对鳞翅目昆虫翅膀进行全翅面、高逼真、大面积微结构复制的方法

摘要

本发明涉及一种对鳞翅目昆虫翅膀进行全翅面、高逼真、大面积微结构复制的方法，包括多角度旋转蒸镀覆形金属膜、选择性化学厚镀制阴模、阴模表面等离子体灰化清除、高精度塑铸复型制阳模等步骤。有益之处：（1）本发明采用多角度旋转蒸镀方法在完整鳞翅目昆虫翅膀表面沉积一层覆形金属膜以便对斜楔形、小倾角鳞翅微结构进行捕捉与固定，充分利用了其晶粒细腻、填充性好、易于覆形等优势，有利于保证后续化学厚镀的高逼真度；（2）本发明采用先捕捉固定微结构再进行化学厚镀的方法，避免了现有电铸制模方法存在的诸多问题，可实现复型阴模板的全翅面、大面积制作。

说明书

技术领域

本发明涉及一种对昆虫翅膀复杂微细结构进行大面积、高逼真复制的方法，更特别地说，是指对鳞翅目昆虫翅膀进行全翅面、高逼真、大面积微结构复制的方法，属于仿生制造技术领域。

背景技术

鳞翅目是昆虫纲中仅次于鞘翅目的第二大目，包括各种蝴蝶和蛾类，有约40个以上的总科、120个以上的科及超过18万种的种类。鳞翅目昆虫翅膀上的颜色分为化学色和物理色，其中物理色亦称结构色，是指由微结构本身的光特性所呈现出的带有各向异性的色彩。大多数鳞翅目昆虫的翅膀均由半透明的膜和覆于其上的若干细小鳞片构成，鳞片表面由微米及亚微米级的沟槽、肋片及孔洞等微结构构成。当前，对具有化学色或物理色的鳞翅目昆虫翅膀进行微结构复制在光子器件制造、吸波吸声材料制造、光伪装材料制造等领域具有重要的潜在应用价值。例如，申请号为20121024412.1的中国专利公开了一种基于蝴蝶翅膀单个鳞片生物模板制备磁性光子晶体的方法，申请号为201410127205.6的中国专利公开了一种直接由薄脆型生物表面反向电铸出仿生复型表面的方法。

然而，上述专利成果尽管在蝴蝶翅膀微结构复制方面提供了一定的参考价值，但仅限于对单个蝴蝶鳞片或小面积生物样本进行微结构复制，并未解决全翅面、高逼真、大面积微结构复制的问题，而上述问题的解决将有助于推动与鳞翅目昆虫翅膀相关的仿生器件或功能材料实现规模化、工业化生产制造。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种对鳞翅目昆虫翅膀进行全翅面、高逼真、大面积微结构复制的方法，以解决上述技术问题。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：对鳞翅目昆虫翅膀进行全翅面、高逼真、大面积微结构复制的方法，包括如下步骤。

第一步：鳞翅目昆虫翅膀气吹清洁及全翅面粘贴固定

裁选翅面完整、无破损的新鲜鳞翅目成虫翅膀作为复制用生物模板，先用气吹球轻轻吹去其表面浮尘，再用防水胶带沿翅膀外缘轮廓将其粘贴固定于玻璃基片上，制得全翅面粘固生物模板。

第二步：全翅面粘固生物模板多角度旋转蒸镀覆形金属膜

（A）将第一步制得的全翅面粘固生物模板固定于真空蒸镀室内的基片夹具上，调整样品转轴与水平面的初始夹角处于小角度范围，以细晶粒金属作为蒸发源并保持2rps的样品转速在全翅面粘固生物模板表面蒸镀一层厚度为250nm～300nm的覆形金属膜；

（B）进一步调整样品转轴与水平面的二次夹角处于15°～20°范围内，保持2rps的样品转速在经（A）步骤蒸镀后的全翅面粘固生物模板表面再蒸镀一层厚度为300nm～350nm的同质覆形金属膜。

第三步：全翅面粘固生物模板选择性化学厚镀制阴模

（A）将质量分数为10％的硫化纳水溶液混合到普通绝缘漆中制得具有催化毒性的绝缘漆，然后用该漆对第二步蒸镀有覆形金属膜的全翅面粘固生物模板进行局部绝缘涂覆，以保证除完整翅面之外的其他部位不能发生后续化学镀过程；

（B）对经（A）步骤局部绝缘后的全翅面粘固生物模板进行活化预处理，并按所述覆形金属膜的同质金属体系配置化学镀液，然后在一定温度及酸碱度条件下对活化后全翅面粘固生物模板进行化学厚镀；

（C）当经（B）步骤在全翅面粘固生物模板上覆形金属膜外表面沉积一定厚度的同质金属镀层后停止化学厚镀，取出镀件并用去离子水冲洗4～7次，进而揭除防水胶带和玻璃基片，制得全翅面复型阴模。

第四步：阴模表面鳞翅目昆虫翅膀等离子体灰化清除

以氧气作为工艺气体，利用等离子体清洗机对第三步制得的全翅面复型阴模进行若干时间的氧等离子体低温灰化处理，以清除全翅面复型阴模上粘连的生物原型组织，进而完整地暴露出阴模微结构。

第五步：高分子预聚体高精度塑铸复型制阳模

选择具有较高复型精度的复型高聚物作为复型材料，先按比例配置其高分子预聚体，进而在浇铸型腔内对第四步灰化处理后的全翅面复型阴模进行塑铸复型，经除气、固化后脱模便制得全翅面复型阳模，最终完成对鳞翅目昆虫翅膀的全翅面、高逼真、大面积微结构复制。

所述样品转轴与水平面的初始夹角为5°～10°。

所述细晶粒金属是镍、铝、铜、铬。

所述复型高聚物是聚二甲基硅氧烷、聚乙烯醇。

本发明的有益之处：（1）本发明采用多角度旋转蒸镀方法在完整鳞翅目昆虫翅膀表面沉积一层覆形金属膜以便对斜楔形、小倾角鳞翅微结构进行捕捉与固定，充分利用了其晶粒细腻、填充性好、易于覆形等优势，有利于保证后续化学厚镀的高逼真度；（2）本发明采用先捕捉固定微结构再进行化学厚镀以制作复型阴模板的方法，有效避免了现有电铸制模方法存在的电铸液易扰动破坏镀膜鳞翅导电性进而导致不能大面积制模甚至电铸失败的问题，可以实现复型阴模板的全翅面、大面积制作。

附图说明

图1为本发明的对鳞翅目昆虫翅膀进行全翅面、高逼真、大面积微结构复制的方法

流程图。

图2为本发明实施例提供的蓝凤蝶翅膀鳞片微结构扫描电镜照片（放大1000倍）。

图3为全翅面粘固生物模板在真空蒸镀室内的安装示意图。

图4为多角度旋转真空蒸镀覆形金属膜后生物模板上各微结构示意图。

图5为对全翅面粘固生物模板进行镀前局部绝缘涂覆的示意图。

图6为结束化学厚镀并揭除防水胶带和玻璃基片后生物模板上各微结构示意图。

图7为等离子体灰化清除生物模板后所得全翅面复型阴模上各微结构示意图。

图中：1、真空蒸镀室  2、样品转轴  3、基片夹具  4、全翅面粘固生物模板  5、金属蒸气  6、蒸发源  7、翅膜  8、鳞片  9、覆形金属膜  10、玻璃基片  11、生物模板  12、防水胶带  13、绝缘漆面  14、化学厚镀层  15、鳞片阴模。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和具体实施例进一步阐述本发明。

按照图1所示流程对美洲蓝凤蝶（pipevine swallowtail）翅膀进行全翅面、高逼真、大面积微结构复制。参照图2，蓝凤蝶翅膀上具有规则排列的细小鳞片，且每个鳞片上具有沟槽状微结构。

第一步：蓝凤蝶翅膀气吹清洁及全翅面粘贴固定

参照图5，裁选翅面完整、无破损的新鲜蓝凤蝶成虫翅膀作为复制用生物模板11，先用气吹球轻轻吹去其表面浮尘，再用防水胶带12沿翅膀外缘轮廓将其粘贴固定于玻璃基片10上，使翅面无皱褶并尽量贴合玻璃基片10，制得全翅面粘固生物模板4。

第二步：全翅面粘固生物模板多角度旋转蒸镀覆形金属膜

（A）参照图3、图4、图5，将第一步制得的全翅面粘固生物模板4固定于真空蒸镀室1内的基片夹具3上，考虑到美洲蓝凤蝶翅膀上鳞片8的倾角约为5°，为保证蒸镀过程中由下部蒸发源6发出的金属蒸气5能尽可能多的进入到鳞片8底部并兼顾鳞上镀膜，可调整样品转轴2与水平面的初始夹角为9°；以细晶粒金属镍丝作为蒸发源6并保持2rps的样品转速在全翅面粘固生物模板4表面蒸镀一层厚度为300nm的覆形金属膜9；

（B）参照图3、图4，进一步调整样品转轴2与水平面的二次夹角为20°，保持2rps的样品转速在经（A）步骤蒸镀后的全翅面粘固生物模板4表面再蒸镀一层厚度为300nm的镍质覆形金属膜9。

第三步：全翅面粘固生物模板选择性化学厚镀制阴模

（A）参照图5，将质量分数为10％的硫化纳水溶液混合到普通绝缘漆中制得具有催化毒性的绝缘漆，然后用该漆对第二步蒸镀有覆形金属膜9的全翅面粘固生物模板4局部涂覆绝缘漆面13，以保证除完整翅面之外的其他部位不能发生后续化学镀过程；

（B）对经（A）步骤局部绝缘后的全翅面粘固生物模板4进行活化预处理，并按标准酸性镀镍配方配置化学镀镍溶液，然后在温度为85℃、pH值为4.5条件下对活化后全翅面粘固生物模板4进行化学厚镀；

（C）参照图6，当经（B）步骤在全翅面粘固生物模板4上覆形金属膜9的外表面沉积出厚度为0.2mm的镍质化学厚镀层14后停止化学厚镀，取出镀件并用去离子水冲洗7次，进而揭除防水胶带12和玻璃基片10，制得全翅面复型阴模。

第四步：阴模表面鳞翅目昆虫翅膀等离子体灰化清除

参照图7，以氧气作为工艺气体，在氧气流量为300sccm、功率为350W条件下利用等离子体清洗机对第三步制得的全翅面复型阴模进行40min的氧等离子体低温灰化处理，以清除全翅面复型阴模上粘连的翅膜7、鳞片8等生物原型组织，进而完整地暴露出鳞片阴模15等微结构。

第五步：高分子预聚体高精度塑铸复型制阳模

选择具有较高复型精度的复型高聚物聚二甲基硅氧烷作为复型材料，先将预聚物Sylgard184与固化剂按10:1的比例配置其高分子预聚体，进而在浇铸型腔内对第四步灰化处理后的全翅面复型阴模进行塑铸复型，经真空除气3min、常温固化24h后脱模便制得全翅面复型阳模，最终完成对蓝凤蝶翅膀的全翅面、高逼真、大面积微结构复制。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。