的pH值至3. 5 ；子步骤3，将体积为75V的无水乙醇放入子步骤2处理后的氟硅烷中间溶液，将其稀释成体积百分比为的氟硅烷溶液；子步骤4，将子步骤3所配制的氟硅烷溶液在室温下充分搅拌10_1池，使其形成均勻透明液体，即为配置好的氟硅烷疏水液；步骤三用氟硅烷疏水液修饰钢丝表面，包括如下子步骤子步骤1，用浸渍镀膜仪在钢丝表面粘附上一层氟硅烷疏水液钢丝沿竖直方向向下浸入氟硅烷疏水液中，移动速度为50-100mm/min，在溶液中停留5_10秒，提起速度为 50-100mm/min,以获得均勻的氟硅烷单分子层；子步骤2，将钢丝放入烘箱中100°C下烘干10-15分钟。本发明的有益效果是水在纯钢丝表面的静态接触角约为93°左右，经过上述处理之后水在钢丝表面的静态接触角可达到140°以上，大大增加了钢丝的疏水性能。用本发明处理过的钢丝做水上微小机器人的腿部可增大其疏水性，提高其支撑力，对水上微小机器人的应用将产生一定的推动作用。
图1是纯钢丝表面水滴静态接触角示意图。图2是纯钢丝表面水滴静态接触角照片。图3是实施例1中得到的疏水钢丝表面水滴静态接触角示意图。图4是实施例1中得到的疏水钢丝表面水滴静态接触角照片。
具体实施例方式实施例1一种水上微小机器人用疏水钢丝腿部，为一种表面有粗糙微结构的钢丝，所述微结构表面附着有氟硅烷单分子层。一种水上微小机器人用疏水钢丝腿部的制备方法，包括如下步骤步骤一在钢丝表面腐蚀出粗糙微结构，包括如下子步骤子步骤1，将钢丝依次经过室温5分钟的丙酮震荡清洗，室温5分钟的无水乙醇震荡清洗，然后用去离子水清洗。以去除附着在上面的油污和其他杂质。子步骤2，将钢丝放入浓度为0. 5mol/L的H2SO4溶液中，室温反应8分钟。子步骤3，取出钢丝用去离子水清洗，然后用氮气吹干。
步骤二 配置氟硅烷疏水液，包括如下子步骤子步骤1，取Iml的十七氟葵基三乙氧基硅烷(CF3 (CF2) 7CH2CH2Si (0C2H5) 3)放入体积为2細1的水中配制成体积百分比为4%的氟硅烷中间溶液；子步骤2，用冰乙酸调节氟硅烷中间溶液的pH值至3. 5 ；子步骤3，将体积为75ml的无水乙醇放入子步骤2处理后的氟硅烷中间溶液，将其稀释成体积百分比为的氟硅烷溶液。子步骤4，将子步骤3所配制的氟硅烷溶液在室温下充分搅拌10h，使其形成均勻透明液体，即为配置好的氟硅烷疏水液；步骤三用氟硅烷疏水液修饰钢丝表面，包括如下子步骤子步骤1，用浸渍镀膜仪在钢丝表面粘附上一层氟硅烷疏水液钢丝沿竖直方向向下浸入氟硅烷疏水液中，移动速度为100mm/min，在溶液中停留10秒，提起速度为50mm/ min,以获得均勻的氟硅烷单分子层；子步骤2，将钢丝放入烘箱中100°C下烘干10分钟。实施例2一种水上微小机器人用疏水钢丝腿部，为一种表面有粗糙微结构的钢丝，所述微结构表面附着有氟硅烷单分子层。一种水上微小机器人用疏水钢丝腿部的制备方法，包括如下步骤步骤一在钢丝表面腐蚀出粗糙微结构，包括如下子步骤子步骤1，将钢丝依次经过室温8分钟的丙酮震荡清洗，室温8分钟的无水乙醇震荡清洗，然后用去离子水清洗。以去除附着在上面的油污和其他杂质。子步骤2，将钢丝放入浓度为lmol/L的H2SO4溶液中，室温反应5分钟。子步骤3，取出钢丝用去离子水清洗，然后用氮气吹干。步骤二 配置氟硅烷疏水液，包括如下子步骤子步骤1，取2ml的十七氟葵基三乙氧基硅烷(CF3 (CF2) 7CH2CH2Si (0C2H5) 3)放入体积为48ml的水中配制成体积百分比为4%的氟硅烷中间溶液；子步骤2，用冰乙酸调节氟硅烷中间溶液的pH值至3. 5 ；子步骤3，将体积为150ml的无水乙醇放入子步骤2处理后的氟硅烷中间溶液，将其稀释成体积百分比为的氟硅烷溶液。子步骤4，将子步骤3所配制的氟硅烷溶液在室温下充分搅拌llh，使其形成均勻透明液体，即为配置好的氟硅烷疏水液；步骤三用氟硅烷疏水液修饰钢丝表面，包括如下子步骤子步骤1，用浸渍镀膜仪在钢丝表面粘附上一层氟硅烷疏水液钢丝沿竖直方向向下浸入氟硅烷疏水液中，移动速度为70mm/min，在溶液中停留7秒，提起速度为80mm/ min,以获得均勻的氟硅烷单分子层；子步骤2，将钢丝放入烘箱中100°C下烘干12分钟。实施例3一种水上微小机器人用疏水钢丝腿部，为一种表面有粗糙微结构的钢丝，所述微结构表面附着有氟硅烷单分子层。一种水上微小机器人用疏水钢丝腿部的制备方法，包括如下步骤
步骤一在钢丝表面腐蚀出粗糙微结构，包括如下子步骤子步骤1，将钢丝依次经过室温10分钟的丙酮震荡清洗，室温10分钟的无水乙醇震荡清洗，然后用去离子水清洗。以去除附着在上面的油污和其他杂质。子步骤2，将钢丝放入浓度为0. 5mol/L的H2SO4溶液中，室温反应3分钟。子步骤3，取出钢丝用去离子水清洗，然后用氮气吹干。步骤二 配置氟硅烷疏水液，包括如下子步骤子步骤1，取3ml的十七氟葵基三乙氧基硅烷(CF3 (CF2) 7CH2CH2Si (0C2H5) 3)放入体积为72ml的水中配制成体积百分比为4%的氟硅烷中间溶液；子步骤2，用冰乙酸调节氟硅烷中间溶液的pH值至3. 5 ；子步骤3，将体积为225ml的无水乙醇放入子步骤2处理后的氟硅烷中间溶液，将其稀释成体积百分比为的氟硅烷溶液。子步骤4，将子步骤3所配制的氟硅烷溶液在室温下充分搅拌12h，使其形成均勻透明液体，即为配置好的氟硅烷疏水液；步骤三用氟硅烷疏水液修饰钢丝表面，包括如下子步骤子步骤1，用浸渍镀膜仪在钢丝表面粘附上一层氟硅烷疏水液钢丝沿竖直方向向下浸入氟硅烷疏水液中，移动速度为50mm/min，在溶液中停留5秒，提起速度为IOOmm/ min,以获得均勻的氟硅烷单分子层；子步骤2，将钢丝放入烘箱中100°C下烘干15分钟。
权利要求
1.一种水上微小机器人用疏水钢丝腿部，其特征在于为一种表面有粗糙微结构的钢丝，所述微结构表面附着有氟硅烷单分子层。
2.一种如权利要求1所述的水上微小机器人用疏水钢丝腿部的制备方法，包括如下步骤步骤一在钢丝表面腐蚀出粗糙微结构，包括如下子步骤子步骤1，将钢丝依次经过室温5-10分钟的丙酮震荡清洗，室温5-10分钟的无水乙醇震荡清洗，然后用去离子水清洗；子步骤2，将钢丝放入浓度为0. 5 2mol/L的H2SO4溶液中，室温反应3_8分钟； 子步骤3，取出钢丝用去离子水清洗，然后用氮气吹干； 步骤二 配置氟硅烷疏水液，包括如下子步骤子步骤1，取体积为V的十七氟葵基三乙氧基硅烷放入体积为24V的水中配制成体积百分比为4%的氟硅烷中间溶液；子步骤2，用冰乙酸调节氟硅烷中间溶液的pH值至3. 5 ；子步骤3，将体积为75V的无水乙醇放入子步骤2处理后的氟硅烷中间溶液，将其稀释成体积百分比为的氟硅烷溶液；子步骤4，将子步骤3所配制的氟硅烷溶液在室温下充分搅拌10-1池，使其形成均勻透明液体，即为配置好的氟硅烷疏水液；步骤三用氟硅烷疏水液修饰钢丝表面，包括如下子步骤子步骤1，用浸渍镀膜仪在钢丝表面粘附上一层氟硅烷疏水液钢丝沿竖直方向向下浸入氟硅烷疏水液中，移动速度为50-100mm/min，在溶液中停留5_10秒，提起速度为 50-100mm/min,以获得均勻的氟硅烷单分子层；子步骤2，将钢丝放入烘箱中100°C下烘干10-15分钟。
全文摘要
本发明公开了一种水上微小机器人用疏水钢丝腿部及其制备方法，属于机械零件制备领域。该水上微小机器人用疏水钢丝腿部为一种表面有粗糙微结构的钢丝，所述微结构表面附着有氟硅烷单分子层。而且，本发明从仿生角度，基于水黾腿部疏水原理，该水上微小机器人用疏水钢丝腿部制备方法，通过在钢丝表面制备粗糙微结构并用疏水液修饰其表面，获得良好疏水性能，同时也减轻了腿部的重量。实验结果表明水在纯钢丝表面的静态接触角约为93°左右，而使用本发明方法制备的钢丝表面的静态接触角可达到140°以上，大大增加了钢丝的疏水性能。用本发明处理过的钢丝做水上机器人的腿部可增大其疏水性，提高其支撑力，对水上机器人的应用将产生一定的推动作用。
文档编号C23C22/34GK102219050SQ20111000632
公开日2011年10月19日 申请日期2011年1月13日 优先权日2011年1月13日
发明者何洋, 姜澄宇, 尹恒许, 张峰, 王圣坤, 田梦君, 胡培军, 苑伟政, 陈俊 申请人:西北工业大学