PDMS壁虎腳仿生復合材料設(shè)計與摩擦粘附特性.pdf

1、壁虎腳是由復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一步應(yīng)用的瓶頸。本文對仿壁虎腳纖維陣列結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，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。由懸臂梁理論推導出適合本試驗的粘著理論模型，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，當纖維直徑為500nm時，硅納米線陣列的疏水性隨硅納米線長度的增加而增大，當纖維長度大于0.5μm時，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整個體系表面能的變化，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)(接觸角接近前進角)。根據(jù)仿生陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計分析結(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，當氧等離子體刻蝕功率為30W，流量為100sccm時，硅納米線直徑隨刻蝕

6、時間增加而減小，當刻蝕時間超過8min時，刻蝕速度加快；硅納米線長度隨化學刻蝕時間增加而增加，當刻蝕時間超過16min時，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纖維陣列復合材料的形貌和表面粗糙度進行研究，結(jié)果表明，增強粒子都包裹在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，當纖維直徑為700nm，長度為1μm時摩擦系數(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