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近年来,自然界一类生物的超强黏附爬行行为引起了科学家们广泛关注,例如壁虎、蜘蛛、甲虫、苍蝇等。该类生物不仅具有超强黏附力,而且能够轻松脱黏,实现可逆黏附。揭示其宏微观黏附机制对先进超强黏附材料及微型爬壁机器人黏附系统的设计具有重要指导意义,亦可为微/纳机电系统黏附失效问题提供新的解决思路。壁虎由于体重较大成为主要的仿生研究对象。实验已经证实壁虎通过其足部精细的多分级黏附系统获得超强黏附,最基本的黏附原理是分子间范德华力,毛细力对其黏附亦具有一定的影响。
为了揭示壁虎黏附的微观及可逆机制,本文以壁虎多级黏附系统的最小单元为主要仿生对象,考虑到最小黏附单元类似于有限尺寸纳米薄膜,建立了相应的数值和理论模型,开展其黏附行为影响因素的仿生研究。主要研究内容及成果如下:
首先,拓展了二维赫兹及黏附接触理论解。放弃经典接触力学中接触半径远小于物体尺寸的假设,用真实的球形函数代替经典接触理论中抛物线函数假设,建立并解析分析了圆柱与弹性半空间平面应变接触模型。结果表明:当接触半径与圆柱半径之比小于0,4时,经典HertZ及JKR理论解适用;在此范围之外,拓展解则更为精确。
仿生研究了壁虎黏附系统最小铲状单元的撕脱力学行为。建立有限长纳米薄膜与刚性基底黏附撕脱模型,数值及理论研究发现:界面黏附长度存在一临界尺寸,当薄膜黏附长度大于该临界尺寸时,撕脱力达到最大,且该临界尺寸及最大撕脱力随撕脱角增大而减小;在撕脱角较小时,薄膜内预应力提高了界面黏附力,而撕脱角较大时,则将减弱界面黏附;进一步研究了薄膜厚度,杨氏模量,黏弹性性质等对纳米薄膜黏附撕脱的影响。
针对实验发现的壁虎最小黏附单元的黏附力随表面粗糙度的增大呈现先减小后增大的“U”型变化趋势,本文仿生研究了表面粗糙度对壁虎微观黏附力的影响,建立有限长纳米薄膜与粗糙表面黏附接触模型,理论分析发现:当薄膜长度小于粗糙度波长时,随表面粗糙度增大,界面黏附力先减小后增大,根本原因是由于粗糙度引起的薄膜弯曲能和界面黏附能之间的竞争。进一步研究了纳米薄膜厚度对黏附力的影响,最终发现壁虎铲状单元5nm的厚度是适应各种表面黏附的一种最优化选择。
仿生研究了环境湿度及水滴对壁虎黏附的影响。建立纳米薄膜与基底的湿黏附接触模型,考虑环境湿度与水膜厚度的关系,理论分析了基底表面水膜及水滴对薄膜黏附的影响,结果发现:相对湿度小于90%时,界面黏附力随相对湿度增大而增大;相对湿度大于90%,水膜凝聚为水滴,界面总黏附力随水滴体积增大而减小。
最后,仿生研究了黏附单元形状对界面黏附的影响。建立不同末端形状的纤维与基底黏附接触模型,主要考虑了平压头、铲状及蘑菇状纤维的黏附行为,研究发现末端为蘑菇状的纤维较其他纤维具有更强的黏附力,且黏附力随撕脱角增大而减小,并通过黏附界面应力分布解释了其中原因;分析了纤维柄宽度及末端膜厚度对黏附力的影响,考虑了界面有无缺陷的差别,理论预测与实验结果一致;进一步仿生研究了多纤维结构及Y-型结构的黏附行为。