對鱗翅目昆蟲翅膀進行全翅面、高逼真、大面積微結構複製的方法
2023-05-14 17:51:51
對鱗翅目昆蟲翅膀進行全翅面、高逼真、大面積微結構複製的方法
【專利摘要】本發明涉及一種對鱗翅目昆蟲翅膀進行全翅面、高逼真、大面積微結構複製的方法，包括多角度旋轉蒸鍍覆形金屬膜、選擇性化學厚鍍制陰模、陰模表面等離子體灰化清除、高精度塑鑄復型制陽模等步驟。有益之處：（1）本發明採用多角度旋轉蒸鍍方法在完整鱗翅目昆蟲翅膀表面沉積一層覆形金屬膜以便對斜楔形、小傾角鱗翅微結構進行捕捉與固定，充分利用了其晶粒細膩、填充性好、易於覆形等優勢，有利於保證後續化學厚鍍的高逼真度；（2）本發明採用先捕捉固定微結構再進行化學厚鍍的方法，避免了現有電鑄制模方法存在的諸多問題，可實現復型陰模板的全翅面、大面積製作。
【專利說明】對鱗翅目昆蟲翅膀進行全翅面、高逼真、大面積微結構複製的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種對昆蟲翅膀複雜微細結構進行大面積、高逼真複製的方法，更特別地說，是指對鱗翅目昆蟲翅膀進行全翅面、高逼真、大面積微結構複製的方法，屬於仿生製造【技術領域】。
【背景技術】
[0002]鱗翅目是昆蟲綱中僅次於鞘翅目的第二大目，包括各種蝴蝶和蛾類，有約40個以上的總科、120個以上的科及超過18萬種的種類。鱗翅目昆蟲翅膀上的顏色分為化學色和物理色，其中物理色亦稱結構色，是指由微結構本身的光特性所呈現出的帶有各向異性的色彩。大多數鱗翅目昆蟲的翅膀均由半透明的膜和覆於其上的若干細小鱗片構成，鱗片表面由微米及亞微米級的溝槽、肋片及孔洞等微結構構成。當前，對具有化學色或物理色的鱗翅目昆蟲翅膀進行微結構複製在光子器件製造、吸波吸聲材料製造、光偽裝材料製造等領域具有重要的潛在應用價值。例如，申請號為20121024412.1的中國專利公開了一種基於蝴蝶翅膀單個鱗片生物模板製備磁性光子晶體的方法，申請號為201410127205.6的中國專利公開了一種直接由薄脆型生物表面反向電鑄出仿生復型表面的方法。
[0003]然而， 上述專利成果儘管在蝴蝶翅膀微結構複製方面提供了一定的參考價值，但僅限於對單個蝴蝶鱗片或小面積生物樣本進行微結構複製，並未解決全翅面、高逼真、大面積微結構複製的問題，而上述問題的解決將有助於推動與鱗翅目昆蟲翅膀相關的仿生器件或功能材料實現規模化、工業化生產製造。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在於，提供一種對鱗翅目昆蟲翅膀進行全翅面、高逼真、大面積微結構複製的方法，以解決上述技術問題。
[0005]本發明所解決的技術問題採用以下技術方案來實現:對鱗翅目昆蟲翅膀進行全翅面、高逼真、大面積微結構複製的方法，包括如下步驟。
[0006]第一步:鱗翅目昆蟲翅膀氣吹清潔及全翅面粘貼固定
裁選翅面完整、無破損的新鮮鱗翅目成蟲翅膀作為複製用生物模板，先用氣吹球輕輕吹去其表面浮塵，再用防水膠帶沿翅膀外緣輪廓將其粘貼固定於玻璃基片上，製得全翅面粘固生物模板。
[0007]第二步:全翅面粘固生物模板多角度旋轉蒸鍍覆形金屬膜
(A)將第一步製得的全翅面粘固生物模板固定於真空蒸鍍室內的基片夾具上，調整樣品轉軸與水平面的初始夾角處於小角度範圍，以細晶粒金屬作為蒸發源並保持2rps的樣品轉速在全翅面粘固生物模板表面蒸鍍一層厚度為250nm~300nm的覆形金屬膜；
(B)進一步調整樣品轉軸與水平面的二次夾角處於15°~20°範圍內，保持2rps的樣品轉速在經(A)步驟蒸鍍後的全翅面粘固生物模板表面再蒸鍍一層厚度為300nm~350nm的同質覆形金屬膜。
[0008]第三步:全翅面粘固生物模板選擇性化學厚鍍制陰模
(A)將質量分數為10%的硫化納水溶液混合到普通絕緣漆中製得具有催化毒性的絕緣漆，然後用該漆對第二步蒸鍍有覆形金屬膜的全翅面粘固生物模板進行局部絕緣塗覆，以保證除完整翅面之外的其他部位不能發生後續化學鍍過程；
(B)對經(A)步驟局部絕緣後的全翅面粘固生物模板進行活化預處理，並按所述覆形金屬膜的同質金屬體系配置化學鍍液，然後在一定溫度及酸鹼度條件下對活化後全翅面粘固生物模板進行化學厚鍍；
(C)當經(B)步驟在全翅面粘固生物模板上覆形金屬膜外表面沉積一定厚度的同質金屬鍍層後停止化學厚鍍，取出鍍件並用去離子水衝洗4~7次，進而揭除防水膠帶和玻璃基片，製得全翅面復型陰模。
[0009]第四步:陰模表面鱗翅目昆蟲翅膀等離子體灰化清除
以氧氣作為工藝氣體，利用等離子體清洗機對第三步製得的全翅面復型陰模進行若干時間的氧等離子體低溫灰化處理，以清除全翅面復型陰模上粘連的生物原型組織，進而完整地暴露出陰模微結構。
[0010]第五步:高分子預聚體高精度塑鑄復型制陽模
選擇具有較高復型精度的復型高聚物作為復型材料，先按比例配置其高分子預聚體，進而在澆鑄型腔內對第四步灰化處理後的全翅面復型陰模進行塑鑄復型，經除氣、固化後脫模便製得全翅面復型陽模，最終完成對鱗翅目昆蟲翅膀的全翅面、高逼真、大面積微結構複製。
[0011]所述樣品轉軸與水平面的初始夾角為5°~10°。
[0012]所述細晶粒金屬是鎳、招、銅、鉻。
[0013]所述復型高聚物是聚二甲基矽氧烷、聚乙烯醇。
[0014]本發明的有益之處:(I)本發明採用多角度旋轉蒸鍍方法在完整鱗翅目昆蟲翅膀表面沉積一層覆形金屬膜以便對斜楔形、小傾角鱗翅微結構進行捕捉與固定，充分利用了其晶粒細膩、填充性好、易於覆形等優勢，有利於保證後續化學厚鍍的高逼真度；(2)本發明採用先捕捉固定微結構再進行化學厚鍍以製作復型陰模板的方法，有效避免了現有電鑄制模方法存在的電鑄液易擾動破壞鍍膜鱗翅導電性進而導致不能大面積制模甚至電鑄失敗的問題，可以實現復型陰模板的全翅面、大面積製作。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明的對鱗翅目昆蟲翅膀進行全翅面、高逼真、大面積微結構複製的方法
流程圖。
[0016]圖2為本發明實施例提供的藍鳳蝶翅膀鱗片微結構掃描電鏡照片(放大1000倍)。
[0017]圖3為全翅面粘固生物模板在真空蒸鍍室內的安裝示意圖。
[0018]圖4為多角度旋轉真空蒸鍍覆形金屬膜後生物模板上各微結構示意圖。
[0019]圖5為對全翅面粘固生物模板進行鍍前局部絕緣塗覆的示意圖。
[0020]圖6為結束化學厚鍍並揭除防水膠帶和玻璃基片後生物模板上各微結構示意圖。
[0021]圖7為等離子體灰化清除生物模板後所得全翅面復型陰模上各微結構示意圖。
[0022]圖中:1、真空蒸鍍室2、樣品轉軸3、基片夾具4、全翅面粘固生物模板5、金屬蒸氣6、蒸發源7、翅膜8、鱗片9、覆形金屬膜10、玻璃基片11、生物模板12、防水膠帶13、絕緣漆面14、化學厚鍍層15、鱗片陰模。
【具體實施方式】
[0023]為了使本發明實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解，下面結合附圖和具體實施例進一步闡述本發明。
[0024]按照圖1所示流程對美洲藍鳳蝶翅膀進行全翅面、高逼真、大面積微結構複製。參照圖2，藍鳳蝶翅膀上具有規則排列的細小鱗片，且每個鱗片上具有溝槽狀微結構。
[0025]第一步:藍鳳蝶翅膀氣吹清潔及全翅面粘貼固定
參照圖5，裁選翅面完整、無破損的新鮮藍鳳蝶成蟲翅膀作為複製用生物模板11，先用氣吹球輕輕吹去其表面浮塵，再用防水膠帶12沿翅膀外緣輪廓將其粘貼固定於玻璃基片10上，使翅面無皺褶並儘量貼合玻璃基片10，製得全翅面粘固生物模板4。
[0026]第二步:全翅面粘固生物模板多角度旋轉蒸鍍覆形金屬膜
(A)參照圖3、圖4、圖5，將第一步製得的全翅面粘固生物模板4固定於真空蒸鍍室I內的基片夾具3上，考慮到美洲藍鳳蝶翅膀上鱗片8的傾角約為5°，為保證蒸鍍過程中由下部蒸發源6發出的金屬蒸氣5能儘可能多的進入到鱗片8底部併兼顧鱗上鍍膜，可調整樣品轉軸2與水平面的初始夾角為9° ;以細晶粒金屬鎳絲作為蒸發源6並保持2rps的樣品轉速在全翅面粘固生物模板4表面蒸鍍一層厚度為300nm的覆形金屬膜9 ；
(B)參照圖3、圖4，進一步調整樣品轉軸2與水平面的二次夾角為20°，保持2rps的樣品轉速在經(A)步驟蒸鍍後的全翅面粘固生物模板4表面再蒸鍍一層厚度為300nm的鎳質覆形金屬膜9。
[0027]第三步:全翅面粘固生物模板選擇性化學厚鍍制陰模
(A)參照圖5，將質量分數為10%的硫化納水溶液混合到普通絕緣漆中製得具有催化毒性的絕緣漆，然後用該漆對第二步蒸鍍有覆形金屬膜9的全翅面粘固生物模板4局部塗覆絕緣漆面13，以保證除完整翅面之外的其他部位不能發生後續化學鍍過程；
(B)對經(A)步驟局部絕緣後的全翅面粘固生物模板4進行活化預處理，並按標準酸性鍍鎳配方配置化學鍍鎳溶液，然後在溫度為85°C、pH值為4.5條件下對活化後全翅面粘固生物模板4進行化學厚鍍；
(C)參照圖6，當經(B)步驟在全翅面粘固生物模板4上覆形金屬膜9的外表面沉積出厚度為0.2mm的鎳質化學厚鍍層14後停止化學厚鍍，取出鍍件並用去離子水衝洗7次，進而揭除防水膠帶12和玻璃基片10，製得全翅面復型陰模。
[0028]第四步:陰模表面鱗翅目昆蟲翅膀等離子體灰化清除
參照圖7，以氧氣作為工藝氣體，在氧氣流量為300SCCm、功率為350W條件下利用等離子體清洗機對第三步製得的全翅面復型陰模進行40min的氧等離子體低溫灰化處理，以清除全翅面復型陰模上粘連的翅膜7、鱗片8等生物原型組織，進而完整地暴露出鱗片陰模15等微結構。
[0029]第五步:高分子預聚體高精度塑鑄復型制陽模
選擇具有較高復型精度的復型高聚物聚二甲基矽氧烷作為復型材料，先將預聚物Sylgardl84與固化劑按10:1的比例配置其高分子預聚體,進而在燒鑄型腔內對第四步灰化處理後的全翅面復型陰模進行塑鑄復型，經真空除氣3min、常溫固化24h後脫模便製得全翅面復型陽模，最終完成對藍鳳蝶翅膀的全翅面、高逼真、大面積微結構複製。
[0030]以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特徵和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
【權利要求】
1.對鱗翅目昆蟲翅膀進行全翅面、高逼真、大面積微結構複製的方法，包括: 第一步:鱗翅目昆蟲翅膀氣吹清潔及全翅面粘貼固定 裁選翅面完整、無破損的新鮮鱗翅目成蟲翅膀作為複製用生物模板，先用氣吹球輕輕吹去其表面浮塵，再用防水膠帶沿翅膀外緣輪廓將其粘貼固定於玻璃基片上，製得全翅面粘固生物模板； 第四步:陰模表面鱗翅目昆蟲翅膀等離子體灰化清除 以氧氣作為工藝氣體，利用等離子體清洗機對第三步製得的全翅面復型陰模進行若干時間的氧等離子體低溫灰化處理，以清除全翅面復型陰模上粘連的生物原型組織，進而完整地暴露出陰模微結構； 第五步:高分子預聚體高精度塑鑄復型制陽模 選擇具有較高復型精度的復型高聚物作為復型材料，先按比例配置其高分子預聚體，進而在澆鑄型腔內對第四步灰化處理後的全翅面復型陰模進行塑鑄復型，經除氣、固化後脫模便製得全翅面復型陽模，最終完成對鱗翅目昆蟲翅膀的全翅面、高逼真、大面積微結構複製； 其特徵在於，還包括如下步驟: 第二步:全翅面粘固生物模板多角度旋轉蒸鍍覆形金屬膜 (A)將第一步製得的全翅面粘固生物模板固定於真空蒸鍍室內的基片夾具上，調整樣品轉軸與水平面的初始夾角處於小角度範圍，以細晶粒金屬作為蒸發源並保持2rps的樣品轉速在全翅面粘固生物模板表面蒸鍍一層厚度為250nm~300nm的覆形金屬膜； (B)進一步調整樣品轉軸與水平面的二次夾角處於15°~20°範圍內，保持2rps的樣品轉速在經(A)步驟蒸鍍後的全翅面粘固生物模板表面再蒸鍍一層厚度為300nm~350nm的同質覆形金屬膜； 第三步:全翅面粘固生物模板選擇性化學厚鍍制陰模 (A)將質量分數為10%的硫化納水溶液混合到普通絕緣漆中製得具有催化毒性的絕緣漆，然後用該漆對第二步蒸鍍有覆形金屬膜的全翅面粘固生物模板進行局部絕緣塗覆，以保證除完整翅面之外的其他部位不能發生後續化學鍍過程； (B)對經(A)步驟局部絕緣後的全翅面粘固生物模板進行活化預處理，並按所述覆形金屬膜的同質金屬體系配置化學鍍液，然後在一定溫度及酸鹼度條件下對活化後全翅面粘固生物模板進行化學厚鍍； (C)當經(B)步驟在全翅面粘固生物模板上覆形金屬膜外表面沉積一定厚度的同質金屬鍍層後停止化學厚鍍，取出鍍件並用去離子水衝洗4~7次，進而揭除防水膠帶和玻璃基片，製得全翅面復型陰模。
2.根據權利要求1所述的對鱗翅目昆蟲翅膀進行全翅面、高逼真、大面積微結構複製的方法，其特徵在於:所述樣品轉軸與水平面的初始夾角為5°~10°。
3.根據權利要求1所述的對鱗翅目昆蟲翅膀進行全翅面、高逼真、大面積微結構複製的方法，其特徵在於:所述細晶粒金屬是鎳、鋁、銅、鉻。
4.根據權利要求1所述的對鱗翅目昆蟲翅膀進行全翅面、高逼真、大面積微結構複製的方法，其特徵在於:所述復型高聚物是聚二甲基矽氧烷、聚乙烯醇。
【文檔編號】C23C28/00GK104178733SQ201410449438
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年9月5日 優先權日:2014年9月5日
【發明者】韓鑫, 王娟, 夏連明 申請人:山東理工大學