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浙江大学徐凯臣课题组AFM：用于功能涂层普适性界面黏附的激光直写仿生策略

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2024-12-30 16:38

正文

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▲第一作者：蔡子墨

通讯作者：徐凯臣

通讯单位：浙江大学机械工程学院流体动力基础件与机电系统全国重点实验室

论文DOI：https://doi.org/10.1002/adfm.202408354 （点击文末「阅读原文」，直达链接）

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全文速览

激光混合直写仿生微结构表面：通过多级互锁耦合增强功能涂层与基材间的界面附着力，并利用该方案制造出一种轻量化原位集成电热防除冰系统。

背景介绍

界面附着力作为异质材料之间的机械桥梁，对于调节模量失配、减少结构失效以及促进信号传输至关重要。为了增强功能涂层与目标表面之间的界面黏附，当前已开发出多种策略（例如增加粗糙度、引入粘合层、化学改性、形成交联以及构建机械互锁）。然而，多材料兼容问题限制了基于化学方法的广泛应用。其中，构建机械互锁能够在不影响材料结构特性的同时持久增强界面黏附，并适用于多涂层、多基底，是一种有效且实际的策略。激光直写具有无掩模、高精度、灵活可控、多材料兼容等优势，可实现一步多功能复合加工。因此，采用这种跨尺度制造技术构建微机械互锁结构有利于优化耦合尺寸和深入理解附着力效应。

本文亮点

近期， 浙江大学机械工程学院、流体动力基础件与机电系统全国重点实验室的徐凯臣研究员、博士生蔡子墨等人 提出一种受壁虎脚趾启发的激光混合直写多级微结构表面，该表面包含了亚毫米级框架结构和微米级锚定结构，分别用于表面保护和铆接互锁。这种双尺度耦合结构赋予功能涂层与目标基底之间显著增强的界面附着力。定量研究发现，该种策略下的功能涂层在胶带剥离测试中的电性能相比于原始和单尺度情况提高了 2 个数量级。此外，其在经历疲劳磨损、超声振动、水流冲击等破坏后依然能够保持结构和形貌完整。

本工作制造出一种 基于特种工程塑料（ PEEK ）的轻量化原位集成电热防除冰系统 。该系统主要由超疏水表面、铜（ Cu ）基加热单元和互连导线，以及碳基热敏传感器组成。通过与处理电路界面集成，该一体化电热防除冰系统相比于空白对照组能够将融冰效率提升 4.24 倍，并进行实时温度监测。本研究提出一种简便、普适、可扩展的界面黏附增强策略，有望在先进设备和极端环境下的坚固界面中展现出良好应用前景。

图文解析

图 1. 仿壁虎脚掌的界面粘附设计。 a) 壁虎脚掌粘附系统的多尺度结构，包括宏观尺度的趾垫、中尺度的趾褶列、微观尺度的刚毛阵列以及纳米尺度的扁平端。 b) 原理示意图：用于抗磨损的框架结构（仿壁虎趾趾褶）和增强附着的锚定结构（仿刚毛阵列）。 c) 原理示意图：用于增强功能涂层与目标表面之间的界面粘附策略，包含框架结构和内嵌锚定结构的多级微结构。

图 2. 激光加工的多级微结构用于增强 Cu 涂层的界面粘附。 a) 激光混合直写制备多级微结构和 Cu 涂层的流程示意图。 b) 不同基底上的多级微结构光学图像，包括 PPS 、 PI 、 Si ₃ N ₄ 和 h-BN 。比例尺为 100 μm 。 c)125 μm 厚 PI 膜上的多级微结构的 3D 形貌图。 d) 不同界面条件下的 Cu 涂层电阻随胶带剥离次数的变化（ n = 3 ）。 e) 不同界面条件下的 Cu 涂层电阻随超声振动时长的变化。 d) 中图例适用于 e) 。 f) 不同界面条件下的 Cu 涂层电阻随基底截面挤压次数的变化。 g) 不同界面条件下的 Cu 涂层电阻随磨损时长的变化。 f) 中图例适用于 g) 。 h-k) 不同界面条件下的 Cu 涂层在经历 5 分钟水流冲击前（左）和冲击后（右）的表面形貌。比例尺为 5 mm 。

图 3. 多级微结构参数对界面粘附的影响规律及普适性展示。 a) 碳化和非碳化情况下的激光诱导多级微结构表面光学图像。放大视图为碳化区域的 SEM 图像。比例尺为 100 μm （左）， 50 μm （右上）， 10 μm （右下）。 b) 激光能量密度和 c) 激光烧结线间距对 Cu 涂层电阻抗胶带剥离能力的影响（ n = 3 ）。 d)CuO 油墨对单尺度界面（蓝）、双尺度界面（红）以及原始界面的润湿性比较，其中框架结构间距分别为 (i)210 μm ， (ii)240 μm ， (iii)270 μm ， (iv)300 μm 和 (v)330 μm 。 e) 具有不同框架结构间距的 Cu 涂层电阻随磨损次数的变化。具有不同锚定结构 f) 间距与 g) 深度的 Cu 涂层电阻随冲击次数的变化。具有不同锚定结构 h) 间距与 i) 深度的 Cu 涂层电阻随胶带剥离次数的变化（ n = 3 ）。 j) 不同热塑性复材基底（ PPS 、 PEKK 和 PEK ）上的多级微结构耦合 Cu 涂层在经过 3 次胶带剥离前后的照片。比例尺为 5 mm 。 k)PEEK 基底上的多种微结构耦合功能涂层（ Ag 、 MoO ₂ 和 Ni ）在经过 3 次胶带剥离前后的照片。比例尺为 5 mm 。

图 4. 基于 PEEK 的原位集成防除冰系统。 a) 机翼表面积冰示意图。 b) 基于 PEEK 基底制造的原位集成防除冰系统照片。比例尺为 5 mm 。 c) 该一体化防除冰系统的分层功能结构示意图。 d) 水滴在具有亲水、临界和疏水态表面上的接触角照片。比例尺为 1 mm 。 e) 激光 PPI 对激光诱导碳基（ LIC ）热敏传感器温敏特性的影响规律。插图为不同激光 PPI 下的 LIC 传感器照片。 f)LIC 传感器（激光 PPI 为 1000 ）与商用温度传感器在 −20 ～ 100 °C 之间的循环性能对比。 g)Cu 基加热器在 3 ～ 7 V 通电电压之间的温度随时间的变化。 h) 原始 Cu 加热器和多级微结构耦合 Cu 加热器在 60 秒水流冲击前后的红外热成像图。通电电压为直流 4 V 。 i) 原始 Cu 加热器和多级微结构耦合 Cu 加热器在 100 次应力循环下的电阻变化率。 j) 不同除冰状态下冰块融化的示意图和照片（ 1 ：原始 PEEK ； 2 ：仅有超疏水结构； 3 ：仅有加热器； 4 ：集成防除冰系统）。比例尺为 5 mm 。 k) 不同除冰状态下的融冰所需时长对比。 l) 集成防除冰系统与商用温度传感器在室温（ RT ）～ 48 °C 之间的温度响应对比。

总结与展望

本研究提出一种受壁虎脚趾启发的激光直写多级复合结构，用于增强功能涂层与目标基底之间的界面附着力。在这种跨尺度微结构的协同作用下，通过定性和定量表征说明了界面黏附增强效果和结构耦合机制。作为概念验证，研究人员基于 PEEK 特种工程复材制造出一种原位集成电热防除冰系统。其中，激光直写超疏水层用于源头防冰、 Cu 基加热单元提供融冰热量、碳基热敏传感器用于加热状态监测。这种轻量一体化系统展示了其高效除冰和温度监测的能力。该项研究为增强界面附着力提供了一种实用且普适的策略，这有望在航空航天、交通运输、医疗器械等先进装备和极端环境的界面接口中发挥关键作用。