一种具有微纳结构的月尘防护导电薄膜及其制备方法
阅读说明：本技术 一种具有微纳结构的月尘防护导电薄膜及其制备方法 (Lunar dust protection conductive film with micro-nano structure and preparation method thereof ) 是由 张海燕 王鹢 李存惠 王晓 王永军 赵呈选 庄建宏 王卫东 王健 于 2021-02-09 设计创作，主要内容包括：本申请涉及月尘防护技术领域,具体而言,涉及一种具有微纳结构的月尘防护导电薄膜及其制备方法,包括金属基底层、一级微米结构层以及二级纳米导电填充层,其中：在金属基底层上通过倒模工艺形成表面粗糙的一级微米结构层；在一级微米结构层上涂覆导电层形成二级纳米导电填充层。本发明通过一级微米结构层降低了被防护表面之间的表面能,从而降低了月尘与被防护表面之间的范德华力；通过构建二级纳米导电填充层增加了防护薄膜的导电特性,从而降低了月尘与被防护表面之间的静电力,通过同时降低月尘与被防护表面之间的范德华力和静电力,达到了良好的月尘防护效果。(The application relates to the technical field of lunar dust protection, in particular to a lunar dust protection conductive film with a micro-nano structure and a preparation method thereof, wherein the lunar dust protection conductive film comprises a metal substrate layer, a primary micro-structure layer and a secondary nano conductive filling layer, wherein: forming a first-level micron structural layer with a rough surface on the metal substrate layer through a reverse mould process; and coating the conductive layer on the primary microstructure layer to form a secondary nano conductive filling layer. The surface energy between the protected surfaces is reduced through the primary micron structure layer, so that the van der Waals force between the lunar dust and the protected surfaces is reduced; the conductive characteristic of the protective film is improved by constructing the two-stage nano conductive filling layer, so that the electrostatic force between the lunar dust and the protected surface is reduced, and the good lunar dust protection effect is achieved by simultaneously reducing the Van der Waals force and the electrostatic force between the lunar dust and the protected surface.)
技术领域
本申请涉及月尘防护技术领域，具体而言，涉及一种具有微纳结构的月尘防护导电薄膜及其制备方法。
背景技术
从二十世纪六十年代Apollo登月计划实施以来，月尘对探月设备、宇航服、热控设备、光学系统、太阳能电池的影响极其严重，月尘主要来源是月球表面的风化和微流星体碰撞，在月球表面受到摩擦、太阳光电效应后极易带电，带电后的月尘会悬浮并迁移，沉积在探月设备的月尘由于极强的粘附力，长期沉积在设备表面，影响探月设备正常工作甚至失效。除此之外，月尘外表不规则，棱角分明，会造成探月设备表面磨损以及精密器件失效，在Apollo时期就将月尘环境列为月球第一大环境危害因素，亟需开展月尘防护研究，确保未来探月任务顺利进行。
在Apollo探月时期，最初设计了除尘刷进行月尘清除，月尘刷坚硬的刷毛会造成设备表面损伤；通过不可压缩流体冲击月尘沉积的表面，也是一种除尘的方法，但高压流体也会对表面造成影响，影响其正常工作；通过机械振动和电帘除尘的方法需要外部提供高压电源，在真空下容易引起击穿效应，且以上除尘多以人为参与为主，给探月任务的科学探测带来的极大的困难。除此之外，已有的月尘防护方法中没有考虑月尘的带电特性引起的粘附特性的防护。因此，开发出一种有效的无需人为参与的无源月尘清除方法是探月任务急需解决的关键。
发明内容
本发明针对现有技术中月尘防护方法中需要人为操作和外界提供电源的问题，提供了一种无需宇航员操作，也无需外部提供电源的具有微纳结构的月尘防护导电薄膜及其制备方法。
本申请提供的一种具有微纳结构的月尘防护导电薄膜，包括金属基底层、一级微米结构层以及二级纳米导电填充层，其中：在金属基底层上通过倒模工艺形成表面粗糙的一级微米结构层；在一级微米结构层上涂覆导电层形成二级纳米导电填充层。
进一步的，金属基底层的掩膜版为微米结构间隙为10um的具有金字塔型的砂纸；一级微米结构层为具有微米结构的柔性氧化铟锡(ITO)薄膜；二级纳米导电填充层为涂覆石墨烯片稀释液、碳纳米管(CNT)及白炭黑(SiO2)稀释液形成的导电层。
进一步的，碳纳米管(CNT)及白炭黑(SiO2)稀释液是用酒精溶解的碳纳米管(CNT)及白炭黑(SiO2)。
进一步的，碳纳米管(CNT)稀释液的质量分数为2～4％，白炭黑(SiO2)稀释液的质量分数分别为1～2％。
进一步的，石墨烯片稀释液是用酒精溶解的石墨烯片。
进一步的，石墨烯片稀释液的质量分数为4～6％。
进一步的，金属基底层为铝金属基底。
此外，本申请还提供了一种制备具有微纳结构的月尘防护导电薄膜的方法，包括以下步骤：步骤1：将铝金属基底用乙醇和超纯水依次超声清洗15min进行表面剖光处理，再将其放置在等离子体处理箱中进行等离子体处理(功率为200w，时间30s)，实现铝金属基板表面的疏水基团亲水活化；步骤2：在铝金属基底上将氧化铟锡(ITO)水性溶液充分搅拌后旋涂(5000转，10s)在经过步骤1处理后的铝金属基底上，然后将其放置烘箱烘干30min(70℃)；步骤3：使用具有倒金字塔型的压模板对步骤(2)形成的ITO未完成固化的薄膜进行压模；步骤4：将步骤3得到的样品放入烘箱烘4h(70℃)，形成具有规则的倒三角形的一级微米结构层；步骤5：在一级微米结构层表面均匀喷涂碳纳米管(CNT)及白炭黑(SiO2)稀释液，喷涂10s，然后置于70℃的烘箱烘0.5h，取出后均匀擦去表面未紧密贴合的碳纳米管(CNT)及白炭黑(SiO2)稀释液，形成二级纳米导电填充层；步骤6：经过上述加工工艺即可形成具备导电性、低表面能特性和疏尘效果的表面粗糙的具有微纳结构的月尘防护导电薄膜。
本发明提供的一种具有微纳结构的月尘防护导电薄膜及其制备方法，具有以下有益效果：
(1)本发明通过一级微米结构层降低了被防护表面之间的表面能，从而降低了月尘与被防护表面之间的范德华力；通过构建二级纳米导电填充层增加了防护薄膜的导电特性，从而降低了月尘与被防护表面之间的静电力，通过同时降低月尘与被防护表面之间的范德华力和静电力，达到了良好的月尘防护效果。
(2)本发明提供的具有微纳结构的月尘防护导电薄膜表面电阻＜105Ω/sq，可以耐月球环境温度范围为-40℃～+40℃，适用于粒径大于40um的月尘防护，特别是用于具有金属表面的探月设备月尘防护；
(3)本发明提供的具有微纳结构的月尘防护导电薄膜采用氧化铟锡(ITO)材料作为一级微米结构层，有良好的导电特性，且具有良好的月球环境适应性；
(4)本发明具有微纳结构的月尘防护导电薄膜的制备方法可以使得接触角为130°，使月尘对薄膜表面黏附力降低更加明显。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请具有微纳结构的月尘防护导电薄膜的结构示意图；
图2为本申请具有微纳结构的月尘防护导电薄膜表面微纳结构在光学显微镜下的示意图；
图中：1-金属基底层、2-一级微米结构层、3-二级纳米导电填充层、4-一级微米结构间距100um。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。
如图1至图2所示，本申请提供的一种具有微纳结构的月尘防护导电薄膜，包括金属基底层1、一级微米结构层2以及二级纳米导电填充层3，其中：在金属基底层1上通过倒模工艺形成表面粗糙的一级微米结构层2；在一级微米结构层2上涂覆导电层形成二级纳米导电填充层3。
具体的，本发明实施例提供的具有微纳结构的月尘防护导电薄膜通过建立一级微米结构层2降低月尘与被防护表面之间由范德华力产生的粘附力，在一级微米结构层2基础上再填充二级纳米导电填充层3用于月尘自身电荷的转移，降低由月尘带电产生的静电粘附力，可应用于月球探测任务中无需宇航员操作，在轨无法提供电源时的应用场景。
进一步的，金属基底层1的掩膜版为微米结构间隙为10um的具有金字塔型的砂纸；一级微米结构层2为具有微米结构的柔性氧化铟锡(ITO)薄膜；二级纳米导电填充层3为涂覆石墨烯片稀释液、碳纳米管(CNT)及白炭黑(SiO2)稀释液形成的导电层。使用ITO制作一级微米结构层2是因为ITO是一种透明可导电的柔性材质，而石墨烯片稀释液、碳纳米管和白炭黑的稀释液中的主材质具有很好的导电特性，稀释液喷涂方便，为月尘电荷泄放提供了很好的介质。
进一步的，碳纳米管(CNT)及白炭黑(SiO2)稀释液是用酒精溶解碳纳米管(CNT)及白炭黑(SiO2)。
进一步的，碳纳米管(CNT)稀释液的质量分数为2～4％，白炭黑(SiO2)稀释液的质量分数分别为1～2％，可以对带电量在10eV内的月尘颗粒电荷进行泄放。
进一步的，石墨烯片稀释液是用酒精溶解的石墨烯片。
进一步的，石墨烯片稀释液的质量分数为4～6％。
进一步的，金属基底层1为铝金属基底。通过图2中薄膜表面结构光学显微镜示意图，可以从图中清晰看到薄膜表面倒三角形的微纳结构以及喷涂层。
此外，本申请实施例还提供了一种制备具有微纳结构的月尘防护导电薄膜的方法，包括以下步骤：步骤1：将铝金属基底用乙醇和超纯水依次超声清洗15min进行表面剖光处理，再将其放置在等离子体处理箱中进行等离子体处理(功率为200w，时间30s)，实现铝金属基板表面的疏水基团亲水活化；步骤2：在铝金属基底上将氧化铟锡(ITO)水性溶液充分搅拌后旋涂(5000转，10s)在经过步骤1处理后的铝金属基底上，然后将其放置烘箱烘干30min(70℃)；步骤3：使用具有倒金字塔型的压模板对步骤(2)形成的ITO未完成固化的薄膜进行压模；步骤4：将步骤3得到的样品放入烘箱烘4h(70℃)，形成具有规则的倒三角形的一级微米结构层2；步骤5：在一级微米结构层2表面均匀喷涂碳纳米管(CNT)及白炭黑(SiO2)稀释液，喷涂10s，然后置于70℃的烘箱烘0.5h，取出后均匀擦去表面未紧密贴合的碳纳米管(CNT)及白炭黑(SiO2)稀释液，形成二级纳米导电填充层3；步骤6：经过上述加工工艺即可形成具备导电性、低表面能特性和疏尘效果的表面粗糙的具有微纳结构的月尘防护导电薄膜。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
注：以下实施例所用抛光处理前的铝片为同一批次。
实施例1-5：二级纳米导电填充层3溶剂配比
将铝金属基底用乙醇和超纯水依次超声清洗15min进行表面剖光处理，再将其放置在等离子体处理箱中进行等离子体处理(功率为200w，时间30s)，对表面剖光处理的铝金属基底上涂一层3M 2216 B/A灰胶后旋涂ITO水性溶液(5000r/min，10s)，随后放置在烘箱烘干30min(70℃)，取出后进行压模，再放入烘箱烘4h(70℃)。在一级微米结构层2表面均匀喷涂质量分数分别是3％，4％，5％，6％和7％的的石墨烯片溶液，喷涂10s，然后置于70℃的烘箱烘0.5h，取出后均匀擦去表面未紧密贴合的石墨烯片溶液，形成二级纳米导电填充层3，通过实验测得的防护薄膜的接触角和月尘黏附力下降比如表1所示。
表1不同石墨烯片浓度下性能比较
研究发现，石墨烯片溶液质量百分比直接影响防护导电薄膜的接触角以及与月尘之间的黏附力。石墨烯片溶液质量百分比较小时，月尘黏附力下降较少，而当质量百分比大于6％时，月尘黏附力又开始增加。因此，当石墨烯片溶液质量分数在5％～6％时，月尘黏附力下降最明显。
实施例6-10：二级纳米导电填充层3溶剂配比
按照实施例1-5所列出的方法步骤完成薄膜一级微米结构的制备，二级纳米导电填充层3采用质量分数不同的碳纳米管溶液进行喷涂，喷涂10s，然后置于70℃的烘箱烘0.5h，取出后均匀擦去表面未紧密贴合的碳纳米管溶液，形成二级纳米导电填充层3，通过实验测得的防护薄膜的接触角和月尘黏附力下降比如表2所示。
表2不同碳纳米管浓度下性能比较
研究发现，碳纳米管溶液质量百分比直接影响防护导电薄膜的接触角以及与月尘之间的黏附力。碳纳米管溶液质量百分比较小时，月尘黏附力下降较少，而当质量百分比大于4％时，月尘黏附力又开始增加。因此，当石墨烯片溶液质量分数在3％～4％时，月尘黏附力下降最明显。
实施例11-13：二级纳米导电填充层3溶剂配比
按照实施例6-9所列出的方法步骤完成薄膜一级微米结构的制备，二级纳米导电填充层3采用质量分数不同的白炭黑溶液进行喷涂，喷涂10s，然后置于70℃的烘箱烘0.5h，取出后均匀擦去表面未紧密贴合的白炭黑溶液，形成二级纳米导电填充层3，通过实验测得的防护薄膜的接触角和月尘黏附力下降比如表3所示。
表3不同白炭黑浓度下性能比较
研究发现，白炭黑溶液质量百分比直接影响防护导电薄膜的接触角以及与月尘之间的黏附力。白炭黑溶液质量百分比较小时，月尘黏附力下降较多，而当质量百分比大于2％时，月尘黏附力又开始增加。因此，当白炭黑溶液质量分数在1％～2％时，月尘黏附力下降最明显。
实施例14-21：二级纳米导电填充层3溶剂配比
通过实施例1-13可得，单一的石墨烯片溶液、碳纳米管溶液和白炭黑溶液作为二级纳米导电层很难高效率降低月尘对其表面的黏附力，为了更大程度降低月尘对受保护表面的黏附力，将不同质量分数的石墨烯片溶液、碳纳米管溶液以及白炭黑溶液进行混合，可得到不同配比下的月尘黏附力下降数值，具体如表4所示。
表4不同溶剂配比下性能比较
通过实施例14～21可得，通过对不同质量分数的三种溶液进行混合，可以得到防护表面接触角有所增加，但是月尘黏附力下降百分比有明显提高，均大于80％。因此本发明优选出石墨烯片溶液质量分数为5％，碳纳米管溶液质量分数为3％，白炭黑溶液质量分数为1％，三种溶液按照1∶1∶1进行配比。
对比例1
对比例1制备月尘防护薄膜过程中，对铝片基底不进行抛光，按照实施例1中的方法进行防护导电薄膜研制，二级纳米结构导电涂层溶液配比选取实施例14中的配比，最终发现在进行月尘黏附力测试时，铝片上的微纳结构防尘薄膜出现了脱落。实验表明，若对基底铝金属不进行抛光，会降低薄膜与受保护基底直接的接触力，会大大减弱月尘防护效果。
对比例2
对比例2制备微纳结构月尘防护薄膜时，按照实施例1中的方法步骤进行薄膜制备，二级纳米结构导电涂层溶液配比选取实施例14中的配比，将掩模版上的倒三角形间隙换为50um、100um和150um，最终得到的防护薄膜月尘黏附力比10um情形下的月尘防护效果与实施例14相比分别降低了20％、23％和40％，说明掩模板上的微结构间隙对月尘防护效果有着重要的作用。
对比例3
对比例3中制备防护薄膜过程中只按照实施例1中完成了一级微米ITO薄膜结构，未进行二级纳米导电涂层填充，最终根据实验结果发现，月尘黏附力与实施例14相比降低了60％，因此喷涂二级导电涂层对于此发明中所设计的月尘防护薄膜至关重要。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：通用串行总线线缆