本发明涉及人工干黏附技术领域，尤其涉及一种基于范德华力效应的干黏附垫及其制作方法。
背景技术：
随着科学家们对仿生学研究的不断深入，发现壁虎作为目前所知具备全空间无障碍运动能力的质量最大的动物，其脚掌(垫)的黏附机理引起了科学家的极大兴趣。2000年，美国的full团队通过测量壁虎脚掌单根刚毛的黏着力实验，证明了壁虎脚掌上的刚毛与物体表面接触的黏着力是通过分子间的范德华力实现的。他们认为尽管范德华力值很小，但与接触面接触的刚毛数量足够多时，累积而形成的力足以支撑壁虎整个身体的重量，这种壁虎脚掌刚毛的干黏附特性的应用越来越广泛。近几年国内外研究团队在仿生壁虎干黏附垫的参数设计和制备工艺方面开展了大量研究。
目前，在仿生壁虎倾斜楔形刚毛阵列的制作工艺方面，主要有光刻工艺，微细机械加工工艺，模具浇铸工艺，其中利用光刻工艺制作出的楔形结构对加工过程的微小变化和加工机器十分敏感，且上下两次光照需具有微米级的对准精度，易出现高宽比不足或制作失败的情况，灵活性较低。利用微细机械加工工艺与模具浇铸工艺相结合，具有材料成本低，加工效率高，可规模化生产等优势。
然而，刚毛形状是影响干黏附垫性能的主要因素，相较于其他刚毛形状而言，楔形刚毛阵列的干黏附垫更加符合低预压、易脱附的应用需求，其中刚毛长度、高宽比、倾斜角度等几何参数对黏附性能具有显著的影响，但是国内外在这方面的研究还很初步，如何提升楔形刚毛低预压、高黏附、易脱附性能是亟待深入研究的核心问题。
总之，现有的大部分黏附垫不具有各项异性的结构，即不具有易脱附性。楔形结构具有易脱附性，但现有的光刻技术存在容易出现高宽比不足或制作失败的情况，灵活性较低等问题，本发明具有加工成本低，加工效率高，可规模化生产的优势，模具可进行重复使用，加工出的黏附垫为各项异性结构，具有低预载，高黏附，易脱附的特性。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种基于范德华力效应的干黏附垫及其制作方法，具有低预载，高黏附，易脱附的优点。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于范德华力效应的干黏附垫的制作方法，包括以下步骤：
步骤1、在楔形凹模表面沉积薄膜，所述楔形凹模具有多个倾斜的楔形凹槽；
步骤2、将弹性黏附材料浇铸在所述楔形凹模中，并在室温下固化；
步骤3、将所述弹性黏附材料从所述楔形凹模中移出，在所述弹性黏附材料表面得到倾斜楔形阵列即为所述基于范德华力效应的干黏附垫。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步地，在步骤1之前，所述方法还包括：
步骤4、利用三轴移动机床控制具有楔形特征的刀具，在模具中加工出多个倾斜的所述楔形凹槽得到所述楔形凹模。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过采用的微细机械加工工艺，可使刀具按预计的轨迹运动，在模具上进行楔形凹槽的加工，精确改变楔形刚毛的几何形状及工艺参数，具有材料成本低，加工效率高，可规模化生产等优势。
进一步地，所述模具为均匀的蜡质材料，步骤4具体包括：
步骤4.1、对所述模具进行融蜡处理；
步骤4.2、当所述刀具进入所述模具的入刀角度为β满足0＜β＜α时，控制所述刀具进入所述模具至距离所述模具的上表面的高度为h时停止运动，则形成一个倾斜的所述楔形凹槽，其中，α为所述刀具的中心线与所述模具的水平面的夹角；
步骤4.3、控制所述刀具沿预设的轨迹进行移动，每间隔预设距离，重复步骤4.2，直至形成多个倾斜的所述楔形凹槽。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过对蜡质的模具进行融蜡处理，可以去除原有蜡中的杂质，以提高蜡质材料的均匀性，进而提高模具表面的光洁度，再采用微细机械加工工艺，可使刀具按预计的轨迹运动，在蜡质模具上进行楔形凹槽的加工，能够精确改变楔形刚毛的几何形状及工艺参数，具有材料成本低，加工效率高，可规模化生产等优势。
进一步地，在步骤4.2之前，所述方法还包括：步骤4.4、在所述刀具和所述模具的表面喷洒润滑剂。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过在刀具和模具的表面喷洒润滑剂，充分改善了楔形凹槽的光洁度。
进一步地，所述刀具的刀头具有三个倾斜平面。
进一步地，步骤1具体为：利用mems工艺在所述楔形凹模表面沉积微米量级的薄膜。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过采用mems工艺中的化学气相沉积技术对模具表面的微米级凹凸结构进行修补，在微米级范围内增加其平整度与光洁度。同时，弥补了现有工艺所制备的模具仅可单次使用的缺陷，通过此工艺可对同一模具进行多次揭膜操作，在不损伤楔形凹模的同时，保证了所制备干黏附楔形阵列的形状完整性与统一性，大大降低了材料成本，提高了加工效率。
进一步地，所述弹性黏附材料由硅弹性体主剂a组分和交联剂b组分组成，其中，硅弹性体主剂a组分与交联剂b组分的质量比为预设的；所述硅弹性体主剂a组分为道康宁184的a组分，所述交联剂b组分为道康宁184的b组分。
进一步地，步骤2具体包括：
步骤2.1、在所述楔形凹模两端分别放置材质均匀厚度为预设值的支撑物；
步骤2.2、将所述硅弹性体主剂a组分与所述交联剂b组分以预设的质量比进行混合，搅拌均匀，进行抽真空处理，直至气泡完全消除，得到混合物；
步骤2.3、将所述混合物浇铸在所述楔形凹模上，再次进行抽真空处理，直至气泡完全消除；
步骤2.4、将用胶体材料处理过的硬质薄板放置在所述楔形凹模和所述支撑物上，放在室温下固化。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过在楔形凹模两端分别放置材质均匀厚度为预设值的支撑物，可以确保制得的黏附垫的平整性。
进一步地，步骤3具体为：将放置在所述楔形凹模和所述支撑物上的硬质薄板揭起，以带动所述弹性黏附材料从所述楔形凹模中移出，在所述弹性黏附材料表面得到倾斜楔形阵列即为所述基于范德华力效应的干黏附垫。
本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：一种基于范德华力效应的干黏附垫，所述基于范德华力效应的干黏附垫采用上述任一项实施例所述的制作方法制得。
本发明的有益效果是：通过在具有多个倾斜的楔形凹槽的楔形凹模表面沉积薄膜，并在其中浇铸弹性黏附材料后放置在室温下固化，再将弹性黏附材料从楔形凹模中移出，即可在弹性黏附材料表面得到倾斜楔形阵列即为基于范德华力效应的干黏附垫，利用这种制备方法制得的基于范德华力效应的干黏附垫具有各项异性的结构，当施加微小的切向负载时，楔形刚毛发生弯曲，增加接触面积，从而增大了与接触面间的范德华力，庞大的楔形刚毛数量产生优异的黏附性能，当负载方向转换成易脱附方向时，楔形刚毛发生脱附，因此楔形结构可以较好地调控机械性能，实现主动黏附、可控脱附。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于范德华力效应的干黏附垫的制作方法的示意性流程图；
图2为本发明实施例提供的刀具侧视图；
图3为本发明另一实施例提供的一种基于范德华力效应的干黏附垫的制作方法的示意性流程图；
图4为图3中所示的步骤4的示意性流程图；
图5为本发明实施例提供的一种基于范德华力效应的干黏附垫的制作方法中的步骤4.2的示意图；
图6为本发明实施例提供的一种基于范德华力效应的干黏附垫的制作方法中楔形凹模制备的过程演示图；
图7为图1或图3中所示的步骤2的示意性流程图；
图8为本发明实施例提供的一种基于范德华力效应的干黏附垫的制作方法的过程演示图；
图9为本发明实施例提供的一种基于范德华力效应的干黏附垫的结构示意图；
图10为本发明实施例提供的一种基于范德华力效应的干黏附垫的测试数据图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
在干黏附垫的制备方面，较为主流的制备方法是模具浇铸法，其中精细机械加工方式制备模具有材料成本低，加工效率高，可规模化生产等优势，但还需要进行加工工艺的深入研究，以提高楔形凹槽的尺寸精度与表面光洁度，从而提升其低预压、高黏附、易脱附性能。
如图1给出了本发明实施例提供的一种基于范德华力效应的干黏附垫的制作方法的示意性流程图。如图1所示，该基于范德华力效应的干黏附垫的制作方法包括：
步骤1、在楔形凹模表面沉积薄膜，该楔形凹模具有多个倾斜的楔形凹槽。
所述刀具的刀头具有三个倾斜平面,其中倾斜平面角度为刀具侧面与水平面所成夹角，从刀具开始有倾斜角度至刀尖，分别为第一、第二、第三个倾斜平面；第一个倾斜平面角度范围为30°—40°第二个倾斜平面角度范围为20°—30°，第三个倾斜平面范围为10°—20°。
步骤2、将弹性黏附材料浇铸在楔形凹模中，并在室温下固化2—3天。
步骤3、将弹性黏附材料从楔形凹模中移出，在弹性黏附材料表面得到倾斜楔形阵列即为基于范德华力效应的干黏附垫。弹性黏附材料采用道康宁184材料。
上述实施例中提供的基于范德华力效应的干黏附垫的制作方法，通过在具有多个倾斜的楔形凹槽的楔形凹模表面沉积薄膜，并在其中浇铸弹性黏附材料后放置在室温下固化，再将弹性黏附材料从楔形凹模中移出，即可在弹性黏附材料表面得到倾斜楔形阵列即为基于范德华力效应的干黏附垫，利用这种制备方法制得的基于范德华力效应的干黏附垫具有各项异性的结构，当施加微小的切向负载时，楔形刚毛发生弯曲，增加接触面积，从而增大了与接触面间的范德华力，庞大的楔形刚毛数量产生优异的黏附性能，当负载方向转换成易脱附方向时，楔形刚毛发生脱附，因此楔形结构可以较好地调控机械性能，实现主动黏附、可控脱附。
可选地，在一个实施例中，步骤1可以具体为：利用mems工艺在楔形凹模表面沉积微米量级的薄膜，薄膜厚度范围为1μm—5μm。
具体的，在该实施例中，采用mems工艺中的化学气相沉积技术对模具表面的微米级凹凸结构进行修补，在微米级范围内增加其平整度与光洁度。同时，弥补了现有工艺所制备的模具仅可单次使用的缺陷，通过此工艺可对同一模具进行多次揭膜操作，在不损伤楔形凹模的同时，保证了所制备干黏附楔形阵列的形状完整性与统一性，大大降低了材料成本，提高了加工效率。
可选地，作为本发明的一个实施例，如图3所示，在步骤1之前，该基于范德华力效应的干黏附垫的制作方法还可以包括：
步骤4、利用三轴移动机床控制具有楔形特征的刀具，在模具中加工出多个倾斜的楔形凹槽得到楔形凹模。
可选地，在该实施例中，刀具的刀头具有至少一个倾斜平面，例如：可以为三个倾斜平面，例如：如图2所示，三个倾斜平面的角度分别为34°、24°和12°，随着角度的增加，刀具更加锋利，更利于模具的加工。另外，在该实施例中，模具可以采用均匀的蜡质材料。
具体的，在该实施例中，可以将该刀具利用与之相匹配的高刚度夹具(即在夹持过程中，其刚度使刀具不易发生弯曲变形)固定安装到三轴移动机床的主轴上。通过控制主轴，以带动夹具上的刀具在模具上运动，就可以在蜡质材料的模具中加工出多个倾斜的楔形凹槽得到楔形凹模。
上述实施例中提供的基于范德华力效应的干黏附垫的制作方法，通过采用的微细机械加工工艺，可使刀具按预计的轨迹运动，在蜡质模具上进行楔形凹槽的加工，精确改变楔形凹槽刚毛几何形状及工艺参数，具有材料成本低，加工效率高，可规模化生产等优势。
在另一个实施例中，模具为均匀的蜡质材料，如图4所示，步骤4具体可以包括以下步骤：
步骤4.1、对模具进行融蜡处理。
步骤4.2、当刀具进入模具的入刀角度为β满足0＜β＜α时，控制刀具进入模具至距离模具的上表面的高度为h时停止运动，则形成一个倾斜的楔形凹槽。其中，α为刀具的中心线与模具的水平面的夹角(参见图5)。
步骤4.3、控制刀具沿预设的轨迹进行移动，每间隔预设距离，重复步骤4.2，直至形成多个倾斜的楔形凹槽。
上述步骤为本发明实施例中制作楔形凹模的操作流程，而图5和图6所示的是本发明实施例中制作楔形凹模的过程示意图。本发明采用的走刀轨迹如图6所示，通过对刀，蜡模刮平，进刀，退刀，再次进刀退刀五个过程，完成蜡质模具的加工，加工出微米级楔形凹槽，为后续的浇铸工艺奠定基础。
具体的，在该实施例中，可以通过控制机床的运动轨迹来改变刀具的走刀轨迹，进而改变楔形凹槽的几何形状，从而改变楔形刚毛的几何形状和工艺参数。其中，轨迹可以是2维的轨迹，也可以是3维的轨迹。
在制作楔形凹模时，首先要对蜡质的模具进行融蜡处理，从而去除原有蜡中的杂质，以提高蜡质材料的均匀性，进而提高模具表面的光洁度。
具体的，在该实施例中，预设距离的取值可以根据用户的需要来确定，例如：可以取135μm、80μm、60μm等。应理解，这里仅仅是举例说明，并不对本发明实施例构成任何限定。
上述实施例中提供的基于范德华力效应的干黏附垫的制作方法，通过对蜡质的模具进行融蜡处理，可以去除原有蜡中的杂质，以提高蜡质材料的均匀性，进而提高模具表面的光洁度，再采用的微细机械加工工艺，可使刀具按预计的轨迹运动，在蜡质模具上进行楔形凹槽的加工，能够精确改变楔形刚毛几何形状及工艺参数，具有材料成本低，加工效率高，可规模化生产等优势。
在另一实施例中，如图4所示，在步骤4.2之前，还可以包括：
步骤4.4、在刀具和模具的表面喷洒润滑剂。
具体的，在该实施例中，可以在加工楔形凹槽模具的过程中也叫做刀具切割模具的过程中利用注射器在刀具和模具的表面喷洒润滑剂，例如，在这里，润滑剂可以选用以预设质量比的洗洁精和水组合而成的溶液，但本发明实施例并不仅限于此。
上述实施例中提供的基于范德华力效应的干黏附垫的制作方法，通过在刀具和模具表面的交界位置喷洒润滑剂，充分改善了楔形凹槽的光洁度。
需要说明的是，在该实施例中，在第一次喷洒润滑剂之后，可以根据刀具和模具表面的湿度来确定是否再次喷洒润滑剂。
目前，在基于范德华力效应的干黏附垫的材料选择方面，主要有碳纳米管和聚合物高分子黏附材料如聚酰亚胺(pi)、聚氨酯(pu)、硅橡胶(pdms)、聚丙烯(pp)和干膜(lm)等。碳纳米管与表面接触点可达到纳米级别，结构更精细、本身不具黏连性、机械性能好，黏附强度高。但其柔顺性能较差，通常需要以增加其工艺复杂性提高其黏附性能，且不具有易脱附性。采用聚合物高分子材料制备楔形刚毛阵列具有较多优点，如：楔形刚毛末端结构的可设计性好，黏附性能的可控性好，对不同表面的适应性也相应增强。
然而，采用聚合物高分子材料制备的基于范德华力效应的刚毛阵列具有多种形状。末端庞大突起结构(如蘑菇头状)可增加刚毛与接触表面的有效接触面积，制备工艺较为复杂，操作难度较大，且很难保证末端的一致性，且不具有易脱附性。为实现干黏附垫的易脱附性，需设计各项异性的楔形刚毛结构。刚毛阵列支杆的倾斜可调控机械性能，有利于实现主动黏附、可控脱附。其中楔形倾斜刚毛较普通倾斜刚毛在相同负载下具有更大的接触面积，具有更优的黏附性能。因此，本发明提供了如下述实施例中的技术方案。
可选地，作为本发明的另一个实施例，步骤2中的，弹性黏附材料由硅弹性体主剂a组分和交联剂b组分组成，其中，硅弹性体主剂a组分与交联剂b组分的质量比为预设的，硅弹性体主剂a组分为道康宁184的a组分，交联剂b组分为道康宁184的b组分其配置比例为10:1。
具体的，如图7所示，步骤2具体可以包括以下步骤：
步骤2.1、在楔形凹模两端分别放置材质均匀厚度为预设值的支撑物。
步骤2.2、将硅弹性体主剂a组分与交联剂b组分以质量比10:1进行混合，搅拌均匀，进行抽真空处理，直至气泡完全消除，得到混合物。
步骤2.3、将混合物浇铸在楔形凹模上，再次进行抽真空处理，直至气泡完全消除。
步骤2.4、将用胶体材料处理过的硬质薄板放置在楔形凹模和支撑物上，放在室温下固化，固化2—3天。
显然，在该实施例中，步骤3具体为：将硬质薄板揭起，就可以带动弹性黏附材料从楔形凹模中移出，在弹性黏附材料表面得到倾斜楔形阵列即为基于范德华力效应的干黏附垫。
上述步骤为本发明实施例中用弹性黏附材料浇铸楔形凹模的操作流程，如图8所示，为本发明实施例中用弹性黏附材料浇楔形凹模的过程示意图。
应理解，在该实施例中，步骤2.1和步骤2.2的执行顺序不分先后，也可以同时执行，本发明实施例对此不做任何限定。
如图8所示，为保证黏附垫的平整性，在制作完成的楔形凹模两端放置预设厚度的均匀支撑物。将混合后的硅胶材料浇注在经mems工艺处理过的蜡质楔形凹模上，并再次进行抽真空处理，使其充分流入微米级楔形凹槽。最后，将用胶体材料处理过的硬质薄板放置在楔形凹模和预设厚度的均匀支撑物上，为防止高温下蜡模变形，在室温下放置数天，等待硅橡胶凝固，凝固后将硅橡胶从蜡质的楔形凹模上揭下，可得到该黏附材料的基于范德华力效应的倾斜楔形阵列，即基于范德华力效应的干黏附垫，如图9所示。
上述实施例中提供的基于范德华力效应的干黏附垫的制作方法，通过在楔形凹模两端分别放置材质均匀厚度为预设值的支撑物，可以确保制得的黏附垫的平整性。
应理解，在本发明各实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
上述结合图1至图8，对本发明实施例提供的一种基于范德华力效应的干黏附垫的制作方法进行了说明，下面对基于范德华力效应的干黏附垫的制作方法的技术方案进行详细的描述。
首先，制作楔形凹模；其次，在制作好的楔形凹模上沉积薄膜；再次，在沉积了薄膜的楔形凹模上浇铸弹性黏附材料；最后，待弹性黏附材料固化后揭膜得到基于范德华力效应的干黏附垫。
具体的过程，如下：
1、对蜡质模具进行融蜡处理，以提高材料的均匀性。
2、将刀具利用夹具固定安装到三轴移动机床的主轴上。刀具的刀头具有三个倾斜平面。三个倾斜平面的角度分别为34°、24°和12°。
3、在加工楔形凹模的过程中，在刀具和模具的表面喷洒润滑剂。
4、利用三轴移动机床控制刀具按照预设的轨迹在蜡质模具中加工出楔形凹槽(具体过程参见附图4所示流程图和图5所示的示意图，以及上述内容中与图4和图5所对应的描述)。通过对刀，蜡模刮平，进刀，退刀，再次进刀退刀五个过程(具体过程参见附图6所示的示意图)，完成蜡质模具的加工，加工出微米级楔形凹槽得到楔形凹模，为后续的浇铸工艺奠定基础。
为了描述的简洁，具体过程可以参见上述内容中与图4和图5所对应的描述，在此不再赘述。
5、采用mems工艺中的化学气相沉积技术对楔形凹模表面的微米级凹凸结构进行修补，在微米级范围内增加其平整度与光洁度。
这样操作可以弥补现有工艺所制备的模具仅可单次使用的缺陷，通过此工艺可对同一模具进行多次揭膜操作，在不损伤楔形凹模的同时，保证了所制备仿生黏附楔形阵列的形状完整性与统一性，大大降低了材料成本，提高了加工效率。
在上述楔形凹模制备完成的基础上，需利用模具浇铸法制备最终的基于范德华力效应的干黏附垫，制备过程中采用硅橡胶作为仿生黏附材料，具体的过程如下：
6、将硅弹性体主剂a组分与交联剂b组分以预设的比例进行混合，倒入容器中进行充分搅拌，并将容器放入真空干燥箱中，抽真空去除混合后的硅胶材料中的气泡。
由于在液体混合搅拌过程中难免有微小气泡产生，为避免液态硅橡胶中气泡对浇注的仿生黏附垫平整度产生影响，所以进行抽真空处理。
7、在制作完成的楔形凹模两端放置材质均匀的支撑物，以保证黏附垫的平整性。
8、将混合后的硅胶材料浇铸在经mems工艺处理过的楔形凹模上，并再次进行抽真空处理，使其充分流入微米级楔形凹槽。
9、将用胶体材料处理过的硬质薄板放置在楔形凹模和支撑物上，为防止高温下蜡模变形，在室温下放置数天固化，固化时间2—3天。
10、等待硅橡胶凝固后将硅橡胶从蜡模上揭下，可得到该黏附材料的基于范德华力效应的倾斜楔形阵列，即基于范德华力效应的干黏附垫。
需要说明的是，在利用上述制备方法制得基于范德华力效应的干黏附垫的过程中，还可以对楔形凹模的加工过程进行实时监控，以便于及时做出调整，例如：是否缺少润滑剂，若缺少，则可以及时喷洒；再如：走刀轨迹是否与预设的相一致，若否，可以调整夹具的夹持刚度，如：提高刀具夹持刚度，或者在夹持处背面再放一个同样的刀片做平衡，防止刀具变形。
本发明还提供一种基于范德华力效应的干黏附垫。如图9所示，该基于范德华力效应的干黏附垫可以采用上文中描述的任一实施例中的制作方法制得。
现对通过上述方法制作出的其中一种黏附垫进行测试，(应理解，这里的数据仅仅是为了举例说明本发明的技术方案，并不对本发明实施例构成任何限定)。对黏附垫的易黏附方向(即刚毛倾斜方向)进行切向加载，通过力/力矩传感器测量其法向力的结果如下图10所示，其中的数据点为实测数据，曲线为拟合结果，可以看出随切向加载力的增加，其法向粘附力逐渐增加，当切线加载力过大时，将出现下降的趋势，这种特性使其具有方向的可控性，这种可控性可使黏附垫在高黏附的情况下，通过改变加载方向使其具有易脱附性。
上述实施例中的基于范德华力效应的干黏附垫具有各项异性的结构，当施加微小的切向负载时，刚毛发生弯曲，增加接触面积，从而增大了与接触面间的范德华力，庞大的刚毛数量产生优异的黏附性能，当负载方向转换成易脱附方向时，刚毛发生脱附，因此楔形结构可以较好地调控机械性能，实现主动黏附、可控脱附。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。