基于表面起皱的平面与球面图案化

摘要

众所周知，材料表面形貌对材料的性能起着重要作用。近年来，在材料表面形成规则图案的研究引起了广泛关注。在众多的表面图案化方法中，利用表面起皱在材料表面形成有序的皱纹形貌作为一种新颖且简便易行的表面图案化方法，已逐渐成为国内外学者的研究热点。本论文正是基于这种表面起皱机制，探索了在材料表面实现规则形貌的制备。根据材料的几何形状，本论文主要分为两个部分——平面起皱与球面起皱。
　　在平面起皱的研究中，本文首先以聚二甲基硅氧烷（PDMS）弹性体薄膜为基底材料，通过预拉伸与氧等离子体处理（OP）相结合的方式制备了周期可控，形貌规则且形貌相对稳定的皱纹模板。然后，通过旋涂制模的方式，在另一PDMS薄膜表面制备了厚度可控的聚苯乙烯（PS）薄膜。利用上述皱纹模板通过加热方式诱导表面起皱。根据模板周期以及PS膜厚度相对大小，获得了截面形貌为M型与A型栅格状皱纹图案。最后，将不同模板进行组合对皱纹膜进行两次诱导，分别制备出了A-A，A-M，M-M型多级皱纹图案。此处，皱纹模板与多级皱纹的制备均基于表面起皱机理得到，未涉及刻蚀相关技术的使用。
　　本文还研究了具有梯度周期的皱纹形貌的制备。众所周知，紫外线能量随传播距离增加而衰减。当PDMS膜进行紫外臭氧（UVO）处理时，通过加入“积木”，人为地使膜表面与紫外光源距离呈梯度变化。当膜表面与紫外光源距离越远，处理效果越差，最终表面形成的皱纹周期越小；反之，光源与膜表面距离越近，周期越大。文中系统考察了处理方式，处理时间等因素对皱纹周期的影响。并通过改变“积木”装入方向，获得了沿皱纹方向皱纹周期由大到小呈梯度变化的锥形皱纹，以及沿皱纹方向皱纹周期先减小后增大的蝶形皱纹。
　　在球面起皱的研究中，本文分别构建了三个实验体系研究球面起皱：Pt/PDMS复合微球，Pt/PS复合微球，以及SiOx/PDMS复合微球。
　　对于Pt/PDMS体系与Pt/PS体系，首先，通过分散聚合，分别制备了表面光滑的PDMS微球以及不同粒径的单分散PS微球。通过离子溅射与溶剂诱导，分别在Pt/PDMS与Pt/PS复合微球表面诱导起皱。通过结合文献中的理论分析，考察了微球粒径，表面壳层厚度等因素对皱纹形貌的影响。此外，通过引入OP预处理的方法，分别制备了具有PDMS-SiO x-Pt的三层核壳结构的皱纹微球与带有纳米点状凸起的PS多级皱纹微球。该研究将加深对球面起皱行为的认识。
　　在SiOx/PDMS复合微球体系中，基于表面氧化，PDMS微球在硫酸，硝酸和水的混酸氧中发生表面氧化形成SiO x层并形成点状与迷宫状皱纹。文中分别考察了混合酸浓度，微球粒径，微球弹性模量及氧化时间，以及水洗后处理等因素对皱纹形貌的影响。此外，通过观察，详细考察了微球在酸氧化与表面起皱过程中的反应机理。最后，通过将微球直接溶解在混合酸中，实现了大批量，全球面皱纹微球的制备。该方法的提出，表明为在其他曲面大范围制备规则皱纹图案有着潜在的应用。

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第一章 绪论

1.1 表面图案化方法

1.2 表面起皱概述

1.3 平面起皱

1.4 曲面起皱

1.5 表面起皱的应用

1.6研究思路及创新之处

第二章 多级皱纹图案的模板法诱导

2.1实验部分

2.2 结果与讨论

2.3 本章小结

第三章 梯度皱纹的制备与形貌调控

3.1 实验部分

3.2 结果与讨论

3.3 本章小结

第四章 基于Pt/PDMS与Pt/PS核壳结构复合微球的表面皱纹化

4.1 实验过程

4.2 结果与讨论

4.3 本章小结

第五章 基于SiOx/PDMS核壳结构复合微球的表面起皱

5.1 实验部分

5.2 结果与讨论

5.3 本章小结

第六章 结论与展望

参考文献

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