可逆黏附微观机制的仿生研究

本项目将通过微尺度实验与理论分析相结合的方法，仿生研究壁虎脚掌最小黏附单元的黏附影响因素以及黏附与脱黏的微观可逆机制。重点研究壁虎最小黏附单元的尺寸效应、几何效应、以及基体表面效应对黏附的影响等。首先仿生壁虎最小单元的黏附行为，系统地开展有限尺寸薄膜/基体的撕脱实验，测量不同粗糙度表面、不同尺寸薄膜、不同撕脱角度等对撕脱力的影响；其次，建立理论及数值模型，考虑薄膜的结构尺寸，黏附接触区长度，薄膜受载方式、薄膜与不同粗糙度表面的接触方式等因素，仿生研究壁虎最小单元的黏附与脱黏过程及撕脱力的变化规律；进一步分析多个薄膜单元组合的黏附及脱黏的共同行为；结合已有对黏附影响因素的研究与本项目的研究结果，阐明壁虎等生物可逆黏附的微观力学机制，为仿生爬壁机器人黏附系统的研究及超强黏附材料的设计提供必要的理论基础及技术指导，同时发展表面/界面接触力学。

该项目通过仿生壁虎脚部最小黏附单元，即类似于有限尺寸的纳米薄膜，建立了多个理论模型研究了表面/界面微观可逆黏附的多个影响因素，并与已有的实验结果进行比较，适当开展了薄膜撕脱实验，最终揭示了微观可逆黏附主要因素的影响机制。首先建立了有限长薄膜的黏附撕脱模型，发现薄膜与基底界面的黏附强度随撕脱角的增大而减小的现象，并发现存在一个临界黏附长度，当黏附长度大于该临界长度时，一定撕脱角情况下，界面撕脱力不变。进一步考虑薄膜内预应力对界面可逆黏附的影响，与无预应力的情况相比，预应力有效地增大了撕脱角较小时界面的黏附强度，减小了撕脱角较大时的界面黏附强度，即提高了薄膜与基底界面可逆黏附的鲁棒性。对于二级或多级结构，预应力的影响与对单级结构可逆黏附规律一致，且预应力达到一定大小后，总存在一个临界撕脱角，薄膜与基底发生自发脱黏。建立了考虑基底表面粗糙度的薄膜黏附模型，发现有限长薄膜与粗糙基底的黏附有别于无限长薄膜黏附特征，当薄膜长度小于波长时，等效黏附能随表面粗糙度先减小，然后又出现增大的现象，与他人的实验发现一致，揭示了黏附长度对薄膜与粗糙表面黏附强度的影响机制。考虑环境湿度对界面黏附的影响，当环境湿度较小时，薄膜与基底界面黏附强度随湿度的增大而增大，当环境湿度进一步提高，水膜凝聚成水滴，薄膜与基底界面黏附强度则随液滴体积的增大而降低，最终界面黏附强度消失。建立了考虑黏附单元末端形状对界面黏附的影响，发现蘑菇状末端的单元黏附强度最强，并揭示了影响其黏附强度的因素，进一步考虑了界面缺陷及摩擦对蘑菇状单元界面黏附尺寸效应的影响。考虑生物材料的黏弹性，我们也仿生建立了黏弹性薄膜及黏弹性纤维与基底界面黏附强度随加载率的变化规律，并分析了黏弹性材料的缺陷不敏感性条件，获得了黏弹性条带缺陷不敏感的解析特征长度。开展了相应的薄膜撕脱实验研究，主要讨论了撕脱率、薄膜黏附长度、撕脱角等参量之间的关系，得到了合理的初步结果，并将进一步深入开展实验研究。该项目的执行过程中，我们加入了有关表面/界面力学的其它内容，包括碳纤维增强复合材料中纤维/基体界面强度的影响因素、梯度材料表面的抗磨损性能以及多颗粒烧结的微结构演化问题。总体而言，该项目很好地完成了预设目标，揭示了表面/界面微观可逆黏附的多个影响机制，对超强黏附材料及微型爬壁机器人黏附系统的设计提供了设计的新思想。