具有末端膨大的微結(jié)構(gòu)陣列，由于其“強(qiáng)黏附、易脫附”的特性，可用于易損、易脆等物體的無(wú)損固定與搬運(yùn)，具有良好的應(yīng)用前景。在仿生黏附微結(jié)構(gòu)的制造工藝中，相比于硅基模具的易碎性、聚合物軟模具的易變形等缺陷，金屬模具因機(jī)械強(qiáng)度高、導(dǎo)熱率高、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，成為聚合物基材微結(jié)構(gòu)模塑成形技術(shù)的優(yōu)選方案。而具有三維復(fù)雜形貌的微結(jié)構(gòu)金屬模具的精密制造，是高性能仿生黏附結(jié)構(gòu)工程化實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)。

南京航空航天大學(xué)姬科舉課題組提出了一種面立體光刻和電化學(xué)限域生長(zhǎng)相結(jié)合的鎳基模具制造方法，實(shí)現(xiàn)了在兼顧加工效率的基礎(chǔ)上對(duì)微結(jié)構(gòu)模具形貌的精確調(diào)控，結(jié)合卷對(duì)卷輥壓制造技術(shù)，可以支撐末端膨大等典型微結(jié)構(gòu)陣列的工程制造技術(shù)需求。

圖1仿生黏附材料原型及制備工藝流程圖

為了展示面立體光刻和電化學(xué)限域生長(zhǎng)相結(jié)合的制造特點(diǎn)，本文以具有末端膨大微結(jié)構(gòu)特征的仿生黏附結(jié)構(gòu)為目標(biāo)案例，系統(tǒng)介紹了仿生微結(jié)構(gòu)的模具制備流程，以及通過(guò)輥壓制造的仿生黏附結(jié)構(gòu)成型應(yīng)用。如圖1所示，首先在導(dǎo)電化處理的片材上進(jìn)行面立體光刻，獲得光敏樹(shù)脂基材（HTL）的微柱陣列模板，該模板在接下來(lái)的電鑄生成工藝中，充當(dāng)生長(zhǎng)限域邊界，在沒(méi)過(guò)樹(shù)脂微結(jié)構(gòu)頂端之后的電鍍階段，通過(guò)電場(chǎng)和流場(chǎng)的自發(fā)調(diào)節(jié)獲得關(guān)鍵的末端膨大對(duì)應(yīng)金屬模具區(qū)域，通過(guò)溶劑去除樹(shù)脂基母板，獲得具有末端膨大對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的通孔陣列鎳基模具。通過(guò)與卷對(duì)卷輥壓制造工藝的結(jié)合（圖2），可以獲得具有末端膨大微結(jié)構(gòu)特征的仿生黏附材料，為復(fù)雜形貌功能彈性體的研制提供了技術(shù)可行性。

圖2仿生黏附材料制備工藝原理示意圖及實(shí)驗(yàn)圖像

論文主要探討了在電鑄鎳基模具工藝中，復(fù)雜微結(jié)構(gòu)形貌的調(diào)控實(shí)現(xiàn)方法，特別是對(duì)限域生長(zhǎng)末期的過(guò)電鑄環(huán)節(jié)中，鎳層的生長(zhǎng)隨時(shí)間的演化特征進(jìn)行了模擬再現(xiàn)，分析了樹(shù)脂基母版微結(jié)構(gòu)對(duì)于電鑄電場(chǎng)和流暢的雙重影響機(jī)制（圖3），提出了限域生長(zhǎng)與局部自由生長(zhǎng)相結(jié)合的調(diào)控方式，實(shí)現(xiàn)了匹配末端膨大微結(jié)構(gòu)陣列的鎳基模具。

圖3 鎳模具微結(jié)構(gòu)電鑄限域生長(zhǎng)的過(guò)程模擬圖

針對(duì)獲得的鎳基通孔模具，采用卷對(duì)卷輥壓制造方法，獲得了硅橡膠體系的末端膨大仿生黏附材料，接觸力學(xué)測(cè)試展示其法向黏附強(qiáng)度為9.5N/cm²（玻璃表面），媲美自然界壁虎的黏附強(qiáng)度；同時(shí)，末端膨大結(jié)構(gòu)還增強(qiáng)了仿生黏附材料的界面抗擾動(dòng)性，在配備有仿生黏附材料的機(jī)械臂搬運(yùn)玻璃環(huán)節(jié)展現(xiàn)出靈活、高效、穩(wěn)定的工程應(yīng)用特征。

圖4 仿生黏附材料的黏附性能試驗(yàn)及自動(dòng)化搬運(yùn)場(chǎng)景應(yīng)用展示

相關(guān)研究成果以“Manufacturing of Bionic Adhesion Microstructure with Expanded Ends Based on Electroplating in the Restricted Area”為題發(fā)表在ACS Applied Materials Interfaces （DOI:10.1021/acsami.4c11410）上。論文第一作者為南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院碩士研究生李芊芊，論文通訊作者為姬科舉副研究員和戴振東教授，南京航空航天大學(xué)為第一完成單位。本研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（52075249、62233008）、中國(guó)載人航天工程空間醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)工程、天元實(shí)驗(yàn)室基金等項(xiàng)目的資助。