[发明专利]一种基于4D打印和纳米压印制造微纳复合结构的方法

说明书

技术领域

本发明属于微纳制造和增材制造技术领域，尤其涉及一种基于4D打印和纳米压印制造微纳复合结构的方法。

背景技术

微纳复合结构是自然界非常重要的功能结构(如荷叶的超疏水、壁虎的强吸附、蛾眼优良的减反射和增透特性等)，具有非常广泛的用途。例如，荷叶结构具有优良的超疏水、自清洁性能。“荷叶效应”主要源于荷叶表面的微纳复合结构，即荷叶的表面附着无数个微米级的蜡质乳突结构(平均直径5-9微米)，在每个微米级乳突的表面分布有许多直径120纳米的绒毛状结构。荷叶表面特殊的微纳复合结构和低表面能的蜡质物使的荷叶具有优良的超疏水和自清洁性能。利用“荷叶效应”，在纺织、材料、建筑、玻璃等领域得到广泛应用。壁虎脚掌结构是由微米级刚毛与纳米级域毛组成的微纳复合结构，即壁虎的每个脚掌大约有50万根刚毛，长度30-130μm，直径5-10μm；每根刚毛顶部有400-1000根绒毛，长度2-50μm，直径100-200nm；这种微纳复合结构是保证壁虎既能产生巨大粘附力又能适应不同表面形貌的关键。壁虎脚掌微纳复合结构在MEMS器件中以及一些爬壁机器人等领域有着非常广阔的应用。硅基太阳能光伏电池中，在硅基表面制备一层蛾眼结构，可将反射损失由33％降低到3％以下，极大的提高电池的光能利用率，而且还具有自清洁的功能。此外，在高清晰平板显示、电视、手机等领域引入具有蛾眼结构的功能薄膜和涂层可以实现高清显示，夏普公司已经开发出高清蛾眼电视。

尽管微纳复合结构具有巨大广阔的工业化应用前景，然而当前面临的挑战性难题是如何实现微纳结构的低成本、批量化制造，尤其是高效、低成本规模化可控制造大面积微纳复合结构一直是国内外产业界和学术界亟待突破的技术难题，严重影响和制约微纳复合结构的广泛商业化应用。近年，尽管国内外学者和研究人员已经提出了多种制造微纳复合结构的方法和策略，诸如光学光刻、刻蚀、自组装、电子束光刻、聚焦离子束、激光干涉光刻、软光刻、纳米压印等，但是它们都存在某些方面的局限和不足(例如图形化面积、效率、成本、一致性、精度、可重复性等)，现有的工艺和解决方案目前还难以满足工业化生产应用的要求。

因此，如何低成本、大规模可重复性的制造大面积微纳复合结构是当前亟待突破的国际化技术难题。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于4D打印和纳米压印制造微纳复合结构的方法，本方法采用“自上而下”和“自下而上”相结合的微纳制造复合工艺，结合了纳米压印、增材制造、电喷印、自组装等技术的优势，实现了大面积微纳复合结构的高效、低成本规模化制造，具有可控性、可重复性和一致性好、精度高的显著特点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于4D打印和纳米压印制造微纳复合结构的方法，包括以下步骤：

(1)采用纳米压印工艺将模具上的微结构转移复制到压印材料上，制造出微结构；

(2)使用电喷印在微结构上选择性打印沉积自组装材料；

(3)使自组装材料发生微相分离，自组装出纳结构；

(4)将纳结构转移复制到目标材料上。

所述步骤(1)的具体方法包括：

(1-1)在基底上涂铺一层液态压印材料；

(1-2)采用软UV纳米压印工艺、滚型纳米压印工艺或热纳米压印工艺，将模具上的微结构转移复制到压印材料上；

(1-3)去除残留层，在压印材料上制造出微结构。

所述步骤(1-1)中，所述基底为非导电材料或导电材料，当所述基底为导电材料时，需要在其上先沉积一层介电材料。

所述步骤(1-1)中，所述压印材料为UV固化导电液态聚合物或具有导电特性的热压印材料。

所述步骤(1-2)中，所述微结构为凸台结构，所述凸台结构包括但不限于圆柱、圆台、方形凸台、六角形凸台和梯形凸台。

所述步骤(2)中，具体方法包括：

(2-1)将具有微结构的基底置于电喷印工作台之上；

(2-2)以自组装材料为打印材料，利用电喷印工艺在基底微结构上选择性喷印沉积一层自组装材料；由于基底为非导电材料，压印的微结构具有导电性，电喷印喷射的自组装材料会定向有选择性的沉积到微结构上，在其它区域不会沉积自组装材料。

所述自组装材料包括两嵌段共聚物、三嵌段共聚物或四嵌段共聚物材料，当采用两嵌段共聚物PS-b-PMMA时，所述两嵌段共聚物PS-b-PMMA体积分数f为0.6-0.8，沉积厚度为100-600nm。