[发明专利]一种减阻表面的制造方法

说明书

技术领域

本发明属于微纳制造技术领域，涉及一种减阻表面的制造方法。

背景技术

在流体中航行体的能源主要被用来克服行进中的阻力，阻力主要包括摩擦阻力和压差阻力等，其中摩擦阻力占主要成分，对于水下航行体如潜艇等可达到80％；对于诸如输油管道这类管道运输，其能量的80％～100％被用来克服流体流经固体表面的摩擦阻力。因此尽量减小表面摩擦阻力是提高航速和节约能源的主要途径。随着微机电的发展，机构尺度越来越小，固液界面中的摩擦阻力相对越来越大，如微流道等的摩擦阻力问题已成为相关器件发展的一个重要的制约因素。

为尽可能减少摩擦，抑制摩擦过程中的粘滑现象和静接触下的粘附现象，各国研究者进行不懈的探索。目前国内外研究主要集中在薄膜润滑和表面形貌设计两方面。

在宏观摩擦学研究中，已经有大量的试验结果表明，可以通过合理的表面形貌修饰和设计来获得良好的摩擦学性能。例如清华大学摩擦学国家重点实验室的温诗铸等人进行了微观摩擦与表面形貌相关性的试验研究，研究表明在硅片上制作出合适的条纹有助于降低摩擦系数，但由于硅片表面是用机械加工的方法经过研磨和抛光加工得到的单一方向的条纹形貌，此形貌在低速低载时会使得摩擦力和载荷不稳定，引起摩擦震动，为需减阻的对象带来新的问题。

在微观摩擦学研究中也已证明，原子尺度的摩擦力与表面微观形貌有密切关系。例如日本东京首都大学机械工程学院的Watanabe等人通过热膜测速技术对直径为6mm到12mm的管道进行了研究，管道内壁分布着10-20μm的微裂纹，研究证明微裂纹的存在对水流有一定的减阻效果，但由于微裂纹的间隔及方向都具有随机性，减阻效果稳定性差。

在关于表面形貌减阻研究中，接触角大小是一个重要影响因素。其中静态接触角大小与减阻效果无关，而动态接触角大小却对减阻效果影响很大。而目前表面形貌减阻研究并没有考虑到动态接触角的影响这一点。本申请正是基于表面形貌结构的形状、尺寸以及排布方式等对动态接触角影响的考虑，通过合理设计和排布微结构的拓扑结构，使得动态接触角较小，并结合表面氟化工艺，来达到较好的减阻效果。

目前国内外有关航行体、运输管道和微机电系统等减阻技术的研究与应用，基本上仍是以机械加工方法为基础，但机械加工方法能加工的材料种类有限。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足之处，提出一种减阻表面的制造方法。该表面能够克服表面摩擦、磨损以及粘附失效；能够显著地降低流体在运输管道和微通道中的沿程压力损失，增大流体的流动速度；能够大大减小燃油的消耗。

本发明所采取的制造方法先采用光学光刻法或者电子束直写制造模版，然后通过紫外压印光刻技术UV-IL及后续刻蚀把图形转移到基片上，最终结合表面氟化工艺在基片上进行减阻表面的制备。紫外压印光刻技术是一种简单方便的二维或三维微纳结构制备方法，且对基底材料选择面广，能够实现低成本批量化生产；氟化工艺可以极大地降低表面的表面能，减小粘附力，两者结合可以得到效果更佳的减阻表面。

为实现上述发明目的，采取的技术解决方案是：在基片硅、工程塑料或者金属材料，即减阻表面上制造出交错排列的微米阵列，阵列中各微柱或凹坑的长、宽为1～130μm，高度为10～150μm，微柱或凹坑之间的间距为2～260μm，表面为氟自组装单分子层。

一种制作减阻表面的制造方法，包括以下步骤：

1)用光学光刻法或电子束直写制备压印模版，在模版上得到预先设计的微结构图案；

2)在基片表面上用匀胶机均匀涂铺一层液态高分子聚合物阻蚀胶，待其自由流平；若要得到与模版具有相同结构的表面，则使用正胶，所述正胶是经光照后变成可溶物质的阻蚀胶；若要得到与模版具有互补结构的表面，则使用负胶，所述负胶是经光照后形成不可溶物质的阻蚀胶；

3)将模版压入阻蚀胶层，通过紫外光曝光使阻蚀胶发生聚合反应或者裂解反应硬化成型；

4)释放压力并将模版脱离基片；

5)对基片进行反应离子刻蚀并除去残留的阻蚀胶，即可得到与模版等比例的图案；

6)在干燥箱中对带有微结构图形的基片表面进行氟化处理，即得到减阻表面。

若只需要单件生产，则可直接使用电子束或者光学光刻法对所需要的基片材料进行加工。