一种预应变辅助的褶皱形式微纳结构制造装置及方法

1.本发明涉及微纳结构制造技术领域，具体涉及一种预应变辅助的褶皱形式微纳结构制造装置及方法。


背景技术：

2.这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
3.褶皱结构是一种特殊的正弦状微纳结构，对于硬质薄膜-柔软基底系统，当内部应力积累，表面失稳产生褶皱图案。在柔性电子器件、仿生功能表面、材料性质表征等方面有巨大的潜在应用价值。调控其制造工艺能够有效的促进其应用和发展。
4.通过机械拉伸对基底施加预应变是构建褶皱结构的有效方法。对柔软基底施加应变，通过蒸镀、涂布、自组装等方法在基底表面附着一层硬质薄膜，当应变释放后，由于模量不匹配，形成褶皱状微纳结构。现有薄膜-柔软基底系统的制备中，一般是采用拉伸设备对基底施加预应力，然后将整个拉伸设备移入到镀膜设备中，操作复杂，效率低，而且镀膜设备会对拉伸设备的工作产生影响，因此目前并不存在一种能够连续性自动进行基底拉伸施加预应力然后自动镀膜的设备，制约了褶皱结构的发展和应用。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供了一种预应变辅助的微纳结构制造装置，工作效率高，实现了预应力施加和镀膜的连续进行，推动了褶皱结构的发展和应用。
6.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案
7.本发明的实施例提供了一种预应变辅助的褶皱形式微纳结构制造装置，包括：
8.应变施加机构，应变施加机构用于设置样品的空间下方设有移印台，移印台与第一升降部件连接；
9.刮涂机构，包括刮涂平台和刮刀，刮涂平台设置在应变施加机构一侧，刮刀与安装在刮涂平台的第一直线驱动部件连接以实现直线往复运动；
10.移印机构，包括设置在应变施加机构和刮涂机构上方的移印头，移印头通过第二升降部件与第二直线驱动部件连接以实现将刮涂平台上的镀膜材料移印至应变施加机构固定的样品表面。
11.可选的，所述应变施加机构包括多个沿圆周分布的应变施加组件，多个应变施加组件均与圆弧型导轨滑动连接，应变施加组件包括丝杠传动机构，丝杠传动机构与固定块连接，固定块固定有样品夹持部件。
12.可选的，刮刀与第三升降部件连接，第三升降部件与刮刀滑块连接，刮刀滑块与刮涂导轨滑动连接，刮涂导轨通过支撑座与刮涂平台固定，刮涂滑块与第一直线驱动部件连接。
13.可选的，第三升降部件设置多个，多个第三升降部件的升降部分均与刮刀连接。
14.可选的，第三升降部件采用微分头。
15.可选的，第二升降部件与移印滑台固定连接，移印滑台与移印导轨滑动连接，移印导轨固定于机架，移印滑台与固定于机架的第二直线驱动部件连接。
16.可选的，第一直线驱动部件和第二直线驱动部件的输出运动方向相互垂直。
17.可选的，还包括紫外光源，紫外光源移印机构一侧，且与光源导轨滑动连接，光源导轨的布置方向与第二直线驱动部件的输出运动方向相同。
18.第二方面，本发明的实施例提供了一种预应变辅助的褶皱形式微纳结构制造装置的工作方法，包括以下步骤：
19.利用应变施加机构固定柔性材料制成的样品，并对样品施加设定的预应力，移印台在第一升降部件的作用下起升直至与样品底面接触；
20.在刮涂平台上加入镀膜材料，第一直线驱动部件工作，将镀膜材料刮平至设定厚度；
21.第二直线驱动部件工作，将移印头移动至刮涂平台上方，第二升降部件工作，移印头下降，吸附刮涂平台上的镀膜材料，吸附完成后第二升降部件将以移印头提升，第二直线驱动部件工作，将移印头移动至样品上方，第二升降部件工作，移印头与样品接触，将镀膜材料印刷在样品表面；
22.带镀膜材料固化后，移印台远离样品，应变施加机构释放样品应变。
23.可选的，所述镀膜材料采用树脂类材料。
24.本发明的有益效果：
25.1.本发明的制造装置，具有移印头，移印头通过第二升降部件与第一升降部件连接，能够将刮涂平台上的镀膜材料移印至应力施加机构的样品表面，应力施加机构能够对样品施加设定的应力，从而实现了样品施加应力和镀膜的连续化进行，无需对设备进行转移，只需要一套设备即可完成两项工序，操作简单，方便，工作效率高，能够保证褶皱结构的快速顺畅制造。
26.2.本发明的制造装置，具有多个应变施加组件，应变施加组件与圆弧型轨道滑动连接，能够调节应变施加角度，实现了多轴应变施加，而且应变施加组件采用了丝杠传动机构，应变的大小和施加速度能够全程精准调控，有效提升了微结构成形的可控性。
27.3.本发明的制造装置，刮刀与微分头连接，能够实现镀膜材料的厚度的精准调控，降低了制备的薄膜的厚度，降低了微结构的尺度。
28.4.本发明的制造装置，具有紫外灯源，且紫外灯源能够移动，能够实现镀膜材料不同的固化程度，加快了薄膜的制备，提升薄膜的性能。
附图说明
29.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的限定。
30.图1为本发明实施例1整体结构轴测图；
31.图2为本发明实施例1整体结构主视图；
32.图3为本发明实施例1应变施加机构俯视图；
33.图4为本发明实施例1刮涂机构侧视图；
34.图5为本发明实施例1移印机构主视图；
35.图6为本发明实施例2制作出的褶皱形式微纳结构图；
36.图7为本发明实施例7制作出的褶皱形式微纳结构图；
37.其中，1.机架，2.应变施加机构，3.刮涂机构，4.移印机构，5.紫外光源，6.图案化模板；
38.2-1.第一圆弧型导轨，2-2.第二圆弧型导轨，2-3.底座，2-4.电机，2-5.丝杠，2-6.丝杠滑块，2-7.固定块，2-8.固定夹，2-9.移印台；
39.3-1.刮涂平台，3-2.刮刀，3-3.微分头，3-4.刮刀滑块，3-5.刮涂导轨，3-6.支撑座，3-7.同步带传动机构；
40.4-1.移印头，4-2.升降气缸，4-3.移印滑台，4-4.移印导轨，4-5.气缸。
具体实施方式
41.实施例1
42.本实施例提供了一种预应变辅助的褶皱形式微纳结构制造装置，如图1-图2所示，包括机架1，机架内固定有应变施加机构2、刮涂机构3、移印机构4、紫外光源5等部件，机架1作为其他部件的承载部件。
43.如图3所示，所述应变施加机构2用于对样品施加预应变，包括多个沿圆周分布的应变施加组件，多个应变施加组件均与圆弧型导轨滑动连接，应变施加组件包括丝杠传动机构，丝杠传动机构与固定块连接，固定块固定有样品夹持部件。
44.本实施例中，设置四个应变施加组件，其中两个应变施加组件与第一圆弧型轨道2-1滑动连接，另外两个应变施加组件与第二圆弧型轨道2-2滑动连接。
45.第一圆弧型轨道2-1和第二圆弧型轨道2-2的轨迹线位于同一个圆周上。
46.通过设置四个应变施加组件，能够进行双轴应变的施加。
47.应变施加组件包括底座2-3，底座2-3与圆弧型轨道滑动连接，且底座2-3与圆弧型轨道之间设置有锁紧件，锁紧件采用锁紧螺栓，锁紧螺栓能够将底座与圆弧型轨道锁紧固定。
48.底座2-3上安装有丝杠传动机构，丝杠传动机构包括电机2-4，电机2-4采用步进电机，电机2-4固定在底座2-3上，电机2-4的输出轴与丝杠2-5连接，丝杠2-5通过轴承座与底座2-3转动连接，丝杠2-5上连接有丝杠滑块2-6，丝杠滑块2-6与底座2-3滑动连接，电机2-4能够带动丝杠2-5转动，进而带动丝杠滑块2-6沿丝杠2-5的轴线方向做直线运动。
49.丝杠滑块2-6上固定有固定块2-7，固定块2-7的端部固定有样品夹持部件，本实施例中样品夹持部件采用现有的固定夹2-8即可，用于夹住样本。
50.丝杠滑块2-6沿丝杠轴线方向运动，能够带动固定块2-7和固定夹2-8做直线运动，进而对样本施加预应变。
51.本实施例中，将锁紧螺栓松开，能够调节应变施加组件在圆弧型导轨的位置，进而实现应变施加角度的调节。
52.四个应变施加组件之间区域即用于设置样品的区域的正下方设置有移印台2-9，移印台2-9与第一升降部件连接，第一升降部件能够带动移印台做竖向的升降运动。
53.具体的，移印台2-9与四个应变施加组件所在圆周同轴设置，第一升降部件采用丝杠升降机构，包括升降丝杠，升降丝杠与机架1的底部部分螺纹连接，升降丝杠的顶端与移
印台2-9固定连接，升降丝杠的底端设有手柄，工作人员转动手柄，能够带动升降丝杠做竖向升降运动，进而带动移印台2-9做竖向升降运动。
54.应变施加机构2的一侧设置有刮涂机构3，如图4所示，刮涂机构3包括刮涂平台3-1和刮刀3-2，刮涂平台3-1设置在应变施加机构2一侧并固定在机架1上，刮刀3-2与安装在刮涂平台3-1的第一直线驱动部件连接以实现直线往复运动。
55.具体的，刮刀3-2与第三升降部件连接，第三升降部件设置多个，本实施例中，第三升降部件设置两个，两个第三升降部件分别连接至刮刀的两个端部。
56.本实施例中，第三升降部件采用微分头3-3，微分头3-3的升降部分与刮刀3-2连接，能够带动刮刀做精准的升降运动。
57.微分头3-3与刮刀滑块3-4固定，刮刀滑块3-4与刮涂导轨3-5滑动连接，刮涂导轨3-5的两个端部分别与支撑座3-6固定，支撑座3-6与刮涂平台3-1固定。
58.本实施例中，第一直线驱动部件采用固定于刮涂平台3-1内部的同步带传动机构3-7，同步带传动机构采用现有机构即可，包括主动带轮、从动带轮和绕接在主动带轮和从动带轮之间的同步带，主动带轮与电机连接，由电机驱动其转动，采用同步带传动机构，刮涂行程较长，能够有效对镀膜材料进行刮涂，刮刀滑块3-4采用u型结构，其两个端部通过设置在刮涂平台3-1的滑槽伸入刮涂平台3-1内部并与同步带传动机构3-7的同步带固定连接，利用同步带带动其沿刮涂导轨3-5运动。
59.同步带的输出运动方向为水平面内的第一方向，即同步带能够带动刮刀3-2沿第一方向做直线的往复运动，对刮涂平台3-1上的镀膜材料进行刮涂。
60.由于通过微分头3-3能够调节刮刀3-2与刮涂平台3-1之间的距离，因此，能够实现镀膜材料的厚度的精准调控，降低了制备的薄膜的厚度，降低了微结构的尺度。
61.刮涂机构3及应变施加机构2的上方设置有移印机构4，如图5所示，移印机构包括移印头4-1，移印头4-1通过第二升降部件与第二直线驱动部件连接。移印头采用硅胶材料，具有弹性，硬度较软以印刷细小的图案，移印头采用圆锥型结构，尖端朝下设置。
62.具体的，所述第二升降部件采用升降气缸4-2，升降气缸4-2的缸体与移印滑台4-3固定连接，移印滑台4-3与移印导轨4-4滑动连接，能够沿移印导轨4-4滑动，移印导轨4-4的两端固定于机架1上。
63.所述第二直线驱动部件采用气缸4-5，气缸4-5的缸体固定于机架1，气缸4-5的活塞杆与移印滑台4-3固定，能够带动移印滑台4-3沿移印导轨4-4运动。
64.气缸4-5的输出运动方向为水平面内的第二方向，第二方向与第一方向垂直，即气缸4-5能够带动移印头4-1沿第二方向做直线的往复运动。
65.气缸4-5能够带动移印头4-1运动至刮涂平台3-1的正上方，升降气缸4-2带动移印头4-1下降，使得移印头4-1与刮涂平台3-1上的镀膜材料接触，能够对镀膜材料进行吸附，吸附完成后，升降气缸4-2带动移印头4-1上升，然后气缸4-5带动移印头4-1移动至应变施加机构2所固定的样品的正上方，升降气缸4-2带动移印头4-1下降至与样品接触，能够将镀膜材料印刷到样品表面。
66.本实施例的制造装置还包括紫外光源5，紫外光源采用紫外线灯，紫外线灯设置在移印机构的一侧，与光源导轨滑动连接，光源导轨与移印导轨平行设置，光源导轨的两个端部固定于机架1上。
67.紫外线灯用于对镀膜材料进行固化，紫外线灯能够沿光源导轨移动，能够实现镀膜材料不同的固化程度，加快了薄膜的制备，提升薄膜的性能。
68.本实施例中，步进电机、同步带传动机构3-7、气缸4-5及升降气缸4-2等部件均与控制系统连接，接收控制系统的指令进行工作。
69.实施例2
70.本实施例提供了一种实施例1所述的预应变辅助的褶皱形式微纳结构制造装置的工作方法，包括以下步骤：
71.步骤1：在刮涂平台3-1上固定图案化模板6，本实施例中，图案化模板6通过压板压紧在刮涂平台3-1上，压板通过螺栓与刮涂平台3-1固定，调整微分头3-3，使得刮刀3-2与刮涂平台3-1之间的距离达到设定值。
72.步骤2：调节步进电机，使得固定夹2-8至设定位置，并夹持固定样品，样品为平面结构样品。
73.步骤3：打开步进电机的开关，丝杠滑块2-6通过固定块2-7带动固定夹2-8沿直线运动，直至给样品施加所需要的预应变；转动升降丝杠，直至移印台2-9接触到样品的底面。
74.步骤4：在刮涂平台3-1上加入镀膜材料，镀膜材料采用树脂类材料，本实施例中的镀膜材料采用光固化树脂，控制系统控制同步带传动机构3-7工作，刮刀3-2工作，将镀膜材料刮涂至目标厚度；
75.步骤5：气缸4-5配合升降气缸4-2工作，移印头4-1下降至刮涂平台3-1，并吸附镀膜材料后升起，然后气缸4-5工作，移印头4-1沿移印导轨4-4移动至样品正上方，随后在升降气缸4-2的作用下下降，将镀膜材料印刷在样品表面；
76.步骤6：调节紫外线灯的位置，打开紫外线灯，使得镀膜材料固化。
77.步骤7：升降丝杠工作，使得移印台远离样品，步进电机工作，带动固定夹2-8反向运动，按照设定的速度缓慢释放样品的应变。
78.制作出的褶皱形式的微纳结构如图6所示。
79.本实施例中，施加应变10％，四个应变施加组件形成的两个应变方向夹角为90
°
，即双轴应变夹角为90
°
，刮涂厚度为10um，释放应变的速度为1mm/min。
80.实施例3：
81.与实施例2相比，区别仅在于施加应变为15％，步进电机工作至对样品施加所需要的应变。
82.实施例4：
83.与实施例2相比，区别仅在于两个应变方向的夹角为45
°
，调整四个应变施加组件至设定角度。
84.实施例5：
85.与实施例2相比，区别仅在于刮涂镀膜材料的厚度为15um，旋转微分头，调整刮刀至所需要的高度。
86.实施例6：
87.与实施例2相比，区别仅在于释放应变的速度为2mm/min，调整步进电机，达到所需要的释放应变速度。
88.实施例7：
89.与实施例1相比，区别仅在于样品为曲面型结构，调节升降气缸4-2，使得曲面结构的样品充分印刷镀膜材料，制作出的褶皱形式的微纳结构如图7所示。
90.实施例8：
91.与实施例1相比，不同之处在于移印不同图案的镀膜材料，在刮涂平台上更好不同的图案化模板，调整刮刀高度至所需要的高度。
92.采用本实施例的制造装置，移印头4-1通过第二升降部件与第一升降部件连接，能够将刮涂平台上的镀膜材料移印至应力施加机构的样品表面，应力施加机构能够对样品施加设定的应力，从而实现了样品施加应力和镀膜的连续化进行，无需对设备进行转移，只需要一套设备即可完成两项工序，操作简单，方便，工作效率高，能够保证褶皱结构的快速顺畅制造。
93.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。