一种柔性凹角疏水微结构阵列的复型转移制备方法

本发明属于微纳制造领域，更具体的，涉及一种柔性凹角疏水微结构阵列的复型转移制备方法。

背景技术：

1、受自然界许多生物良好疏水表面的启发，发现了一种疏水性能良好且耐压性能稳定的凹角微结构，这类结构一般拥有“上宽下窄”的微纳特征，类似于蘑菇状、“t”型等结构都属于典型的凹角结构。由于其独特的构造特征，使其具备了疏水、疏油甚至超全疏的特点，在表面微观形貌和低表面能化学材料共同作用下，在自清洁、液滴运输、水下减阻等领域具有许多潜在应用，尤其在飞机防除冰方面，能够有效延迟结冰、减少结冰面积和降低冰粘附强度，为飞机表面防除冰研究提供新的思路。

2、但这种“上端大、下端小”的独特构造，使得加工制备十分困难，国内外学者开展了相关的研究与探索，但仍有不足。dong等通过将纳米球光刻技术和模板保护选择性反应离子刻蚀技术相结合，在硅片表面制备出具有良好疏水性能的百纳米级双凹角微柱阵列。yin等通过基于投影微立体光刻的3d打印技术来制造具有连续可控润湿性和粘附力的仿跳虫表皮凹角微结构。romano等通过研究近红外飞秒激光脉冲数量和脉冲光通量的影响，在不锈钢和钛合金表面制造出了类似于跳虫表皮的三角结构。上述的等离子体刻蚀、3d打印、激光脉冲加工等微纳制造方法并不能直接制备出柔性薄膜以适应各种复杂曲面。kang等通过硅基光刻和干法刻蚀工艺制备出蘑菇状凹角微结构模板，使用pdms软复制工艺成功制备柔性表面，但由于模板的倒t型内凹结构使得脱模转移较为困难，微结构冠状部分易受损伤。因此，需要新的工艺方法来完成柔性凹角微结构阵列的复型转移制备。

技术实现思路

1、为了克服上述加工方法难以加制备出性微结构以适应曲面表面或柔性微结构难以成功复型脱模转移的不足，提出本发明。

2、本发明的技术方案是：一种柔性凹角疏水微结构阵列的复型转移制备方法，包括如下步骤：

3、步骤1：加工得到凹角微结构阵列的硅模板；

4、步骤2：硅模板氟化或钝化处理；

5、步骤3：配置pdms混合液。将pdms预聚体和固化剂按照一定质量配比并完全混合；

6、步骤4：抽真空处理。将配制好的pdms混合液放入真空干燥箱对pdms溶液进行抽真空处理，直至气泡完全消失后取出；

7、步骤5：浇注pdms混合液。将pdms混合液浇注铺满整个硅片模板表面；

8、步骤6：二次抽真空处理。将完成浇注的模具迅速地放入真空干燥箱中，通过抽真空处理，使凹槽里面的气泡向上漂浮直至完全消失；

9、步骤7：采用“软刀硬模”的刮平方式刮去表面多余的pdms。用无水乙醇和丙酮清洗pet刮刀，并使刮刀在行进方向上与刮平平面的夹角保持在60°～80°，施加作用力5n～10n；

10、步骤8：pet转移层表面改性。选取pet薄膜作为转移层。用丙酮和无水乙醇清洗pet薄膜，之后用di水淋洗以除去表面杂质与污染物，低温干燥后备用；将清洗干燥后的pet薄膜放入等离子体清洗机，对反应腔室抽真空并通入氧气，调节工作压力，启动射频电源进行辉光放电；

11、步骤9：结构层高温固化。将改性后的pet转移层与硅片模板相贴，在pet转移层上放置一块裁剪好的无尘纸后盖上石英玻璃盖板，利用双向平口钳夹紧石英玻璃板两端，送入恒温干燥箱进行高温固化；

12、步骤10：微结构层脱模。双向平口钳冷却结束后，移开石英玻璃板及无尘纸，将pdms转移层从硅片模板一侧缓慢剥离至另一侧，成功将微结构层转移出硅片模板，至此完成柔性微结构的脱模；

13、步骤11：基底层的制备。将pdms预聚体及固化剂混合均匀，重复3、4两步后，将此时的pdms溶液浇注到模具中，再放入真空干燥箱内进行二次抽真空，如步骤6。抽真空结束后取出，将模具放入恒温干燥箱中进行加热，对pdms进行高温固化处理。

14、步骤12：基底层及微结构层的电晕改性。将电晕放电仪的放电电极的一端近距离对准微结构层及基底层，保持距离在放电电极的工作范围内，通过电晕放电电极所产生的紫色电晕分别对pdms微结构层和pdms基底层进行改性处理。在放电前，沿微结构层边缘将pet转移层三边无结构区域进行裁剪，仅留一边无结构区方便镊子夹取。

15、步骤13：微结构层的转移。电晕处理结束后，迅速将微结构层的底部与pdms基底层表面充分贴合在一起后转移二者至贴有无尘纸的石英玻璃板表面，在pet薄膜上方放置一片硅片，将整体放入恒温干燥箱内，保温结束后将其从恒温箱中取出，待冷却至室温后移除pet转移层，至此完成微结构的转移。

16、本发明的有益效果分析如下：

17、(1)基于“软刀硬模”完成柔性微结构的变形控制。微结构硅片模板上的结构为单个独立的双层方形微柱结构，硅片表面呈连续式网络状沟槽。传统硬质平口刀在进行刮平操作受压向下并向前平移时，刀刃容易嵌入硅片模板的沟槽中并与某一列硅片微柱发生碰撞，造成硅片模板微结构破损，因此平口刀的施压方式受到限制。若为避免平口刀对硅片微结构的损伤而将平口刀适当上移或减小向下的施压力度，则硅片模板与平口刀刀刃之间无法保证无缝隙贴合，导致硅片模板表面始终残留较厚的pdms多余层。本文基于“软硬结合”的思想对刮平工艺进行改进，即将软质可变形刮平工具与硬质模具相结合，可变形的刮平工具在触碰到方形微柱时会产生弯曲或变形，并在外部施力及自身弹力的作用下，在平缓前移的过程中刀刃与硅片模板紧密相贴，极大地减小了刮平工具与硅模板之间的缝隙。可变形刮平工具保证了多余pdms层的刮平效率，且由于刮平工具质地相对硅片微结构较软，不会对硅片模板的微结构造成损伤及破坏。在保证硅片表面多余pdms层的移除效率、减小硅片模板微结构受损的前提下，微结构成功复型，极大减少了结构变形。

18、(2)基于异质材料改性完成柔性微结构的破裂控制。以pdms材料作为转移层进行结构层的复型转移时，发现与同为pdms的结构层之间会产生明显的分子扩散效应，微结构层与转移层同质材料之间形成交织过渡层，最终在脱模转移得到的结构层表面有着不同程度的结构破裂。由此可得避免微结构破裂的关键在于削弱微转移层与结构层之间的分子扩散进而减小交织过渡层的厚度。因此选择异质材料pet薄膜作为转移层，并从分子吸附和机械互锁的角度对pet薄膜进行表面改性以增强粘附力：若能提升pet薄膜表面的氮氧元素含量，即可大幅度增强pet表面的极性，而pet薄膜表面极性的增强则会使得pet转移层与结构层之间产生足够大的化学结合力，进而提升粘合界面的粘附性能；在机械互锁方面：表面粗糙度对于接触角的影响，其结果以90°为界。接触角大于90°疏水表面的，表面越粗糙越疏水；接触角小于90°的亲水表面，表面越粗糙越亲水。因此若pet薄膜与结构层之间有着良好的润湿状态，则pet薄膜的表面越粗糙，粘合界面的接触面积就越大，生成的机械合力也会更大，粘合界面的粘附性能则会更优良。因此，利用氧等离子体清洗机对pet薄膜进行表面改性，增大表面极性，改善表面润湿状态，实现pet转移层的粘附控制，完成仿跳虫柔性微结构层的脱模转移，极大减少了结构破裂。

19、(3)在基底层及微结构层的电晕改性过程中，为保证微结构层能够全部成功脱模，pet转移层的表面积需大于划片后的硅片模板的表面积。但在对结构层及基底层进行电晕放电时，电晕放电仪电极产生的紫色辉光会影响到非结构区的pet转移层。在结构层与基底层贴合后，被电晕影响到的非结构区pet会与pdms基底发生粘连，保温结束移除转移层时造成t形结构层的形貌破坏。因此在对结构层进行电晕改性前，沿微结构层边缘将pet转移层三边无结构区域进行裁剪，仅留有一边无结构区域方便镊子夹持，并在改性后将微结构层边缘与基底层边缘对准贴合，避免pet薄膜与基底层的接触。

20、(4)在微结构层转移过程中，由于t形结构层结构高度仅有40um，为保证结构层与基底层充分贴合，使用双向平口钳将二者夹紧，但容易发生因平口钳施压大于t形结构自身强度导致结构坍塌。因此本文将微结构层与基底层贴合后，在pet薄膜上方放置一片硅片，以硅片自重抵消pet薄膜及结构层自身弹力，避免pet薄膜与基底层因自身弹性变形导致二者之间产生空隙使得接触不充分，导致结构转移失败。