基于零维纳米材料的仿生黏附垫用材料制造技术

本发明专利技术提供一种基于零维纳米材料的仿生黏附垫用材料，其特征在于：零维纳米结构单元镶嵌在设有支持层的柱体结构中，其中，柱体结构成阵列排列在支持层上，零维纳米结构单元从柱体结构的底端到顶端密度逐渐增加，零维纳米结构单元为零维纳米材料或零维纳米材料被刻蚀后形成的零维纳米孔状结构，零维纳米材料与柱体结构存在特殊相互作用。本发明专利技术中，呈梯度分布的纳米结构单元的存在，有助于增大柱体结构与表面的接触，并且减小脱黏时的应力集中，进而提高材料黏附力和摩擦力，同时也增加了强度和耐磨损性能，经过多次重复测试试验后，黏附力基本保持不变，在胶黏剂、生物医学以及攀爬机器人等方面有着潜在的应用价值。

Bionic adhesive pad materials based on zero dimensional nano materials

【技术实现步骤摘要】
基于零维纳米材料的仿生黏附垫用材料
本专利技术属于仿生材料
，具体涉及一种基于零维纳米材料的仿生黏附垫用材料。
技术介绍
纳米材料指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1～100纳米)或由他们作为基本单元构成的材料。纳米材料具有很多其他普通尺度材料所不具有的效应，如如体积效应、表面效应、量子尺寸、量子隧道等，吸引了科学家们的广泛关注和研究。近年来将纳米材料应用到仿生黏附领域成为了一个研究热点。自然界中，许多生物有优异的黏附能力，比如壁虎能够在垂直的墙壁上甚至是倒挂在天花板上爬行。受此启发，壁虎的攀爬粘附能力的研究和模仿近年来一直是研究的热点。研究表明，壁虎的粘附能力主要来自于分子间作用力-范德华力。微结构研究发现，壁虎的脚底部长着成千上万根刚毛，长度约为30～130微米，直径约为5～10微米；每根刚毛上又分枝出400～1000根长度为2～3微米直径为200～300纳米的次级刚毛，这些次级刚毛具有抹刀状末端，能够与接触面产生紧密接触并产生足够大的范德华力，完成脚掌的快速粘附与脱附。许多生物为了提高黏附力，它们的脚掌刚毛通常具有梯度模量结构。如，七星瓢虫脚掌的刚毛在纵向上具有梯度的杨氏模量，从刚毛末端到根部，杨氏模量从10兆帕到104兆帕数量级的增加。壁虎脚掌的刚毛的模量也从根部到末端呈梯度减少。在平滑垫生物如树蛙中，其脚掌的微结构的最外层是硬的角质层，模量为5-15MPa，在角质层结构下是柔软的毛细血管网络结构，从最外层往深部呈模量逐渐减小。因此将纳米材料应用到仿生黏附材料中，设计出一种仿生梯度模量柱状阵列结构黏附垫，能够提高黏附力和摩擦力，能够更好地应用在黏附领域。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于零维纳米材料的仿生黏附垫用材料，能够有效增强黏附和摩擦性能。本专利技术为了实现上述目的，采用了以下方案：本专利技术提供一种基于零维纳米材料的仿生黏附垫用材料，其特征在于：零维纳米结构单元镶嵌在设有支持层的柱体结构中，其中，柱体结构成阵列排列在支持层上，零维纳米结构单元从柱体结构的底端到顶端密度逐渐增加，零维纳米结构单元为零维纳米材料或零维纳米材料被刻蚀后形成的零维纳米孔状结构，零维纳米材料与柱体结构存在特殊相互作用。优选地，本专利技术所涉及的基于零维纳米材料的仿生黏附垫用材料还可以具有这样的特征：零维纳米材料的形状可以为球形、椭球形、饼状、规则多面体形、不规则多面体形中的任一种或几种组合。优选地，本专利技术所涉及的基于零维纳米材料的仿生黏附垫用材料还可以具有这样的特征：形成柱体结构的基体材料可以为橡胶、聚氨酯、聚酰亚胺、聚烯烃、聚乳酸、聚己内酯、水凝胶、气凝胶、油凝胶中的任一种或几种组合；零维纳米材料的材质可以为碳、塑料、橡胶、纤维素、金属、陶瓷中的任一种或几种组合，并且模量比基体材料的模量高。优选地，本专利技术所涉及的基于零维纳米材料的仿生黏附垫用材料还可以具有这样的特征：零维纳米材料可以为一种物质、两种或多种物质组成的核壳结构。优选地，本专利技术所涉及的基于零维纳米材料的仿生黏附垫用材料还可以具有这样的特征：零维纳米材料的分布可以局限在柱体结构的基体内，也可以进一步分布至支持层中。优选地，本专利技术所涉及的基于零维纳米材料的仿生黏附垫用材料还可以具有这样的特征：特殊相互作用为，零维纳米材料与柱体结构之间直接的化学键合作用、连接剂的键合作用、物理键、分子链相互缠绕、结构互锁作用中的任一种或几种作用组合。优选地，本专利技术所涉及的基于零维纳米材料的仿生黏附垫用材料还可以具有这样的特征：柱体结构的基体材料与支持层的材料可以相同或不同，模量可以相同或不同；当柱体结构的基体材料与支持层的材料不同时，柱体结构与支持层之间粘合牢固；柱体结构与支持层可以一次加工或分开加工后再粘合到一起。优选地，本专利技术所涉及的基于零维纳米材料的仿生黏附垫用材料还可以具有这样的特征：支持层为实心结构或多孔结构的任一种或组合，实心结构和多孔结构组合而成的支持层可以是部分空心、部分实心、或者从最外层的实心过渡到柱子根部的空心等。优选地，本专利技术所涉及的基于零维纳米材料的仿生黏附垫用材料还可以具有这样的特征：柱体结构的末端截面形状为圆形、多边形、不规则多边形、抹刀形、蘑菇形或凹坑形中的一种或几种组合。优选地，本专利技术所涉及的基于零维纳米材料的仿生黏附垫用材料还可以具有这样的特征：仿生黏附垫用材料可以在光、热、磁、电、机械力的任一种或几种刺激的作用下动态改变自身模量。专利技术的作用与效果根据本专利技术所提供的基于零维纳米材料的仿生黏附垫用材料，因为零维纳米结构单元镶嵌在设有支持层的柱体结构内，并且零维纳米结构单元在柱体结构的高度方向上密度呈梯度分布(从柱体顶端到底端的零维材料密度逐渐减小)，这种呈梯度分布的纳米结构单元的存在，有助于增大与表面的接触，并且能够有效减小脱黏时的应力集中，进而提高了材料的黏附力和摩擦力，同时也增加了材料的强度和耐磨损性能，经过多次重复测试试验后，黏附力基本保持不变。本专利技术在胶黏剂、生物医学以及攀爬机器人等方面有着潜在的应用价值。附图说明图1是本专利技术实施例一中涉及的基于零维纳米材料的仿生黏附垫用材料的剖视图；图2是本专利技术实施例一中涉及的基于零维纳米材料的仿生黏附垫用材料的SEM图；图3是本专利技术实施例三中涉及的基于零维纳米材料的仿生黏附垫用材料的剖视图；图4是本专利技术实施例四中涉及的基于零维纳米材料的仿生黏附垫用材料的剖视图；图5是本专利技术实施例五中涉及的基于零维纳米材料的仿生黏附垫用材料的剖视图。图中各标号含义为：10-实施例一中仿生黏附垫用材料、11-支持层、12-柱体结构、13-纳米铁颗粒、30-实施例三中仿生黏附垫用材料、33-纳米氯化钠颗粒、40-实施例四中仿生黏附垫用材料、42-实施例四中柱体结构、42a-蘑菇型末端、50-实施例五中仿生黏附垫用材料、53-零维纳米孔状结构。具体实施方式以下参照附图对本专利技术所涉及的基于零维纳米材料的仿生黏附垫用材料作详细阐述。<实施例一>如图1和2所示，本实施例一所提供的基于零维纳米材料的仿生黏附垫用材料10包括支持层11、柱体结构12和纳米铁颗粒13。支持层11为实心结构，材质为硅橡胶。柱体结构12形成在支持层11上，材质为硅橡胶，柱体结构12的横截面形状为圆形，直径为30微米，高度为30微米。如图2所示，多个柱体结构12呈四方阵列堆积在支持层11上，相邻柱体结构12间距为30微米。纳米铁颗粒13直径为200纳米，形状为球形。多个纳米铁颗粒13镶嵌在柱体结构12中，占柱体结构12的体积分数为20％，从柱体结构12的底端到顶端，纳米铁颗粒13的浓度逐渐增加。纳米铁颗粒13为刚性材料，其弹性模量远大于硅橡胶材料，因此，在柱体结构12中纳米铁颗粒13密度越大的部分弹性模量越大，从柱体结构12的底端到顶端弹性模量逐渐增加。采用自制的黏附力测试装置，在5毫牛负载下，使用直径为5毫米的红宝石作为接触探本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于零维纳米材料的仿生黏附垫用材料，其特征在于：/n零维纳米结构单元镶嵌在设有支持层的柱体结构中，/n其中，所述柱体结构成阵列排列在所述支持层上，所述零维纳米结构单元从所述柱体结构的底端到顶端密度逐渐增加，所述零维纳米结构单元为零维纳米材料或零维纳米材料被刻蚀后形成的零维纳米孔状结构，所述零维纳米材料与所述柱体结构存在特殊相互作用。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于零维纳米材料的仿生黏附垫用材料，其特征在于：
零维纳米结构单元镶嵌在设有支持层的柱体结构中，
其中，所述柱体结构成阵列排列在所述支持层上，所述零维纳米结构单元从所述柱体结构的底端到顶端密度逐渐增加，所述零维纳米结构单元为零维纳米材料或零维纳米材料被刻蚀后形成的零维纳米孔状结构，所述零维纳米材料与所述柱体结构存在特殊相互作用。


2.根据权利要求1所述的基于零维纳米材料的仿生黏附垫用材料，其特征在于：
其中，所述零维纳米材料的形状为球形、椭球形、饼状、规则多面体形、不规则多面体形中的任一种或几种组合。


3.根据权利要求1所述的基于零维纳米材料的仿生黏附垫用材料，其特征在于：
其中，形成所述柱体结构的基体材料为橡胶、聚氨酯、聚酰亚胺、聚烯烃、聚乳酸、聚己内酯、水凝胶、气凝胶、油凝胶中的任一种或几种组合；
所述零维纳米材料的材质为碳、塑料、橡胶、纤维素、金属、陶瓷中的任一种或几种组合，并且模量比所述基体材料的模量高。


4.根据权利要求1所述的基于零维纳米材料的仿生黏附垫用材料，其特征在于：
其中，所述零维纳米材料为一种物质、两种或多种物质组成的核壳结构。


5.根据权利要求1所述的基于零维纳米材料的仿生黏附垫用材料，其特征在于：
其中，所述零维纳米材料的分布为局限在所述柱...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛龙建，刘权，孟凡栋，汪鑫，谭迪，史哲坤，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42