專利名稱：一種水上微小機器人用疏水鋼絲腿部及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水上微小機器人用疏水鋼絲腿部及其制備方法，屬于機械零件制備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，國際上已經(jīng)開始研制仿水黽的水上微小機器人，它在偵察勘測、水質(zhì)監(jiān)控、 液面清污等領(lǐng)域具有十分重要的應(yīng)用前景。生物水黽利用疏水腿部在水面上自由地穿梭飛行。水黽僅用單腿就能在水面上支撐起其身體15倍的重量，其腿能夠排開300倍于身體體積的水量而不刺破水面，產(chǎn)生極大的表面張力。水黽腿部的剛毛表面具有粗糙微結(jié)構(gòu)，使吸附在粗糙微結(jié)構(gòu)中的氣泡形成氣墊。研究表明，水黽腿部粗糙微結(jié)構(gòu)是其具有超疏水性的關(guān)鍵。水上微小機器人的支撐力主要來自水的表面張力。腿部材料的親水或疏水性能對于能獲得多大表面張力非常關(guān)鍵。在相同結(jié)構(gòu)與尺寸的情況下，腿部材料與水的接觸角越大，能夠獲得的最大表面張力也越大。但水上微小機器人的腿部還應(yīng)具有一定的強度和剛度，因為其直接決定了機器人自重大小和負(fù)載能力。所以采用何種材料和工藝來制作既滿足強度和剛度要求，又具有超疏水表面性能的微小機器人腿部，是一個值得研究的重要問題。卡耐基-梅隆大學(xué)Sitti教授帶領(lǐng)的小組在2004年9月制作成功了名為“Water Walker”的水上微小機器人，該機器人用涂有防水塑料的鋼絲構(gòu)成腿部(Steve H. Suhr, Yun Seong Song, Sang Jun Lee, Metin Sitti. Biologically inspired miniature water strider robot[C]. Proceedings of the Robotics :Science and Systems I. Cambridge, MA, USA :2005.)。清華大學(xué)吳立成，丁樑，郭棟，等人在申請?zhí)?00610112601. 7的專利“水上漂浮仿生水黽機器人”公開了一種名為“Water Dancer"的水上微小機器人，它有6_8條腿，由直徑為0. 2mm的鋼絲制成，鋼絲表面用疏水物質(zhì)修飾。上面兩個例子都是用鋼絲來制作仿水黽水上微小機器人腿部，其強度和剛度滿足要求，而且鋼絲價格低廉，通用性好。但是其表面沒有粗糙微結(jié)構(gòu)，疏水性能僅僅靠疏水物質(zhì)修飾鋼絲表面獲得，并不是真正模仿水黽腿部的原理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明從仿生角度，基于水黽腿部疏水原理，提出一種水上微小機器人用疏水鋼絲腿部及其制備方法，在鋼絲表面制備粗糙微結(jié)構(gòu)并用疏水液修飾其表面，獲得良好疏水性能，同時也減輕了腿部的重量。本方法的技術(shù)方案是一種水上微小機器人用疏水鋼絲腿部，為一種表面有粗糙微結(jié)構(gòu)的鋼絲，所述微結(jié)構(gòu)表面附著有氟硅烷單分子層。一種水上微小機器人用疏水鋼絲腿部的制備方法，包括如下步驟步驟一在鋼絲表面腐蝕出粗糙微結(jié)構(gòu)，包括如下子步驟
子步驟1，將鋼絲依次經(jīng)過室溫5-10分鐘的丙酮震蕩清洗，室溫5-10分鐘的無水乙醇震蕩清洗，然后用去離子水清洗，以去除附著在上面的油污和其他雜質(zhì)；子步驟2，將鋼絲放入濃度為0. 5-2mol/L的H2SO4溶液中，室溫反應(yīng)3_8分鐘；子步驟3，取出鋼絲用去離子水清洗，然后用氮氣吹干；步驟二 配置氟硅烷疏水液，包括如下子步驟子步驟1，取體積為V的十七氟葵基三乙氧基硅烷(CF3 (CF2) ,CH2CH2Si (0C2H5) 3)放入體積為MV的水中配制成體積百分比為4%的氟硅烷中間溶液；子步驟2，用冰乙酸調(diào)節(jié)氟硅烷中間溶液的pH值至3. 5 ；子步驟3，將體積為75V的無水乙醇放入子步驟2處理后的氟硅烷中間溶液，將其稀釋成體積百分比為的氟硅烷溶液；子步驟4，將子步驟3所配制的氟硅烷溶液在室溫下充分?jǐn)嚢?0_1池，使其形成均勻透明液體，即為配置好的氟硅烷疏水液；步驟三用氟硅烷疏水液修飾鋼絲表面，包括如下子步驟子步驟1，用浸漬鍍膜儀在鋼絲表面粘附上一層氟硅烷疏水液鋼絲沿豎直方向向下浸入氟硅烷疏水液中，移動速度為50-100mm/min，在溶液中停留5_10秒，提起速度為 50-100mm/min,以獲得均勻的氟硅烷單分子層；子步驟2，將鋼絲放入烘箱中100°C下烘干10-15分鐘。本發(fā)明的有益效果是水在純鋼絲表面的靜態(tài)接觸角約為93°左右，經(jīng)過上述處理之后水在鋼絲表面的靜態(tài)接觸角可達(dá)到140°以上，大大增加了鋼絲的疏水性能。用本發(fā)明處理過的鋼絲做水上微小機器人的腿部可增大其疏水性，提高其支撐力，對水上微小機器人的應(yīng)用將產(chǎn)生一定的推動作用。


圖1是純鋼絲表面水滴靜態(tài)接觸角示意圖。圖2是純鋼絲表面水滴靜態(tài)接觸角照片。圖3是實施例1中得到的疏水鋼絲表面水滴靜態(tài)接觸角示意圖。圖4是實施例1中得到的疏水鋼絲表面水滴靜態(tài)接觸角照片。
具體實施例方式實施例1一種水上微小機器人用疏水鋼絲腿部，為一種表面有粗糙微結(jié)構(gòu)的鋼絲，所述微結(jié)構(gòu)表面附著有氟硅烷單分子層。一種水上微小機器人用疏水鋼絲腿部的制備方法，包括如下步驟步驟一在鋼絲表面腐蝕出粗糙微結(jié)構(gòu)，包括如下子步驟子步驟1，將鋼絲依次經(jīng)過室溫5分鐘的丙酮震蕩清洗，室溫5分鐘的無水乙醇震蕩清洗，然后用去離子水清洗。以去除附著在上面的油污和其他雜質(zhì)。子步驟2，將鋼絲放入濃度為0. 5mol/L的H2SO4溶液中，室溫反應(yīng)8分鐘。子步驟3，取出鋼絲用去離子水清洗，然后用氮氣吹干。
步驟二 配置氟硅烷疏水液，包括如下子步驟子步驟1，取Iml的十七氟葵基三乙氧基硅烷(CF3 (CF2) 7CH2CH2Si (0C2H5) 3)放入體積為2細(xì)1的水中配制成體積百分比為4%的氟硅烷中間溶液；子步驟2，用冰乙酸調(diào)節(jié)氟硅烷中間溶液的pH值至3. 5 ；子步驟3，將體積為75ml的無水乙醇放入子步驟2處理后的氟硅烷中間溶液，將其稀釋成體積百分比為的氟硅烷溶液。子步驟4，將子步驟3所配制的氟硅烷溶液在室溫下充分?jǐn)嚢?0h，使其形成均勻透明液體，即為配置好的氟硅烷疏水液；步驟三用氟硅烷疏水液修飾鋼絲表面，包括如下子步驟子步驟1，用浸漬鍍膜儀在鋼絲表面粘附上一層氟硅烷疏水液鋼絲沿豎直方向向下浸入氟硅烷疏水液中，移動速度為100mm/min，在溶液中停留10秒，提起速度為50mm/ min,以獲得均勻的氟硅烷單分子層；子步驟2，將鋼絲放入烘箱中100°C下烘干10分鐘。實施例2一種水上微小機器人用疏水鋼絲腿部，為一種表面有粗糙微結(jié)構(gòu)的鋼絲，所述微結(jié)構(gòu)表面附著有氟硅烷單分子層。一種水上微小機器人用疏水鋼絲腿部的制備方法，包括如下步驟步驟一在鋼絲表面腐蝕出粗糙微結(jié)構(gòu)，包括如下子步驟子步驟1，將鋼絲依次經(jīng)過室溫8分鐘的丙酮震蕩清洗，室溫8分鐘的無水乙醇震蕩清洗，然后用去離子水清洗。以去除附著在上面的油污和其他雜質(zhì)。子步驟2，將鋼絲放入濃度為lmol/L的H2SO4溶液中，室溫反應(yīng)5分鐘。子步驟3，取出鋼絲用去離子水清洗，然后用氮氣吹干。步驟二 配置氟硅烷疏水液，包括如下子步驟子步驟1，取2ml的十七氟葵基三乙氧基硅烷(CF3 (CF2) 7CH2CH2Si (0C2H5) 3)放入體積為48ml的水中配制成體積百分比為4%的氟硅烷中間溶液；子步驟2，用冰乙酸調(diào)節(jié)氟硅烷中間溶液的pH值至3. 5 ；子步驟3，將體積為150ml的無水乙醇放入子步驟2處理后的氟硅烷中間溶液，將其稀釋成體積百分比為的氟硅烷溶液。子步驟4，將子步驟3所配制的氟硅烷溶液在室溫下充分?jǐn)嚢鑜lh，使其形成均勻透明液體，即為配置好的氟硅烷疏水液；步驟三用氟硅烷疏水液修飾鋼絲表面，包括如下子步驟子步驟1，用浸漬鍍膜儀在鋼絲表面粘附上一層氟硅烷疏水液鋼絲沿豎直方向向下浸入氟硅烷疏水液中，移動速度為70mm/min，在溶液中停留7秒，提起速度為80mm/ min,以獲得均勻的氟硅烷單分子層；子步驟2，將鋼絲放入烘箱中100°C下烘干12分鐘。實施例3一種水上微小機器人用疏水鋼絲腿部，為一種表面有粗糙微結(jié)構(gòu)的鋼絲，所述微結(jié)構(gòu)表面附著有氟硅烷單分子層。一種水上微小機器人用疏水鋼絲腿部的制備方法，包括如下步驟
步驟一在鋼絲表面腐蝕出粗糙微結(jié)構(gòu)，包括如下子步驟子步驟1，將鋼絲依次經(jīng)過室溫10分鐘的丙酮震蕩清洗，室溫10分鐘的無水乙醇震蕩清洗，然后用去離子水清洗。以去除附著在上面的油污和其他雜質(zhì)。子步驟2，將鋼絲放入濃度為0. 5mol/L的H2SO4溶液中，室溫反應(yīng)3分鐘。子步驟3，取出鋼絲用去離子水清洗，然后用氮氣吹干。步驟二 配置氟硅烷疏水液，包括如下子步驟子步驟1，取3ml的十七氟葵基三乙氧基硅烷(CF3 (CF2) 7CH2CH2Si (0C2H5) 3)放入體積為72ml的水中配制成體積百分比為4%的氟硅烷中間溶液；子步驟2，用冰乙酸調(diào)節(jié)氟硅烷中間溶液的pH值至3. 5 ；子步驟3，將體積為225ml的無水乙醇放入子步驟2處理后的氟硅烷中間溶液，將其稀釋成體積百分比為的氟硅烷溶液。子步驟4，將子步驟3所配制的氟硅烷溶液在室溫下充分?jǐn)嚢?2h，使其形成均勻透明液體，即為配置好的氟硅烷疏水液；步驟三用氟硅烷疏水液修飾鋼絲表面，包括如下子步驟子步驟1，用浸漬鍍膜儀在鋼絲表面粘附上一層氟硅烷疏水液鋼絲沿豎直方向向下浸入氟硅烷疏水液中，移動速度為50mm/min，在溶液中停留5秒，提起速度為IOOmm/ min,以獲得均勻的氟硅烷單分子層；子步驟2，將鋼絲放入烘箱中100°C下烘干15分鐘。
權(quán)利要求
1.一種水上微小機器人用疏水鋼絲腿部，其特征在于為一種表面有粗糙微結(jié)構(gòu)的鋼絲，所述微結(jié)構(gòu)表面附著有氟硅烷單分子層。
2.一種如權(quán)利要求1所述的水上微小機器人用疏水鋼絲腿部的制備方法，包括如下步驟步驟一在鋼絲表面腐蝕出粗糙微結(jié)構(gòu)，包括如下子步驟子步驟1，將鋼絲依次經(jīng)過室溫5-10分鐘的丙酮震蕩清洗，室溫5-10分鐘的無水乙醇震蕩清洗，然后用去離子水清洗；子步驟2，將鋼絲放入濃度為0. 5 2mol/L的H2SO4溶液中，室溫反應(yīng)3_8分鐘； 子步驟3，取出鋼絲用去離子水清洗，然后用氮氣吹干； 步驟二 配置氟硅烷疏水液，包括如下子步驟子步驟1，取體積為V的十七氟葵基三乙氧基硅烷放入體積為24V的水中配制成體積百分比為4%的氟硅烷中間溶液；子步驟2，用冰乙酸調(diào)節(jié)氟硅烷中間溶液的pH值至3. 5 ；子步驟3，將體積為75V的無水乙醇放入子步驟2處理后的氟硅烷中間溶液，將其稀釋成體積百分比為的氟硅烷溶液；子步驟4，將子步驟3所配制的氟硅烷溶液在室溫下充分?jǐn)嚢?0-1池，使其形成均勻透明液體，即為配置好的氟硅烷疏水液；步驟三用氟硅烷疏水液修飾鋼絲表面，包括如下子步驟子步驟1，用浸漬鍍膜儀在鋼絲表面粘附上一層氟硅烷疏水液鋼絲沿豎直方向向下浸入氟硅烷疏水液中，移動速度為50-100mm/min，在溶液中停留5_10秒，提起速度為 50-100mm/min,以獲得均勻的氟硅烷單分子層；子步驟2，將鋼絲放入烘箱中100°C下烘干10-15分鐘。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種水上微小機器人用疏水鋼絲腿部及其制備方法，屬于機械零件制備領(lǐng)域。該水上微小機器人用疏水鋼絲腿部為一種表面有粗糙微結(jié)構(gòu)的鋼絲，所述微結(jié)構(gòu)表面附著有氟硅烷單分子層。而且，本發(fā)明從仿生角度，基于水黽腿部疏水原理，該水上微小機器人用疏水鋼絲腿部制備方法，通過在鋼絲表面制備粗糙微結(jié)構(gòu)并用疏水液修飾其表面，獲得良好疏水性能，同時也減輕了腿部的重量。實驗結(jié)果表明水在純鋼絲表面的靜態(tài)接觸角約為93°左右，而使用本發(fā)明方法制備的鋼絲表面的靜態(tài)接觸角可達(dá)到140°以上，大大增加了鋼絲的疏水性能。用本發(fā)明處理過的鋼絲做水上機器人的腿部可增大其疏水性，提高其支撐力，對水上機器人的應(yīng)用將產(chǎn)生一定的推動作用。
文檔編號C23C22/34GK102219050SQ20111000632
公開日2011年10月19日 申請日期2011年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月13日
發(fā)明者何洋, 姜澄宇, 尹恒許, 張峰, 王圣坤, 田夢君, 胡培軍, 苑偉政, 陳俊 申請人:西北工業(yè)大學(xué)