CN110561668B - 用于高速飞行器柔性蒙皮/电子皮肤的错熔铸造制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于高速飞行器柔性蒙皮/电子皮肤的错熔铸造制备方法，具体为：建立模具结构模型，根据模具结构模型制作模具，模具的熔点T₂小于柔性蒙皮/电子皮肤的最高承受温度为T₁；将制作柔性蒙皮/电子皮肤的液态柔性材料和固化剂混合均匀，浇筑入模具，内部三维结构的末级管道漏出柔性材料和固化剂的混合物，在温度T₃下固化；在温度T₄下加热组合件，T₂<T₄<T₁，模具融化，并与固态的柔性材料分离，得到柔性蒙皮/电子皮肤。本发明利用模具材料熔点低于柔性材料最高承受温度的特性，错熔分离，有效分离模具和柔性蒙皮/电子皮肤，实现内部复杂三维结构的柔性蒙皮/电子皮肤一体成型，保护柔性材料的延展性和弯曲性。

Description

用于高速飞行器柔性蒙皮/电子皮肤的错熔铸造制备方法

技术领域

本发明属于柔性电子技术领域，特别涉及一种用于高速飞行器柔性蒙皮/电子皮肤的错熔铸造制备方法，用于柔性蒙皮/电子皮肤的微纳结构制备。

背景技术

随着柔性电子领域的不断发展，柔性材料以其独特的柔性/延展性、相对较高的化学惰性以及高效、低成本的制造工艺等特点，在信息、能源、医疗、国防等领域具有广泛的应用前景。其代表物有：美国道康宁（Dow Corning）公司生产的聚二甲基硅氧烷（PDMS）和德国BASF公司所制造的脂肪族芳香族无视共聚酯（Ecoflex）。这些柔性材料一般以粘稠液态的状态储存，使用时加入固化剂，加热固化形成固体。

柔性蒙皮/电子皮肤是以柔性材料为基体，在柔性材料上布置传感器实现触觉压觉功能，柔性材料内部布置微流道、微孔径实现发汗冷却功能等。然而在不破坏柔性材料的伸展性和弯曲性的前提下，如何在其内部制作微流道、微孔径组成的复杂二维或三维结构是其发展的一大难题。

此外，固态的柔性材料本身存在缺陷：当材料表面存在微小裂纹，沿垂直裂纹方向施加外力时，这些微小裂纹会迅速扩大，直至整块材料断裂。因此在后期对固态柔性材料进行切割、打孔等操作会不可避免地在材料表面产生损坏，严重破坏材料的拉伸特性。为了保护材料特性，避免二次加工带来损伤，需要柔性材料在固化过程中一体成型。在不损坏柔性材料内部微结构的前提下，如何一体成型的制备具有复杂内部三维结构的柔性蒙皮或电子皮肤是一项难题。

现有柔性电子皮肤内部三维微纳结构制备技术有：（1）以倒模复制技术为主的制备方法，如现有技术1（中国专利，申请号：201710795687.6，名称：微流道装置的制造方法和微流道装置，公开日：2019.1.18），该技术现在硅晶板上设计渠道，然后倒入液态的PDMS加热使之固化。当PDMS固化完成后移除硅晶板，硅晶板上的设计细节会印在PDMS上。再将之键合到玻璃片上，原本设计的渠道会变成一个防水通道。该技术能在PDMS内部形成通路。但键合工艺复杂且只能形单层结构，当PDMS内部结构为多层时，该技术复杂程度大大增加。（2）倒模复制技术与阳模溶解技术相结合的制备方法，如现有技术2（唐文来,樊宁等.基于3D打印牺牲阳模的异型截面微流道便捷加工[J].分析化学,2019,47(06):838-845），该技术利用3D打印技术打印处具有各种异形截面的丙烯晴一丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）流道阳模，将阳模掩埋在PDMS内部，在PDMS固化有利用特定溶剂将ABS材料溶解，从而在PDMS内部形成复杂结构。但ABS溶解时间较长（4h），且需要多次固化，故该方法制作周期较长。（3）激光法，如现有技术3（中国专利，申请号：201610753010.1，名称：一种激光图案化PDMS表面快速提高生物附着性的方法，公开日：2016.12.21），该技术原理是：PDMS材料表面，在高能紫外激光辐射带来的高能量和冲击力作用下，发生光热作用和光华作用，瞬间汽化或迸溅，从而在PDMS表面形成微结构。该方法破坏PDMS表面的理化特性，且紫外激光器具有一定危险性，须在标准激光实验室中操作。

综上所述，现有柔性电子皮肤制备方法存在如下缺点：（1）采用倒模复制法需要层层固化，固化次数不低于3次，键合等工艺需要人为操作，精度低、难度大、工艺复杂，制备内部复杂三维结构困难；（2）阳模溶解技术分离过程缓慢，无法一体成形，制备内部复杂三维结构困难；（3）激光法：会破坏柔性材料表面理化性质，且具有一定危险性。上述制备方法皆无法实现柔性蒙皮/电子皮肤内部复杂三维结构的一体化成型制备。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种用于高速飞行器的柔性蒙皮/电子皮肤的制备方法，利用模具材料熔点低于柔性材料最高承受温度的特性，错熔分离，有效分离模具和柔性蒙皮/电子皮肤，实现内部复杂三维结构的柔性蒙皮/电子皮肤一体成型，保护柔性材料的延展性和弯曲性，解决了现有光刻法和倒模法制备工艺复杂、无法一体成型、制备内部复杂三维结构困难的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种用于高速飞行器柔性蒙皮/电子皮肤的错熔铸造制备方法，具体按照以下步骤进行：

S1，建立模具结构模型，模具结构模型包括外壳和内部三维结构，内部三维结构为多级相互连接的实心发汗微管道，与柔性蒙皮/电子皮肤的内部结构特征对应，外壳与柔性蒙皮/电子皮肤的外部形状特征对应，内部三维结构固定在外壳内；

S2，根据模具结构模型制作模具，模具的熔点T₂小于柔性蒙皮/电子皮肤的最高承受温度为T₁；

S3，将制作柔性蒙皮/电子皮肤的液态柔性材料和固化剂混合均匀，浇筑入模具的外壳和内部三维结构之间，内部三维结构的末级管道漏出柔性材料和固化剂的混合物，在温度T₃下固化，T₃< T₂，形成组合件；

S4，在温度T₄下加热组合件，T₂< T₄< T₁，模具融化，并与固态的柔性材料分离，得到柔性蒙皮/电子皮肤。

进一步的，所述S1中，实心发汗微管道包括多个相互连接的实心主管道，每个实心主管道上均匀设有多个实心支管，实心支管上均匀设有多个实心凸起，实心凸起为末级管道，实心支管和外壳的底座相连接。

进一步的，所述实心主管道的直径为0.6mm±0.05mm。

进一步的，所述S3中，柔性材料采用聚二甲基硅氧烷，聚二甲基硅氧烷与固化剂以质量比10-15：1混合。

进一步的，所述S3中，柔性材料采用脂肪族芳香族无视共聚酯，脂肪族芳香族无视共聚酯与固化剂以质量比1：1混合固化。

进一步的，所述S2中，模具选用熔点在22-200℃之间、可铸造且化学性质稳定的材料。

进一步的，所述S2中，模具采用3D打印法、光刻法、倒模法或激光切割法中的任意一种加工成型，加工精度为0.1mm±0.05mm。

进一步的，所述S4中，组合件加热的方法为：将固化后的组合件放入超声清洗机中，加热的同时开启超声清洗机。

进一步的，所述组合件加热的方式为水浴加热或辐射加热。

本发明的有益效果是，具有以下优点：

1.本发明将制作柔性蒙皮/电子皮肤的液态柔性材料和固化剂混合均匀，浇筑入模具中，固化后与模具三维结构一一对应；分离时仅模具熔化，液态的模具随实心发汗微管道形成的空腔流出，仅模具物理状态的改变，柔性蒙皮/电子皮肤始终保持不变，柔性蒙皮/电子皮肤不用二次加工，一体成型，能有效保护柔性蒙皮的延展性和弯曲性。

2.本发明制备过程以物理变化为主，全程无毒无污染，制备步骤少，速度快，控温过程简单，对环境要求低，在普通室内即可完成制作，降低制备成本。

3.模具可以选用熔点低、可铸造且化学性质稳定的材料，可以采用3D打印法、光刻法、倒模法或激光切割法中的任意一种加工成型，加工精度高，在不破坏柔性蒙皮/电子皮肤表面的前提下，在其内部制作复杂三维结构，使柔性材料达到镂空效果等，大大降低柔性蒙皮/电子皮肤复杂内部三维结构模型制作的复杂度，解决了现有光刻法和倒模法制备工艺复杂、制备内部复杂三维结构困难的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明制作流程图。

图2是本发明实施例中模具结构模型的结构示意图。

图3是本发明实施例中柔性蒙皮/电子皮肤的结构示意图。

图中，1.模具结构模型，11.内部三维结构，12.外壳，3.柔性蒙皮/电子皮肤，31.孔道。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1，

本发明用于高速飞行器柔性蒙皮/电子皮肤的错熔铸造制备方法，如图1所示，具体按照以下步骤进行：

S1，采用solid works软件建立柔性蒙皮/电子皮肤3的三维结构模型，根据柔性蒙皮/电子皮肤3的三维结构模型建立模具结构模型1，模具结构模型1包括外壳12和内部三维结构11，内部三维结构11为多级相互连接的实心发汗微管道，与柔性蒙皮/电子皮肤3的内部结构特征对应，外壳12与柔性蒙皮/电子皮肤3的外部形状特征对应，内部三维结构11固定在外壳12内。

实心发汗微管道包括多个相互连接的实心主管道，每个实心主管道上均匀设有多个实心支管，实心支管和外壳12的底座相连接，外壳12盒状，制作时二者直接打印成一个整体，将内部三维结构11固定在外壳12内，外壳12可以保护模具内部实心发汗微管道在运输制作过程中不被损坏，又可以实现内部三维结构11的定位，在液态柔性材料和固化剂混合物浇筑成型时，起到塑型作用。实心支管上均匀设有多个实心凸起，实心主管道的直径为0.6mm±0.05mm，实心支管和凸起的直径均为微米级，结构如图2所示；浇筑时多级相互连接的实心发汗微管道会占据目标空心微流道的位置，最终形成目标空心微流道，如图3所示，孔道31对应于实心凸起，孔道31既能使熔化的模具从中流出，又能通过这四个孔道31向蒙皮内部输水；外壳12厚1.2mm，内部空腔尺寸为长80mm×宽80mm×高4.5mm。

S2，根据模具结构模型1制作模具，制备柔性蒙皮/电子皮肤3的柔性材料最高承受温度为T₁，模具的熔点为T₂，T₂<T₁；模具的材料选用可熔化、可铸造、具有一定化学惰性的材料，如石蜡、液态金属等，石蜡熔点为60℃，但不仅限于上述材料；将模具的材料按照建立的模具结构模型1加工，加工方式采用3D打印法、光刻法、倒模法或激光切割法等，但不仅限于上述方法；如采用3D打印法：将模具结构模型1输入到3D打印机中，选择模具的材料为石蜡，按像素点逐层打印，3D打印的加工精度为0.1mm±0.05mm，完全可以满足设计精度的要求。

S3，制作柔性蒙皮/电子皮肤3的液态柔性材料采用聚二甲基硅氧烷（PDMS），聚二甲基硅氧烷可承受200℃高温而保持原状，道康宁SYLGARD 184硅橡胶是由液体组分组成的双组分套件产品，包括基本组分与固化剂，用电子天平称量40g聚二甲基硅氧烷和4g固化剂，倒入烧杯中，混合搅拌均匀，浇筑入模具的外壳12和内部三维结构11之间，实心发汗微管道的末级管道漏出柔性材料和固化剂的混合物，实心凸起即末级管道，在温度T₃下固化，控制T₃< T₂，形成组合件；模具的材料处于固态，可以对液态的聚二甲基硅氧烷和固化剂的混合物起到塑型作用，聚二甲基硅氧烷在固化剂作用下由液态转变成固态，聚二甲基硅氧烷为美国道康宁（Dow Corning）公司生产，可以用德国BASF公司所制造的脂肪族芳香族无视共聚酯（Ecoflex）替代，也可采用其他柔性材料。

其中，聚二甲基硅氧烷与固化剂混合比例是10：1，聚二甲基硅氧烷可以在常温（18-22℃）下固化，满足固化环境温度T₃<模具的材料熔点T₂，此时模具是固态，减去了控温过程，进一步简化工艺。

固化剂占比高会使材料***，可承受更高外力，固化剂占比低会使材料变得更柔软，相应的可承受的外力会减小，本实例需要兼顾柔性蒙皮的柔韧性和承受外力的能力，因此选用聚二甲基硅氧烷与固化剂混合比例是10：1，制得的柔性蒙皮未发生坍塌、破坏等；考虑到柔性蒙皮/电子皮肤是应用于人体，模拟人体皮肤，突出其柔性特征，故可以调整柔性材料和固化剂比例为15:1，该比例制作的柔性蒙皮/电子皮肤更柔软，更接近人体皮肤。但柔性材料的占比不能再高于15:1，倘若高出这个数值，会存在固化不充分的问题。

脂肪族芳香族无视共聚酯（本实例中特指Ecoflex00-30）是由A、B两种组分按照1:1的比例混合，与PDMS（本实例中特指道康宁184）不同的是：PDMS主体是其基本组分，加入固化剂后其固化形成固体，而Ecoflex00-30主体是A、B两种组分，二者混合形成固体。脂肪族芳香族无视共聚酯也可常温固化，但常温固化所需时间较长，且常温固化后，表面不光滑有粘稠感，控制其固化温度为50±5℃。

S4，等液态柔性材料变成弹性固体后，温度T₄下加热组合件，T₂< T₄< T₁，模具融化，柔性材料保持固态，随着模具的融化实心发汗微管道11变为空腔，这些空腔就是目标空心微流道、微孔径，模具融化后沿空腔流出，达到与固态的柔性材料分离的目的，一体成型，得到柔性蒙皮/电子皮肤3，如图3所示。

组合件加热的方法：将固化完成的组合件放入超声清洗机中，加热的同时开启超声清洗机，超声清洗频率为40kHz，水温为80℃，采用超声清洗可以促进液态石蜡从PDMS内置微管道中流出，加快分离过程，同时也使分离更彻底。组合件加热的方式包括但不限于水浴加热、辐射加热等。

本发明用于高速飞行器柔性蒙皮/电子皮肤的错熔铸造制备方法的原理：

柔性蒙皮/电子皮肤3的内部需要布置若干相互连通的微流道、微孔径，实现发汗冷却功能，需要不破坏表层在柔性蒙皮/电子皮肤3内部制作微流道、微孔径组成的复杂二维或三维结构；本发明的模具按照模具结构模型1制作，模具结构模型1可以为二维或者三维，用于三维结构模型的制作优势更突出；模具结构模型1的结构特征与柔性蒙皮/电子皮肤3内部的复杂二维或三维结构相对应；模具的材料选用可熔化、可铸造、具有一定化学惰性的材料，如石蜡、液态金属等，可以采用3D打印法、光刻法、倒模法或激光切割法等进行加工，加工精度高，在柔性材料为液态时，通过模具对其进行塑型，将柔性材料直接固化成目标形状，利用模具材料熔点低于柔性材料最高承受温度的特性，加热使得模具全部熔化，并随若干相互连通的微流道、微孔径流出，错熔分离，一体成型获得柔性蒙皮/电子皮肤3，无需二次加工，大大降低了制作复杂度，提高精度，保护柔性材料的延展性和弯曲性。

本发明的制备方法可应用于生物微机电***中，低价地制作微流道、微混合器、微泵、微阀门，可以制作电子皮肤实现发汗冷却、模拟血液流动、实现触压觉功能等，可以应用于仿生机器人的制作等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种用于高速飞行器柔性蒙皮/电子皮肤的错熔铸造制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：

S1，建立模具结构模型（1），模具结构模型（1）包括外壳（12）和内部三维结构（11），内部三维结构（11）为多级相互连接的实心发汗微管道，与柔性蒙皮/电子皮肤（3）的内部结构特征对应，外壳（12）与柔性蒙皮/电子皮肤（3）的外部形状特征对应，内部三维结构（11）固定在外壳（12）内；

S2，根据模具结构模型（1）制作模具，模具的熔点T₂小于柔性蒙皮/电子皮肤（3）的最高承受温度为T₁；

S3，将制作柔性蒙皮/电子皮肤（3）的液态柔性材料和固化剂混合均匀，浇筑入模具的外壳（12）和内部三维结构（11）之间，内部三维结构（11）的末级管道漏出柔性材料和固化剂的混合物，在温度T₃下固化，T₃< T₂，形成组合件；

S4，在温度T₄下加热组合件，T₂< T₄< T₁，模具融化，并与固态的柔性材料分离，得到柔性蒙皮/电子皮肤（3）；

所述S1中，实心发汗微管道包括多个相互连接的实心主管道，每个实心主管道上均匀设有多个实心支管，实心支管上均匀设有多个实心凸起，实心凸起为末级管道，孔道（31）对应于实心凸起，孔道（31）既能使熔化的模具从中流出，又能通过孔道（31）向蒙皮内部输水，实心支管和外壳（12）的底座相连接；

所述实心主管道的直径为0.6mm±0.05mm；

所述S3中，柔性材料采用聚二甲基硅氧烷，聚二甲基硅氧烷与固化剂以质量比10-15：1混合；

所述S2中，模具选用石蜡，石蜡熔点为60℃；

所述S4中，组合件加热的方法为：将固化后的组合件放入超声清洗机中，加热的同时开启超声清洗机，组合件加热的方式为水浴加热。

2.根据权利要求1所述的一种用于高速飞行器柔性蒙皮/电子皮肤的错熔铸造制备方法，其特征在于，所述S3中，柔性材料采用脂肪族芳香族无规共聚酯，脂肪族芳香族无规共聚酯的两种组分以质量比1：1混合固化。

3.根据权利要求1所述的一种用于高速飞行器柔性蒙皮/电子皮肤的错熔铸造制备方法，其特征在于，所述S2中，模具采用3D打印法、光刻法、倒模法或激光切割法中的任意一种加工成型，加工精度为0.1mm±0.05mm。

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