微納仿生結(jié)構(gòu)粘附力學(xué)機理研究.pdf

1、仿壁虎腳趾制成的微納仿生粘附結(jié)構(gòu)具有高粘附強度、可重復(fù)利用、自清潔等特點，在微納米器件、仿生醫(yī)療器件、仿生機器人等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景。深入認(rèn)識其中的粘附力學(xué)機理對指導(dǎo)設(shè)計與應(yīng)用具有重要意義。本文從分子間作用力出發(fā)，建立自洽粘附模型，對小尺寸顆粒和兩種具有優(yōu)異粘附性能的結(jié)構(gòu)—薄膜修飾纖維陣列結(jié)構(gòu)與蘑菇狀吸盤結(jié)構(gòu)—進行了理論和數(shù)值研究。
　　 首先，基于有限彈性變形理論給出任意形狀剛性顆粒與半無限不可壓彈性體粘附接觸的自洽模型，并

2、應(yīng)用于球形、柱形和二維剛性塊體顆粒的粘附接觸問題，探究經(jīng)典Derjaguin近似理論的適用條件。計算發(fā)現(xiàn)Derjaguin近似對于尺寸小到分子作用力程尺度且傾角較小的顆粒仍然有效。結(jié)果還表明：真實形狀對小尺寸球形顆粒粘附力影響較大，采用經(jīng)典拋物線近似會引起較大誤差；運用分子間作用力計算得到的柱體飽和粘附強度臨界尺寸比宏觀Kendall理論小一個數(shù)量級；大尺寸塊體顆粒粘附拔出力對傾角很敏感。
　　 將Derjaguin近似用于薄膜

3、修飾纖維陣列結(jié)構(gòu)，研究末端薄膜對結(jié)構(gòu)粘附性能的影響。在忽略纖維襯墊層和纖維變形的情況下，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)粘附過程僅受一無量綱參數(shù)λ控制，λ與薄膜彎曲剛度、尺寸和界面粘附強度相關(guān)。當(dāng)λ＞0.4，接觸—分離過程可逆；當(dāng)λ＜0.4接觸—分離過程出現(xiàn)一次或多次滯回，且比分離功得到極大增強。
　　 最后，研究了蘑菇狀吸盤結(jié)構(gòu)末端環(huán)形板對結(jié)構(gòu)粘附性能的影響。基于Tvergaard-Hutchinson內(nèi)聚區(qū)模型和非線性F(o)ppl-von Kár