一种球冠状末端凸起直柱阵列的仿生增摩减黏垫

技术领域

本发明涉及高分子材料及其制备技术领域，尤其涉及一种球冠状末端凸起直柱阵列的仿生增摩减黏垫。

背景技术

自然界中有许多生物具有优异的摩擦性能，它们采用各种方法来增强摩擦。这些方法可以分为三种类型：结构适应，分泌机制和行为策略。其中，利用结构来增加摩擦力的生物的显著例子包括壁虎、螽斯、树蛙、蝗虫等。壁虎脚上有微小的毛发状结构，称为刚毛。这些刚毛进一步分支成更小的称为铲状匙突的结构。这些匙突使表面积增加，进而通过范德华力增强了附着力，使壁虎能够爬上垂直表面。螽斯的足垫表面具有六边形阵列，也能通过增加接触面积增加摩擦力。另一方面，树蛙拥有独特的趾垫，趾垫表面由凹凸不平的低模量六边形柱状阵列组成，这种粗糙的凸起结构结合低模量材料的高摩擦特性，帮助其在自然界各种表面完成快速的运动响应。此外，除了依靠低模量软材料来增加摩擦，还涉及与不同接触面之间的机械连接机制。例如，牛蒡叶和苍耳的表面有微小的钩状结构。这些钩与接触面互锁，从而增加了它们之间的摩擦。这些生物拥有增强摩擦的特性，使它们能够更有效地与环境互动。科学家从生物展现出的非凡能力中汲取灵感，深入研究了这些生物增加摩擦的复杂机制。

依靠分子间作用力获得高摩擦力的同时往往会获得较大的法向黏附力。虽然一些生物体，例如需要攀爬垂直表面昆虫，可能受益于强黏附力，但是其他生物体需要低黏附力来确保更有效的运动方式。昆虫弧面脚垫即通过改变剥离起始点来提升脱模效果。这种从边缘剥离的机制，使得生物体能够减小法向黏附力的不利影响，更自由地运动。

目前，学者们已经通过模仿生物设计出了多款增加摩擦力的结构。国际专利WO2007040563A3使用了人造微结构来增强摩擦，该结构包括基底和附着在基板上的多个倾斜纳米纤维。该专利中纳米纤维以剪切方式粘附到接触表面，使得设计结构能够获得较大摩擦力。但其纳米纤维的设计同时也给结构带来了无法承受较大法向载荷和纤维易断裂的弊端。美国专利US20150368838A1涉及了一种改进的用于操纵织物的接触面，该接触面上设置了多个带有圆盘底座的倾斜支柱，使得接触面获得合适摩擦力的同时不易损坏结构和织物。但其倾斜支柱结构的设计也使得结构只在固定方向上具有较好增加摩擦力的作用，无法适用于需要变向使用增加摩擦力的需求。美国专利US10575667B2涉及了一种贴在物品上改善抓握且不影响表面美观的微观结构。该发明由无凸起直柱阵列和基底两部分组合，设计增强了摩擦力，但同时也增强了法向黏附力，无法适用于需要低法向力实现脱附的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种球冠状末端凸起直柱阵列的仿生增摩减黏垫，以满足增摩减黏的产品需求。

为实现上述目的，本发明提供了一种球冠状末端凸起直柱阵列的仿生增摩减黏垫，包括依次固定设置的背部连接层、支撑层、末端凸起直柱阵列，所述末端凸起直柱阵列中的直柱单元末端为球冠状结构。

优选的，所述末端凸起直柱阵列所采用的材料、所述支撑层所采用的材料均为弹性材料。

优选的，所述弹性材料为聚二甲基硅氧烷、硅橡胶、聚氨酯、PVC中的一种。

优选的，所述末端凸起直柱阵列所采用的阵列方式为六方密排排布、圆周等距排布、矩形等距排布中的一种。

优选的，所述末端凸起直柱阵列中直柱单元的截面为圆形、多边形中的一种。

优选的，相邻两个所述直柱单元之间的中心距D为所述直柱单元的内切圆直径的1.2～2倍。

优选的，所述球冠状结构沿中轴线的截面曲线为圆弧线，所述圆弧形的曲率半径ρ的取值范围为所述直柱单元半径r的0.8～8倍。

优选的，所述球冠状结构沿中轴线的截面曲线由至少两个不同曲率半径的圆弧线组成，相邻不同曲率半径的圆弧线圆滑过渡，直柱单元的球冠状结构俯视为同心圆结构；所述圆弧形的曲率半径ρ的取值范围为所述直柱单元半径r的0.8～8倍。

优选的，所述背部连接层为双面胶、机械锁合结构中的一种。

本发明还提供了一种球冠状末端凸起直柱阵列的仿生增摩减黏垫的制作方法，如下所示：

一、制作具有末端凸起的直柱阵列：

步骤一：在玻璃基底上旋涂适量光刻胶，使用掩膜版在光刻机下进行曝光，显影后留下不具备末端凸起直柱阵列；

步骤二：放置玻璃基底于加热板上，热熔光刻胶，使直柱阵列形成末端凸起；

二、制作具有末端凸起直柱阵列仿生材料的金属负模具：

步骤一：将制得的末端凸起直柱阵列进行磁控溅射，在表面镀上一层镍作为导电层，为下一步电镀准备；

步骤二：将镀完导电层的直柱阵列进行电镀，在结构空隙处形成金属层，脱模得到负模具；

三、制作末端凸起的直柱阵列的仿生增摩减黏垫：

浇注高分子预聚体于金属负模具上，固化脱模得到所需材料。

本发明还提供了另一种球冠状末端凸起直柱阵列的仿生增摩减黏垫的制作方法，如下所示：

步骤一、使用3D打印技术，打印具有末端凸起直柱阵列仿生材料的金属负模具；

步骤二、浇注高分子预聚体于金属负模具上，固化脱模得到所需材料。

本发明还提供了另一种球冠状末端凸起直柱阵列的仿生增摩减黏垫的制作方法，如下所示：

步骤一、使用机械加工技术，钻削出具有末端凸起的直柱阵列金属负模具；；

步骤二、浇注高分子预聚体于金属负模具上，固化脱模得到所需材料。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

本发明提供的球冠状末端凸起直柱阵列的仿生增摩减黏垫，能够增加材料与其相互作用表面之间的有效接触面积，进而允许两个表面之间获得更大程度的分子间相互作用；同时，直柱阵列的球冠状末端凸起可以与粗糙表面的不规则凹陷相接触，形成机械互锁；这两种机制都有效保证了材料的增摩性能。仿生增摩垫球冠状末端凸起的设计，使其在受到法向拉力时，形成接触面边缘撕脱的效果，保证了减黏脱附。本发明提供的球冠状末端凸起直柱阵列的仿生增摩减黏垫，与不具有末端凸起的普通黏附材料进行性能对比实验。实验结果表明，本发明制得的增摩减黏垫获得更大的切向摩擦力，更小的法向黏附力。

本发明提供的球冠状末端凸起直柱阵列的仿生增摩减黏垫，可用于医疗保健、机器人和自动化、芯片制备以及传感器等领域，如医疗康复防滑、机器人夹持、硅片搬运和传感器固定等，应用场所广泛，市场前景广阔。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的球冠状末端凸起直柱阵列的仿生增摩减黏垫在晶圆搬运机械臂上的应用；

其中，1为晶圆搬运机械臂末端执行机构，2为背部连接层，3为支撑层，4为末端凸起直柱阵列；

图2为本发明提供的球冠状末端凸起直柱阵列的仿生增摩减黏垫微结构主要的几何参数，图中：r指直柱单元的半径，D指直柱单元之间的间距，ρ指直柱单元末端凸起的曲率半径；

图3为本发明不同表面凸起曲率的SEM和LSCM图；

图4为本发明实施例一中直柱单元的表面圆弧曲率分布；

图5为本发明实施例二中直柱单元的表面圆弧曲率分布；

图6为本发明直柱单元圆柱直径为20μm时不同凸起的曲率值；

图7为本发明直柱单元圆柱直径为20μm时不同凸起的曲率值分别在Ra0.01，Ra0.1，Ra 0.2，Ra 0.4粗糙面上的粘附力和摩擦力测试结果；

图8为本发明与不具有末端凸起的普通黏附垫黏附力在光滑晶圆和粗糙晶圆上测试结果；

图9为本发明与不具有末端凸起的普通黏附垫摩擦系数在光滑晶圆和粗糙晶圆上测试结果；

图10为本发明不同曲率对晶圆搬运释放时晶圆表面振动的影响；

图11为本发明用于中高真空环境下晶圆搬运的仿生增摩减黏垫寿命测试；

图12为本发明应用于中高真空环境下晶圆搬运的仿生增摩减黏垫与背面机械臂执行器的机械固定方式；

其中，5为末端凸起直柱阵列，6为支撑层，61为机械锁合结构，7为机械臂与仿生增摩减黏垫卡合结构配合的部分；

图13为本发明应用于中高真空环境下晶圆搬运的仿生增摩减黏垫另一种与背面机械臂执行器的机械固定方式；

其中，5为末端凸起直柱阵列，6为支撑层，61为机械锁合结构，7为机械臂与仿生增摩减黏垫卡合结构配合的部分。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明提供一种球冠状末端凸起直柱阵列的仿生增摩减黏垫，包括依次固定设置的背部连接层、支撑层、末端凸起直柱阵列，末端凸起直柱阵列中的直柱单元末端为球冠状结构。

进一步的，末端凸起直柱阵列所采用的材料、支撑层所采用的材料均为弹性材料。

进一步的，弹性材料为聚二甲基硅氧烷、硅橡胶、聚氨酯、PVC中的一种。

进一步的，末端凸起直柱阵列所采用的阵列方式为六方密排排布、圆周等距排布、矩形等距排布中的一种。

进一步的，末端凸起直柱阵列中直柱单元的截面为圆形、多边形中的一种。

进一步的，相邻两个直柱单元之间的中心距D为直柱单元的内切圆直径的1.2～2倍。

进一步的，球冠状结构沿中轴线的截面曲线为圆弧线。

进一步的，背部连接层为双面胶、机械锁合结构中的一种，当采用机械锁合结构时，如图12和图13所示，在中间支撑层和卡合结构上可以设置相应的凸出结构，以实现机械锁合的目的。

制作材料为聚二甲基硅氧烷为例，直柱单元横截面为六边形，半径为10μm，高度为10μm，直柱单元呈六方密排排布，圆心距为23μm，直柱单元末端凸起曲率为4874m

使用万能拉伸试验机，进行摩擦与黏附性能测试，测试结果见附图。

由实验数据可知，本实施例获得的球冠状末端凸起直柱阵列的仿生增摩减黏垫可以获得相比于不具备末端凸起的直柱阵列有更好的摩擦性能、更强的减黏性能。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于，球冠状结构沿中轴线的截面曲线由至少两个不同曲率半径的圆弧线组成，相邻不同曲率半径的圆弧线圆滑过渡，直柱单元的球冠状结构俯视为同心圆结构

进一步的，圆弧形的曲率半径ρ的取值范围为直柱单元半径r的0.8～8倍。

使用布鲁克摩擦磨损试验机(UMT)，进行摩擦与黏附性能测试。测试结果见附图。

由实验数据可知，本实施例获得的球冠状末端凸起直柱阵列的仿生增摩减黏垫可以获得相比于不具备末端凸起的直柱阵列有更好的摩擦性能、更强的减黏性能。

本发明提供的球冠状末端凸起直柱阵列的仿生增摩减黏垫，能够利用软材料独特的摩擦学特性，以及表面微结构对摩擦力的促进和黏附力的降低，来满足增摩减黏应用场景的需求。此外，直柱阵列的球冠状末端凸起可以与粗糙表面的不规则凹陷相接触，形成机械互锁。这两种机制都有效保证了仿生增摩减黏垫的增摩性能。增摩减黏垫球冠状末端凸起的设计，使其在受到法向拉力时形成接触面边缘撕脱的效果，同时保证了减黏脱附，在应用于半导体晶圆搬运机械臂末端执行机构时，可以满足晶圆搬运机械手对于晶圆取放时增摩减黏的需求。

以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。