[发明专利]具有微纳米分支结构的碳纳米管基仿生材料及其制备方法

说明书

技术领域：

本发明涉及仿生材料技术，也涉及仿生机器人技术领域，具体涉及一种具有微纳米分支结构的碳纳米管基仿生干性粘附材料及其制备方法。

背景技术：

科技人员经过多年的研究发现，壁虎之所有能够在垂直墙面、天花板以及各种表面上轻松爬行，其原因在于壁虎脚掌上生长了数百万根具有多级结构的刚毛阵列，这些刚毛与物体表面接触产生大约10N/cm²的粘附力。2000年Autumn和Full等人在《Nature》405卷第681页报道了壁虎脚趾上特殊的粘附力主要来自于其脚趾上的刚毛阵列所产生的范德瓦尔斯力的聚积。壁虎脚趾刚毛具有跨尺度的微纳米分支结构:根部的微米尺度的刚毛经过多级分叉最终形成顶端的纳米结构。顶端的纳米结构能够提供更多的接触点，大大提高了壁虎脚趾与目标表面的接触面积；其刚毛直径从顶端往根部逐渐增大到微米尺寸，可以保证刚毛具有足够的弹性和强度，使其在爬行过程中保持直立，防止刚毛在压力下发生弯曲形变不能恢复原状。

根据壁虎脚趾的特性，科技人员力图制备出具有与壁虎脚趾相似粘附能力的仿壁虎干性粘附材料。因为人们预测，将仿壁虎干性粘附材料与机器人技术相结合将有可能实现在不规则地面、墙面以及天花板上行走，到达人类难以到达的区域进行工作，这在航空航天技术、废墟搜救和反恐侦查等领域具有非常大的应用前景。对于仿壁虎干性粘附材料的制备，现有技术中已经有很多报道。总体来说，有两类制备方案。即以微加工手段为基础的自上而下(Top-down)的制备方法和以纳米生长、组装技术为基础的自下而上(Bottom-up)的方法。自上而下制备方法主要以高分子多聚物为基质材料，借助紫外光刻、电子束光刻以及刻蚀等技术手段，用来从基体上直接制备微纳米阵列，或以这些微加工为手段先制造带有直立微纳米孔洞的模板，然后再使用带有直立微纳米孔洞的模板将聚合物复型。如Sitti等在《Langmuir》2007年23卷第3322页报道了通过光刻法制备的光刻胶微米阵列，它们同时报道了将光刻胶模板复型制备的直径8微米的聚氨酯粘附阵列。对于自下而上的方法，目前以碳纳米管生长制备为主，碳纳米管以其杰出的结构特性（极微小的直径-10nm，极大的纵横比）以及超强的机械性能被认为是制备仿壁虎刚毛阵列的理想材料之一。Dai等在《Science》2008年322卷第238页报道的通过化学气相沉积法在Si基底上生长碳纳米管阵列，得到了10倍于壁虎脚的粘附力（约为100N/cm²）。但是在Si基底上的碳纳米管阵列只能适用于非常平整的表面，因此严重影响了它的使用范围。Dhinojwala等在《Chemical Communications》2005年30期第3799页报道了通过将碳纳米管阵列埋入聚甲基丙烯酸甲酯(PolymethylMethacrylate, PMMA)基底中，然后通过化学腐蚀的方法使部分碳纳米管暴露出来，得到柔性的碳纳米管阵列。但是通过化学腐蚀后，碳纳米管容易粘连在一起，将会影响它的黏附性能。Dhinojwala等在美国专利（US 200810280137）中对这种碳纳管/高分子复合材料及其制备方法申请了保护，还提出了另外一种制备方法，即使用未完全固化的高分子材料覆盖在碳纳米管阵列的顶端，使碳纳米管部分埋伏在未固化的膏状高分子材料内，然后将其完全固化形成部分碳纳管暴露的复合材料。由于埋入高分子材料层内的碳纳米管长度在微米量级，在如此小的尺寸范围内控制高分子材料部分而且要求均匀固化非常困难，因此影响了碳纳米管阵列的质量和制备的可控性。同时在此专利中还使用图形化的碳纳米管阵列与高分子材料复合制备由微米尺度碳纳米管束与高分子的复合材料。但是既便是图形化的碳纳米管阵列仍然只是碳纳米管的纳米结构，并没有实现微米到纳米的分支结构，在压力作用下碳纳米管会发生弯曲产生形变，而压力释放后并不能完全恢复从而影响其粘附性能。

综上所述，目前报道的关于碳纳米管基仿生干性粘附材料的制备方法均不能得到像壁虎一样跨尺度的微纳米分支结构，因此限制了碳纳米管仿生粘附阵列深入的研究与应用，如何找到有效的跨尺度微纳米结构碳纳米管阵列的制备方法是当今科研人员面临的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术中的不足，提出一种具有微纳米分支结构的碳纳米管基仿生干性粘附材料及其制备方法，实现碳纳米管基仿生干性粘附材料从纳米到微米尺度的平缓过渡，以解决碳纳米管在粘附过程中因弯曲变形导致的结构破坏的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：