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仿生粘附结构的方向性粘附机理研究

作　者: 何利文
导　师: 褚家如
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: 仿生粘附结构方向性粘附侧面接触模型法向拔出力优化设计飞秒激光加工
分类号: TB17
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

壁虎等动物的微纳分级粘附系统为具有仿生粘附结构的干粘附材料的研发提供了仿生学原型。这种仿生粘附材料在爬壁机器人,微操纵,微纳转印工艺,生物医学胶带等领域具有广泛的应用前景。生物和仿生粘附力学,仿生粘附结构的加工方法和测试技术的研究可为高性能仿生粘附材料的研发奠定理论和技术基础,并己成为国内外的研究热点。然而对实际可应用的具有方向性粘附特性的仿生粘附结构的分析和优化设计工作亟待深入探索。本文以揭示典型仿生粘附结构的方向性粘附机理为目标,系统研究了几种典型仿生粘附结构在刚性平面的粘附问题,进而探讨了粘附结构在正弦表面和粗糙表面上的方向性粘附规律,分析了粘附结构阵列的优化设计问题,并探索了仿生粘附结构的飞秒激光双光子加工方法和基于原子力显微镜(AFM)平台的方向性粘附特性的测试技术。在粘附力学分析方面,首先基于不可拉伸欧拉弹性杆理论和表面能概念,利用变分法和数学分析推导出不可拉伸直纤维结构在刚性平面上粘附的侧面接触模型(ISCM, Inextensible Side Contact Model)。这一模型可用于预测这种粘附结构的脱附模式和粘附规律。研究结果表明,增加剪切力,纤维倾角和纤维的弯曲柔性都能够有效地增加法向拔出力。而且利用能量最小化原理证明所有粘附平衡状态都是稳定的。其次,通过将轴向变形能计入系统的能量泛函,将ISCM模型推广到可拉伸直纤维结构的情况,建立了可拉伸侧面接触模型(ESCM, Extensible Side Contact Model)。而且对ESCM模型作简单的修正,可将它用于分析纤维粘附部分的预张力对粘附行为的影响。研究结果表明：由于纤维的可拉伸变形,当施加最优的剪切力时纤维存在最大法向拔出力,且在弯曲刚度不变的情况下,最大法向拔出力随轴向刚度的增大而增强。而对预应力效应的研究表明：施加一个最优的预张力能够使最大法向拔出力极大化。接着,还将ESCM模型推广到两级纤维结构在刚性平面上粘附的情况。结果表明,对于典型的两级纤维结构,存在一个依赖于结构参数的临界剪切力。当剪切力低于这个临界值时,弯曲变形起主导作用,粘附力随着剪切力几乎线性地增加,且可以通过改变纤维的结构参数来调控其粘附规律；而当剪切力超过这个值,轴向变形起主导作用,且粘附规律与经典的Kendall模型所预测的结果一致。从定性的角度看,模型所预测的粘附规律与文献报道的对生物和仿生多级粘附结构的实验结果比较一致。最后,也将侧面接触模型推广到直纤维在刚性曲面,尤其是正弦表面上粘附的情况。研究表明：当纤维在正弦表面上粘附时,存在最有利的位置使法向拔出力最大化。当沿着纤维的倾斜方向施加适度的剪切力时,纤维在曲面上的法向拔出力会随着剪切力的增加而增强(即所谓的“方向性粘附特性”)；而当剪切力超过临界值时,纤维会沿着表面滑移,这有利于实现纤维与表面之间的位置匹配,从而能在一定程度上增强纤维的粘附力。基于这些研究和进一步的分析,可对壁虎脚掌在不同粗糙表面上粘附时所表现出的粗糙度尺度效应进行定性地解释。在粘附纤维结构阵列的优化设计方面,基于推导出来的单根粘附结构的粘附规律,分别对单级和两级纤维结构阵列的优化设计问题进行了系统的研究。对于每一种纤维结构阵列,定义了纤维阵列的结构参数,推导了相邻纤维不发生聚集的条件(抗聚集条件)和纤维阵列的粗糙表面适应性条件,进而对优化问题进行了深入的分析和讨论。由此获得的知识和优化方法能够帮助仿生纤维阵列的优化设计。在实验研究方面,用飞秒激光双光子聚合加工技术加工了仿生粘附结构及其阵列,并提出了将端头带微柱子的微悬臂梁集成到AFM的两轴力测试平台上,对单根仿生粘附结构的方向性粘附特性进行测试的方法,还通过结构设计和微加工工艺初步研制出这种特殊的微悬臂梁。基于以上研究,本论文在以下方面做出了创新：1)为不可拉伸和可拉伸直纤维结构在刚性平面上粘附问题建立了不可拉伸侧面接触模型(ISCM)和可拉伸侧面接触模型(ESCM)。这些模型可直接用于预测相应粘附结构在刚性平面上的脱附模式和方向性粘附规律。2)将侧面接触模型推广到两级直纤维结构在刚性平面上粘附和单级直纤维结构在刚性曲面上粘附的情况。这些模型可对相应的粘附规律进行理论预测,从而能够为相应的实验结果提供理论解释。3)提出将端头带微柱子的微悬臂梁作为传感元件,集成到AFM平台上对单根仿生粘附结构的方向性粘附特性进行测试的方法。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-10
目录  10-18
第一章绪论  18-50
  本章摘要  18
  1.1 壁虎粘附系统  18-23
    1.1.1 壁虎脚掌的微纳结构  19
    1.1.2 壁虎脚掌的粘附机理  19-20
    1.1.3 壁虎脚掌的粘附特性  20-23
    1.1.4 壁虎粘附系统的仿生学意义  23
  1.2 生物和仿生粘附结构的粘附力学  23-30
    1.2.1 粘附力的基本概念  23-24
    1.2.2 经典的粘附力学模型  24-25
    1.2.3 端头接触粘附结构的粘附力学  25-27
    1.2.4 壁虎粘附结构和仿生粘附结构的方向性粘附力学  27-29
    1.2.5 粗糙表面上的粘附力学  29-30
  1.3 仿生纤维状粘附结构的加工表征和应用  30-38
    1.3.1 仿生纤维状粘附结构的加工技术  30-34
    1.3.2 粘附力学表征技术  34-37
    1.3.3 仿生粘附结构的应用  37-38
  1.4 本论文的研究目标,意义和内容  38-39
  本章参考文献  39-50
第二章仿生纤维结构在平面上的方向性粘附力学  50-88
  本章摘要  50
  2.1 单级不可拉伸纤维的粘附模型  50-59
    2.1.1 引言  50-51
    2.1.2 理论建模  51-58
    2.1.3 结果和讨论  58-59
    2.1.4 结论  59
  2.2 单级可拉伸纤维的粘附模型  59-72
    2.2.1 引言  59-60
    2.2.2 理论建模  60-66
    2.2.3 结果和讨论  66-72
    2.2.4 结论  72
  2.3 两级纤维的粘附模型  72-84
    2.3.1 引言  72-73
    2.3.2 理论模型  73-76
    2.3.3 结果和讨论  76-84
    2.3.4 结论  84
  2.4 本章小结  84-85
  本章参考文献  85-88
第三章仿生纤维结构在粗糙表面上的粘附力学  88-100
  本章摘要  88
  3.1 引言  88-89
  3.2 仿生纤维结构在正弦表面上的方向性粘附力学  89-95
    3.2.1 理论模型  89-91
    3.2.2 结果和讨论  91-95
  3.3 仿生纤维结构阵列在粗糙表面上粘附的定性讨论  95-96
  3.4 本章小结  96-97
  本章参考文献  97-100
第四章仿生纤维结构阵列的优化设计  100-122
  本章摘要  100
  4.1 引言  100-101
  4.2 单级纤维阵列的优化设计  101-111
    4.2.1 问题的提出  101-104
    4.2.2 单级纤维阵列的优化  104-111
    4.2.3 结论  111
  4.3 两级纤维阵列的优化设计  111-116
    4.3.1 问题的提出  111-114
    4.3.2 两级纤维阵列的优化  114-116
  4.4 本章小结  116-117
  4.5 本章附录  117-120
    附录1 两根平行竖直纤维发生聚集的临界条件  117-118
    附录2 两根两级平行竖直纤维发生聚集的临界条件  118-119
    附录3 两级纤维阵列的等效杨氏模量  119-120
  本章参考文献  120-122
第五章仿生粘附结构的加工和性能测试  122-132
  本章摘要  122
  5.1 仿生纤维状粘附结构的飞秒激光加工  122-125
    5.1.1 引言  122-123
    5.1.2 实验方法  123-124
    5.1.3 实验结果  124-125
  5.2 仿生粘附结构的方向性粘附性能的测试  125-129
    5.2.1 测量原理  125-126
    5.2.2 微悬臂梁的结构设计和加工工艺  126-128
    5.2.3 实验和讨论  128-129
  5.3 本章小结  129-130
  本章参考文献  130-132
第六章总结和展望  132-135
  6.1 总结  132-133
    6.1.1 本论文的主要工作和结论  132-133
    6.1.2 本论文的创新之处  133
  6.2 展望  133-135
致谢  135-136
在读期间发表的学术论文与取得的研究成果  136

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