[发明专利]一种弹性基体材料表面柔性二维褶皱结构的构筑方法

说明书

一种弹性基体材料表面柔性二维褶皱结构的构筑方法，本发明涉及一种弹性基体材料表面柔性二维褶皱结构的构筑方法。本发明的目的是为了解决现有技术难以在弹性基体上制备出柔性二维褶皱结构、表面层厚度可调节范围窄的问题，本发明方法为：(1)基体材料的预清洁；(2)在基体材料表面沉积表面层或通过重离子、电子或质子辐照形成表面层；(3)将具有表面层的基体进行热处理后冷却至室温。本发明操作温度始终高于基体材料玻璃转化点温度，在弹性基体材料表面构筑出柔性二维褶皱结构。可通过控制沉积表面层厚度、辐照能量、通量、注量、热处理温度和时间实现对褶皱波长和振幅的调控。本发明应用于表面微、纳结构的构筑领域。

技术领域

本发明涉及一种弹性基体材料表面柔性二维褶皱结构的构筑方法。

背景技术

表面起皱现象在自然界中广泛存在，在材料表面可调控构筑微、纳褶皱结构是纳米科技和表面工程领域的重要研究方向。褶皱结构在光学调控、传感器、探测器、微电子机械系统、微纳机器人、表面增强拉曼散射、荧光增强效应、超浸润、防雾除冰、表面防尘等领域具有重要理论研究意义和工程应用价值。

目前构筑褶皱的主要手段包括：(1)在热塑性基体(如聚苯乙烯热缩膜、PET热缩膜)表面沉积一层表面层或者通过等离子体、激光、紫外/O₃辐照、聚焦离子束对基体进行处理形成表面层，然后将基体加热至其玻璃转化点(T_g)温度以上受热收缩出褶皱结构。该方法采用的基体在常温以及工作温度时为刚性基体，限制了其在柔性领域的应用。(2)对弹性基体(如PDMS)施加预应变，在应变条件下在基体表面沉积表面层或采用等离子体、激光、紫外/O₃辐照、聚焦离子束对基体进行处理形成表面层，然后缓慢释放应力在弹性基体表面形成褶皱结构。该方案通常采用单轴拉伸进行应变的施加和回复，操作复杂且难以进行双轴应变的施加和回复，在弹性基体上构筑出二维褶皱结构操作较为复杂。且上述两种方案都存在表面层厚度可调控范围较窄的问题，因此开发出能够在弹性基体上可调控构筑柔性二维褶皱结构的制备方案具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有在弹性基体上制备出柔性二维褶皱结构的方法复杂、构筑的表面层厚度可调节范围窄的问题，提供了一种弹性基体材料表面柔性二维褶皱结构的构筑方法。

本发明一种弹性基体材料表面柔性二维褶皱结构的构筑方法，按以下步骤进行：

一、基体材料的预清洁：将弹性基体材料进行超声洗涤，然后用高纯氮气吹干，得到清洁后的基体；

二、在清洁后的基体表面构建表面层：在清洁后的基体材料表面沉积一层表面层，或者将清洁后的基体材料用重离子、电子或质子进行辐照处理，使基体表面形成表面层；

三、将具有表面层的基体进行热处理：将具有表面层的基体材料加热，然后冷却至室温构筑出柔性二维褶皱结构，即完成。

本发明通过在弹性基体表面沉积表面层或通过重离子辐照、质子辐照、电子辐照使弹性基体表面形成表面层，然后利用加热炉加热到100℃至基体熔化点之间温度或电子束辐照热加热后冷却至室温(操作温度和使用温度始终远高于弹性基体玻璃转化点温度)，表面层和弹性基体材料间由于热应力失配从而构筑出柔性二维褶皱结构。可通过控制辐照能量、通量、注量、热处理温度、时间实现对褶皱波长和振幅的精确调控，辐照产生的表面层厚度从纳米级至毫米级可调，有效拓宽了表面层厚度的调节范围。通过沉积或辐照以及热处理的方法即可在弹性材料上构筑褶皱结构，该方法适用于大面积、低成本、可控地构筑柔性二维褶皱结构，解决了在弹性基体上构筑柔性二维褶皱结构方法复杂、表面层厚度可调节范围窄的问题。可应用于光学调控、传感器、探测器、微电子机械系统、微纳机器人、表面增强拉曼散射、荧光增强效应、超浸润、防雾除冰、表面防尘等领域。

附图说明

图1是实例1中在盖片胶表面沉积Au层后在马弗炉中热处理构筑柔性二维褶皱结构的SEM图；