基于接触/摩擦电效应的碳纳米管阵列设计、制备及黏附性能

The extraordinary adhesion ability of gecko derives from its micro-nano scale setae with hierarchical structure. As an effective bio-inspired adhesive, vertical aligned carbon nanotube array (VACNT) still has some limitations during application, such as the unstable adhesion property and weak adhesive repeatability. And the effect mechanism of micro-nano structure of VACNT on its adhesion property is still unclear. The contact/tribo-electricity exists between VACNT and the contact surface. So the structural parameters of VACNT will affect the contact/tribo-electrification during adhesion and then further affect its adhesion property. Considering the contact/tribo-electricity effect, the project intends to develop a theoretical model to predict the relationship between structural parameters and contact/tribo-charges. Through optimizing the preparation technology, the structural parameters of VACNT will be precisely controlled. A suitable testing system will be built to investigate the contact/tribo-charges and adhesion property synchronously. Then test the contact/tribo-charges as well as the adhesion property of VACNT to explain the influence of contact/tribo-charges on the adhesion property. And finally reveal the effect mechanism of structural parameters on its adhesion property. The findings of this project aims to provide a design criterion of VACNT with improved adhesion property, and guidance to the design and application of bio-inspired micro-nano structural adhesive.

壁虎卓越的黏附爬行能力得益于其脚趾腹面密布的微纳米刚毛层级结构。垂直定向排列碳纳米管阵列(VACNT)仿生黏附材料，在实际应用中存在黏附强度不稳定、黏附可重复性差等问题，VACNT的微纳结构参数对其黏附性能调控机制仍不清楚。由于VACNT与界面接触能产生接触/摩擦电场，VACNT微纳结构参数的改变将会影响黏附过程中所产生的接触/摩擦电效应，进而影响黏附性能。本项目基于接触/摩擦电效应，建立VACNT微纳结构接触/摩擦电理论模型，实现微纳结构参数可控的VACNT制备，搭建适于研究VACNT接触/摩擦电效应和黏附性能的同步测试系统，测试不同微纳结构参数VACNT的接触/摩擦电量和黏附强度，揭示结构参数对黏附性能的调控机制。项目的完成将提出具有高黏附性能VACNT的结构参数设计准则，以指导仿生微纳结构黏附材料的设计与应用。

仿生黏附技术是多学科交叉的研究领域，通过研究动物黏附结构、功能及机理，启发和指导仿生黏附材料的研制。垂直定向排列碳纳米管仿生黏附阵列(VACNT)是仿生黏附材料的一类重要分支，前期大量研究已对基于范德华力作用的VACNT黏附强度做出理论和实验研究，同时也暴露出VACNT黏附过程中存在的不稳定性，以及对其微纳结构参数和黏附性能间的调控机制存在研究空白。壁虎接触/摩擦电效应的研究对我们进一步研究VACNT性能稳定提供必要的仿生启示。.本项目主要开展了以下研究内容：1) 碳纳米管阵列的微纳结构参数调控及黏附性能研究。从多项工艺参数出发进行系统性研究，对VACNT微纳结构参数（高度、管径、缠绕度、质量密度、结合都）进行调控，并对黏附性能影响规律进行研究；2) 用于接触/摩擦致电效应研究的新型碳纳米管阵列制备工艺研究。 使用不锈钢和Inconel作为生长基底，制备出金属基碳纳米管阵列，同时针对基底弯曲现象进行改善研究；3) 接触/摩擦电及外电场对碳纳米管阵列的黏附性能影响研究。通过实验平台对VACNT的接触/摩擦电效应进行系统测试，同时采用外加电场下黏附力测量平台，对外电场影响下的样品切向黏附力进行采集分析。4) 碳纳米管阵列与接触表面间的接触/摩擦电效应和机理分析。通过理论建模对VACNT黏附中静电作用的影响进行分析，对接触/摩擦带电后的VACNT与黏附目标表面之间的静电作用进行建模计算，分析其对黏附作用造成的影响。5) 进一步对碳基仿生黏附材料与金属接触/摩擦致电微观机理进行初步研究。从微观角度研究碳纳米管、单层石墨烯与金属表面接触时的起电性质，能更好的理解仿生黏附材料碳纳米管的黏附性质。.在项目的支持下获得了2019年教育部自然科学二等奖（排名6/6）；发表SCI论文7篇，EI论文1篇，中文核心论文3篇；申请发明专利2项；参加国际会议7次，国内学术会议3次。培养硕士生2名，协助培养博士生1名。通过本项目的顺利实施，为后续开展仿生黏附材料制备、应用等相关的研究奠定了基础。