仿生粘附結(jié)構(gòu)的方向性粘附機(jī)理研究.pdf

1、壁虎等動(dòng)物的微納分級(jí)粘附系統(tǒng)為具有仿生粘附結(jié)構(gòu)的干粘附材料的研發(fā)提供了仿生學(xué)原型。這種仿生粘附材料在爬壁機(jī)器人，微操縱，微納轉(zhuǎn)印工藝，生物醫(yī)學(xué)膠帶等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。生物和仿生粘附力學(xué)，仿生粘附結(jié)構(gòu)的加工方法和測(cè)試技術(shù)的研究可為高性能仿生粘附材料的研發(fā)奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)，并已成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。然而對(duì)實(shí)際可應(yīng)用的具有方向性粘附特性的仿生粘附結(jié)構(gòu)的分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)工作亟待深入探索。
　　 本文以揭示典型仿生粘附結(jié)構(gòu)的方向性粘

2、附機(jī)理為目標(biāo)，系統(tǒng)研究了幾種典型仿生粘附結(jié)構(gòu)在剛性平面的粘附問題，進(jìn)而探討了粘附結(jié)構(gòu)在正弦表面和粗糙表面上的方向性粘附規(guī)律，分析了粘附結(jié)構(gòu)陣列的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，并探索了仿生粘附結(jié)構(gòu)的飛秒激光雙光子加工方法和基于原子力顯微鏡(AFM)平臺(tái)的方向性粘附特性的測(cè)試技術(shù)。
　　 在粘附力學(xué)分析方面，首先基于不可拉伸歐拉彈性桿理論和表面能概念，利用變分法和數(shù)學(xué)分析推導(dǎo)出不可拉伸直纖維結(jié)構(gòu)在剛性平面上粘附的側(cè)面接觸模型(ISCM，Inexte

3、nsible Side Contact Model)。這一模型可用于預(yù)測(cè)這種粘附結(jié)構(gòu)的脫附模式和粘附規(guī)律。研究結(jié)果表明，增加剪切力，纖維傾角和纖維的彎曲柔性都能夠有效地增加法向拔出力。而且利用能量最小化原理證明所有粘附平衡狀態(tài)都是穩(wěn)定的。
　　 其次，通過將軸向變形能計(jì)入系統(tǒng)的能量泛函，將ISCM模型推廣到可拉伸直纖維結(jié)構(gòu)的情況，建立了可拉伸側(cè)面接觸模型(ESCM，Extensible Side ContactModel)。而且

4、對(duì)ESCM模型作簡(jiǎn)單的修正，可將它用于分析纖維粘附部分的預(yù)張力對(duì)粘附行為的影響。研究結(jié)果表明:由于纖維的可拉伸變形，當(dāng)施加最優(yōu)的剪切力時(shí)纖維存在最大法向拔出力，且在彎曲剛度不變的情況下，最大法向拔出力隨軸向剛度的增大而增強(qiáng)。而對(duì)預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的研究表明:施加一個(gè)最優(yōu)的預(yù)張力能夠使最大法向拔出力極大化。
　　 接著，還將ESCM模型推廣到兩級(jí)纖維結(jié)構(gòu)在剛性平面上粘附的情況。結(jié)果表明，對(duì)于典型的兩級(jí)纖維結(jié)構(gòu)，存在一個(gè)依賴于結(jié)構(gòu)參數(shù)的臨界

5、剪切力。當(dāng)剪切力低于這個(gè)臨界值時(shí)，彎曲變形起主導(dǎo)作用，粘附力隨著剪切力幾乎線性地增加，且可以通過改變纖維的結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)調(diào)控其粘附規(guī)律;而當(dāng)剪切力超過這個(gè)值，軸向變形起主導(dǎo)作用，且粘附規(guī)律與經(jīng)典的Kendall模型所預(yù)測(cè)的結(jié)果一致。從定性的角度看，模型所預(yù)測(cè)的粘附規(guī)律與文獻(xiàn)報(bào)道的對(duì)生物和仿生多級(jí)粘附結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較一致。
　　 最后，也將側(cè)面接觸模型推廣到直纖維在剛性曲面，尤其是正弦表面上粘附的情況。研究表明:當(dāng)纖維在正弦表面上粘

6、附時(shí)，存在最有利的位置使法向拔出力最大化。當(dāng)沿著纖維的傾斜方向施加適度的剪切力時(shí)，纖維在曲面上的法向拔出力會(huì)隨著剪切力的增加而增強(qiáng)（即所謂的“方向性粘附特性”）;而當(dāng)剪切力超過臨界值時(shí)，纖維會(huì)沿著表面滑移，這有利于實(shí)現(xiàn)纖維與表面之間的位置匹配，從而能在一定程度上增強(qiáng)纖維的粘附力?；谶@些研究和進(jìn)一步的分析，可對(duì)壁虎腳掌在不同粗糙表面上粘附時(shí)所表現(xiàn)出的粗糙度尺度效應(yīng)進(jìn)行定性地解釋。
　　 在粘附纖維結(jié)構(gòu)陣列的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，基于推導(dǎo)

7、出來(lái)的單根粘附結(jié)構(gòu)的粘附規(guī)律，分別對(duì)單級(jí)和兩級(jí)纖維結(jié)構(gòu)陣列的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。對(duì)于每一種纖維結(jié)構(gòu)陣列，定義了纖維陣列的結(jié)構(gòu)參數(shù)，推導(dǎo)了相鄰纖維不發(fā)生聚集的條件（抗聚集條件）和纖維陣列的粗糙表面適應(yīng)性條件，進(jìn)而對(duì)優(yōu)化問題進(jìn)行了深入的分析和討論。由此獲得的知識(shí)和優(yōu)化方法能夠幫助仿生纖維陣列的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　 在實(shí)驗(yàn)研究方面，用飛秒激光雙光子聚合加工技術(shù)加工了仿生粘附結(jié)構(gòu)及其陣列，并提出了將端頭帶微柱子的微懸臂梁集成到AF

8、M的兩軸力測(cè)試平臺(tái)上，對(duì)單根仿生粘附結(jié)構(gòu)的方向性粘附特性進(jìn)行測(cè)試的方法，還通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和微加工工藝初步研制出這種特殊的微懸臂梁。
　　 基于以上研究，本論文在以下方面做出了創(chuàng)新:1）為不可拉伸和可拉伸直纖維結(jié)構(gòu)在剛性平面上粘附問題建立了不可拉伸側(cè)面接觸模型(ISCM)和可拉伸側(cè)面接觸模型(ESCM)。這些模型可直接用于預(yù)測(cè)相應(yīng)粘附結(jié)構(gòu)在剛性平面上的脫附模式和方向性粘附規(guī)律。2）將側(cè)面接觸模型推廣到兩級(jí)直纖維結(jié)構(gòu)在剛性平面上粘附和