PDMS壁虎腳仿生復(fù)合材料設(shè)計(jì)與摩擦粘附特性.pdf

1、壁虎腳是由復(fù)雜的多尺度多層次纖維結(jié)構(gòu)組成，具有突出的粘著力和摩擦力，被廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域。然而，仿壁虎腳纖維陣列在不同表面上的摩擦行為、易污染和倒塌等問題是制約此類材料進(jìn)一步應(yīng)用的瓶頸。本文對仿壁虎腳纖維陣列結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，建立纖維粘著和失穩(wěn)模型。用模板法制備聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsilxane,PDMS)纖維陣列材料，研究工藝參數(shù)對纖維陣列形貌和潤濕性的影響。研究PDMS微/納米纖維陣列材料的摩擦特性，并研究復(fù)合材料微

2、米纖維陣列楊氏模量和潤濕性能。
　　通過數(shù)值模擬方法對不同長徑比纖維受力后的變形分析可知，纖維受力后的最大位移隨纖維長徑比的增加逐漸加大，且最大位移增大速率加快。纖維的長徑比越大，其受力后變形越大，柔順性越好，與對磨面的接觸面積越大，纖維與對磨面之間的摩擦力較高；對不同楊氏模量纖維受力后的變形研究可知，纖維的最大位移隨纖維楊氏模量的增大而減小，且減小速率減慢。由懸臂梁理論推導(dǎo)出適合本試驗(yàn)的粘著理論模型，發(fā)現(xiàn)纖維陣列的粘著力隨有效纖

3、維數(shù)量的增多和纖維與對磨面之間的最大接觸面積增大而增大。根據(jù)撓曲線微分方程建立最小脫粘力模型，發(fā)現(xiàn)纖維脫粘時(shí)的最大撓度隨纖維受力的增大、長徑比的增大和楊氏模量的減小而增大。建立纖維受壓失穩(wěn)模型，發(fā)現(xiàn)纖維失穩(wěn)時(shí)的最大臨界力隨纖維楊氏模量增大和長徑比減小而增大。根據(jù)數(shù)值模擬和建模結(jié)果，找到適合本試驗(yàn)的纖維陣列材料工藝和結(jié)構(gòu)。
　　對不同長度全氟癸烷基三氯硅烷(1H,1H,2H,2H-perfluorodecyltrichlorosil

4、ane,PFTS)和十八烷基三氯硅烷(octadecyltrichlorosilane,ODTS)分子自組裝涂層修飾的硅納米線陣列表面潤濕性研究表明，當(dāng)纖維直徑為500nm時(shí)，硅納米線陣列的疏水性隨硅納米線長度的增加而增大，當(dāng)纖維長度大于0.5μm時(shí)，硅納米線陣列的潤濕性保持不變，水/空氣接觸角保持在160°，使PDMS更易于剝離，得到完整的PDMS纖維陣列，提高工藝穩(wěn)定性。根據(jù)液滴接觸線移動微小距離時(shí)整個(gè)體系表面能的變化，結(jié)合兩相不相

5、容液體下的楊氏方程，得到適合本試驗(yàn)的Wenzel/Cassie-Baxter(Wenzel/CB)模型(在非潤濕環(huán)境下，后退角接近0度)和Cassie-Baxter/Cassie-Baxter(CB/CB)(接觸角接近前進(jìn)角)。根據(jù)仿生陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析結(jié)果，采用模板法制備PDMS纖維陣列材料，探討氧等離子體刻蝕和化學(xué)刻蝕等制備工藝參數(shù)對納米纖維結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明，當(dāng)氧等離子體刻蝕功率為30W，流量為100sccm時(shí)，硅納米線直徑隨刻蝕

6、時(shí)間增加而減小，當(dāng)刻蝕時(shí)間超過8min時(shí)，刻蝕速度加快；硅納米線長度隨化學(xué)刻蝕時(shí)間增加而增加，當(dāng)刻蝕時(shí)間超過16min時(shí)，刻蝕速度變慢。比較不同固化方式對樣品尺寸和形貌的影響，發(fā)現(xiàn)以硅納米線陣列為模板，采用室溫(20℃)固化12h加高溫(100℃)固化1h的固化方式模塑制備PDMS纖維陣列，得到形貌完好且與模板尺寸相同的PDMS纖維陣列材料。對粒子增加PDMS纖維陣列復(fù)合材料的形貌和表面粗糙度進(jìn)行研究，結(jié)果表明，增強(qiáng)粒子都包裹在PDMS

7、基體內(nèi)，粒子對纖維陣列形貌幾乎沒有影響；粒子尺寸、含量和粒子在基體中分散程度的不同導(dǎo)致纖維頂端表面粗糙度的不同。
　　對制備的PDMS納米纖維陣列材料的摩擦行為研究，表明放置時(shí)間和低于極限的載荷不會對纖維形貌產(chǎn)生影響；纖維陣列結(jié)構(gòu)有效提高其與對磨面之間的摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)提高了2倍，與粘著模型結(jié)果相符合；纖維陣列材料的摩擦系數(shù)隨纖維長徑比的增加呈先上升后下降趨勢，當(dāng)纖維直徑為700nm，長度為1μm時(shí)摩擦系數(shù)最大，為59；對磨面表

8、面能較高，纖維陣列與對磨面之間的摩擦系數(shù)較大。探討PDMS纖維陣列材料的摩擦行為和楊氏模量之間的關(guān)系，研究表明，隨著固化劑含量增多，微米纖維陣列材料的楊氏模量提高，摩擦力急劇下降；在PDMS中加入第二相SiO2顆粒，使纖維陣列復(fù)合材料的楊氏模量提高了67％，摩擦特性仍較高，摩擦系數(shù)保持在18，為制備高剛度、高摩擦力的纖維陣列材料提供可能。對顆粒增強(qiáng)PDMS微米纖維陣列的潤濕性研究可知，與非纖維陣列結(jié)構(gòu)相比，纖維陣列疏水性的提高主要取決于