干燥環(huán)境下表面黏附性能調(diào)控研究進(jìn)展

張玉言, 蔣 玲, 于 波,2*, 馬晨波

(1. 南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院, 江蘇 南京 210037;2. 河南科技大學(xué) 高端軸承摩擦學(xué)技術(shù)與應(yīng)用國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室, 河南 洛陽 471023)

微/納技術(shù)的迅速發(fā)展，促使人類邁進(jìn)了尺度效應(yīng)和表面效應(yīng)起主導(dǎo)作用的研究領(lǐng)域. 在該領(lǐng)域，微觀作用力如范德華力、靜電力及毛細(xì)力等相對于重力和慣性力等宏觀作用力而言變得顯著[1]，其中分子間范德華力是干燥不帶電表面間微觀作用力的主要來源[2].隨著尺度的減小，由于范德華力的影響，會出現(xiàn)材料可能黏附在一起的問題[3]. 這種微/納尺度接觸表面之間的黏附作用首次由Feynman教授[3]預(yù)言，并引起了人們的廣泛關(guān)注，關(guān)注點(diǎn)主要集中在兩方面. 一方面，在微/納機(jī)械產(chǎn)品使用過程中，黏附作用會影響器件的穩(wěn)定性及表面性能，成為決定系統(tǒng)可靠性和壽命的直接因素. 例如：在工作于5 nm以下飛行高度的高存儲密度機(jī)械硬盤中，磁頭-磁盤間的黏附作用隨飛行高度的降低呈指數(shù)級增加，會影響空氣軸承的承載能力，甚至可能因黏附作用使得磁盤損壞，降低硬盤的使用壽命[4]；在旋轉(zhuǎn)微機(jī)械關(guān)鍵支承部件微球軸承中，微球與滾道之間的黏附作用會增大摩擦阻力，造成滾道表面磨損，降低軸承壽命[5]；在基于往復(fù)接觸-分離機(jī)制工作的歐姆微開關(guān)中，當(dāng)接觸電極之間的黏附作用超過懸臂梁的彈性回復(fù)力時(shí)，電極無法實(shí)現(xiàn)分離，造成開關(guān)黏附失效[6]. 為解決諸類問題，表面黏附作用的減弱與克服尤為重要. 另一方面，受自然界動物腳掌與爬行壁面之間強(qiáng)黏附和易脫附特征的啟發(fā)，黏附作用的增強(qiáng)和應(yīng)用在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界受到越來越廣泛的關(guān)注. 例如：在機(jī)器人[7]或其他錨定裝置[8]中，通過設(shè)計(jì)特殊的表面結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)可靠可逆的表面黏附-脫附，可顯著提高機(jī)器人攀爬或抓取物體時(shí)的表面適應(yīng)性；在確定性微轉(zhuǎn)印技術(shù)中，增大印章與被轉(zhuǎn)印器件之間的黏附作用有助于將被轉(zhuǎn)印器件從源生長基體上剝離，提高轉(zhuǎn)印成功率[9]；在空間碎片捕獲機(jī)構(gòu)中，利用空間機(jī)械臂與碎片間的范德華黏附作用吸附碎片，可有效避免碎片與航天器的碰撞[10]. 在諸類應(yīng)用領(lǐng)域中，實(shí)現(xiàn)黏附作用的增強(qiáng)和應(yīng)用至關(guān)重要.

為了根據(jù)性能需求自主調(diào)控表面黏附作用，國內(nèi)外研究學(xué)者以黏附力(也稱為pull-off力，指分離兩接觸物體所需要的拉力)或黏附強(qiáng)度作為衡量黏附作用大小的指標(biāo)，從改變接觸面積和改變表面能[11]兩個(gè)角度提出了多種調(diào)控表面黏附的方法，主要分為“改形”和“改性”兩大類. 前者利用表面微/納加工手段改變表面的微觀幾何形貌以改變表面間的接觸面積，后者通過各種表面化學(xué)改性或材料復(fù)合工藝等手段改變表面能或材料力學(xué)特性. 除此之外，基于外場控制的黏附調(diào)控方法成為近年來國內(nèi)外相關(guān)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn). 本文作者針對干燥不帶電系統(tǒng)，綜述重要的幾類黏附調(diào)控方法的研究進(jìn)展，并展望未來的發(fā)展方向.

1 基于表面改形的黏附調(diào)控方法研究進(jìn)展

表面改形，即通過模板復(fù)制法、光刻法、激光加工法、化學(xué)沉積法或燒結(jié)法等加工工藝，在材料表面制作出具有一定幾何尺寸、形狀和排布的結(jié)構(gòu)陣列，從而獲得具有特定功能表面的方法，也稱為表面織構(gòu)技術(shù)[12-13]. 該技術(shù)作為一種調(diào)控表面黏附性能的手段，得到廣泛應(yīng)用. 典型實(shí)例包括：(1)在微夾持裝置執(zhí)行器表面末端設(shè)置織構(gòu)，減小其與被夾持對象之間的黏附力，以提高微夾持裝置對被夾持對象有效釋放的能力[14]；(2)將織構(gòu)用于硬盤驅(qū)動裝置中的磁頭或磁盤表面，減小磁頭-磁盤界面黏附，以提高硬盤驅(qū)動裝置的整體讀/寫性能[15]；(3)在干粘結(jié)醫(yī)用膠帶表面制備微織構(gòu)，可提高膠帶與皮膚表面之間粘接力的長期保持性[16]；(4)將微織構(gòu)應(yīng)用于爬壁機(jī)器人[17]或微轉(zhuǎn)印技術(shù)[9]中，以提高機(jī)器人攀爬時(shí)或印章轉(zhuǎn)移/印制器件時(shí)的可逆黏附性. 探尋織構(gòu)調(diào)控表面黏附的機(jī)理和關(guān)鍵影響因素，從而更好地應(yīng)用于人類社會，是近年來的研究熱點(diǎn).

Fig. 1 (a) Nano-convex textured surface[18]; (b) Nano-concave textured surface[18]; (c) Micro-channels textured surface[19];(d) Nanoparticles textured surface[20]圖1 (a)柱狀織構(gòu)化表面[18]；(b)凹坑狀織構(gòu)化表面[18]；(c)溝槽狀織構(gòu)化表面[19]；(d)納米顆?？棙?gòu)化表面[20]

Fig. 2 Experimental results of textured surfaces for adhesion reduction: (a) experimental results of adhesive force on surfaces withnano-convex and nano-concave textures[18]; (b) experimental results of adhesive force on surfaces with nanoparticle textures[20]圖2 織構(gòu)化表面減黏的試驗(yàn)結(jié)果圖例：(a)柱狀織構(gòu)化表面和凹坑狀織構(gòu)化表面黏附力的試驗(yàn)結(jié)果[18]；(b)納米顆?？棙?gòu)化表面黏附力的試驗(yàn)結(jié)果[20]

Wu等[18]制備了表面具有柱狀和凹坑狀織構(gòu)的聚酰亞胺樣品[圖1(a)和(b)]，基于原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，簡稱AFM)考察了柱狀和凹坑狀織構(gòu)對聚酰亞胺表面黏附力的影響，研究發(fā)現(xiàn)織構(gòu)的存在減小了接觸面積，有效降低了試樣表面的黏附力[圖2(a)]，且與無織構(gòu)樣品相比，柱狀織構(gòu)化表面和凹坑狀織構(gòu)化表面的黏附力分別下降了50%和78%. Zhou等[19]將凹坑和縱向及橫向溝槽狀織構(gòu)[圖1(c)]應(yīng)用于電極表面，通過切割試驗(yàn)展示了織構(gòu)在提高電極抗黏附性能方面的作用，發(fā)現(xiàn)橫向溝槽織構(gòu)的抗黏附性能最優(yōu)，且隨著織構(gòu)面密度(織構(gòu)所占面積與樣品表面總面積之比)由0增大至40%，電極表面的抗黏附性提升，黏附質(zhì)量降低59%～70%. 除上述織構(gòu)外，Ramakrishna等[20]在硅片上制備了二氧化硅納米顆粒[圖1(d)]，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)納米顆?？蓽p小硅片表面黏附力，但顆粒面密度不同，黏附力的變化規(guī)律不同，當(dāng)顆粒面密度在一定范圍內(nèi)增大時(shí)，AFM探針與基體間的平均間距隨之增大，黏附作用減弱，在大約220/μm2顆粒面密度下的黏附力最低，相較于無織構(gòu)表面下降率高達(dá)90%；而當(dāng)顆粒面密度超過一定值后，探針與顆粒之間的黏附作用占主導(dǎo)，隨著顆粒面密度的增加，接觸點(diǎn)數(shù)增多，接觸面積增大，黏附力增加[圖2(b)]. 上述研究為磁存儲裝置、微/納器件和醫(yī)用外科電極中的減黏設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo).

Fig. 3 Biomimetic textured surface: (a) multistage columnar textured surface[21]; (b) carbon nanotube arrays textured surface[22]; (c) rectangular groove textured surface[23];(d) hexagonal columnar textured surface[24]圖3 仿生織構(gòu)化表面：(a)多級織構(gòu)化表面[21]；(b)碳納米管陣列織構(gòu)化表面[22]；(c) 矩形槽織構(gòu)化表面[23]；(d) 六邊形微凸起織構(gòu)化表面[24]

Fig. 4 Experimental results of textured surfaces for adhesion enhancement: (a) experimental results of adhesive force on doublelevel textured surfaces[21]; (b) experimental results of adhesive force on micro grooves textured surfaces[23]圖4 織構(gòu)化表面增黏的試驗(yàn)結(jié)果圖例：(a)兩級織構(gòu)化表面黏附力試驗(yàn)結(jié)果[21]；(b) 矩形槽織構(gòu)化表面黏附力試驗(yàn)結(jié)果[23]

實(shí)現(xiàn)表面黏附的增強(qiáng)和利用是先進(jìn)黏附材料研制和新型微操作/微裝配技術(shù)開發(fā)的關(guān)鍵問題. 為解決此問題，大量學(xué)者向自然界生物學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)樹蛙、壁虎和甲蟲等生物腳掌表面具有剛毛狀多級結(jié)構(gòu)(即包含多種尺度的結(jié)構(gòu))或六邊形各向異性結(jié)構(gòu)(即結(jié)構(gòu)特征隨方向而變)等特殊微/納結(jié)構(gòu)，使得其可以在固體表面實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)的黏附和輕松的脫附，為超黏附功能表面和黏附可控功能表面的研發(fā)提供了仿生學(xué)原型. Murphy等[21]在聚氨酯(Polyurethane，簡稱PU)表面制備了具有雙級結(jié)構(gòu)的纖維狀陣列[圖3(a)]，試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)多級結(jié)構(gòu)更利于減小有效模量，進(jìn)而增大接觸面積，使得多級織構(gòu)化表面相比于無織構(gòu)和單級織構(gòu)化表面表現(xiàn)出更大的黏附力[圖4(a)]. Li等[22]在二氧化硅/氧化鋁(SiO2/Al2O3)表面制備了垂直定向排列碳納米管陣列(Vertically aligned carbon nanotube，VACNT)[圖3(b)]，測試發(fā)現(xiàn)VACNT末端具有卷曲特征，在施力過程中接觸表面會獲得更多的有效接觸，從而提高黏附力，且通過調(diào)整制備工藝參數(shù)改變VACNT的直徑和層數(shù)，可控制表面的增黏效果，文中所達(dá)到的最大黏附力是壁虎黏附力的3.2倍. Liu等[23]獲得了具有矩形槽的聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，簡稱PDMS)表面[圖3(c)]，研究發(fā)現(xiàn)僅通過改變兩個(gè)溝槽形各向異性織構(gòu)表面接觸時(shí)的對齊方向即可獲得差異達(dá)兩個(gè)數(shù)量級的黏附力，且在對齊方向一致時(shí)黏附力最大[圖4(b)]，從而實(shí)現(xiàn)操作簡單的黏附調(diào)控. 穆[24]在PDMS材料表面構(gòu)筑了六邊形微凸起各向異性織構(gòu)[圖3(d)]，試驗(yàn)結(jié)果顯示通過改變織構(gòu)的面密度可實(shí)現(xiàn)黏附力的增強(qiáng)與減弱，即面密度較小的織構(gòu)較無織構(gòu)試件具有更大的黏附力，而面密度較大的織構(gòu)則黏附力較小.

從上述研究可以看出：織構(gòu)減小黏附的機(jī)理為接觸面積的減小和接觸間距的增大，影響減黏效果的關(guān)鍵因素包括織構(gòu)的形貌類型、面密度和分布方位；織構(gòu)增大黏附的機(jī)理為材料有效模量的減小和接觸面積的增大，影響增黏效果的關(guān)鍵因素包括織構(gòu)的結(jié)構(gòu)特征(多級結(jié)構(gòu)、各向異性結(jié)構(gòu)和末端結(jié)構(gòu))、織構(gòu)的對齊方向和面密度.

2 基于材料改性的黏附調(diào)控方法研究進(jìn)展

基于材料改性的黏附調(diào)控方法是指通過涂層工藝改變基體表面的力學(xué)或化學(xué)特性，或由不同材料組合而成且具有特定性能的復(fù)合材料調(diào)控表面黏附.

2.1 基于表面涂層/薄膜的黏附調(diào)控

涂層/薄膜是通過激光電弧沉積、原子層沉積、電泳沉積和自組裝等物理或化學(xué)方法對基體表面改性，制備具有一定結(jié)合強(qiáng)度的硬質(zhì)或軟質(zhì)材料，從而使涂層/基體系統(tǒng)獲得不同的力學(xué)或化學(xué)屬性[25]. 涂層材料的表面能通常與基體材料不同，是改善表面黏附性能的重要手段之一. 典型實(shí)例包括：(1)將氧化鋁超薄涂層用于硅基微機(jī)電系統(tǒng)側(cè)壁，延長了器件的工作壽命[26]；(2)將聚四氟乙烯薄膜覆蓋于硅晶圓表面用在微機(jī)電氣體傳感器的封裝技術(shù)中，可有效提高傳感器表面的抗黏附性能[27].

Fig. 5 Experimental results of adhesion on surfaces with coating/film: (a) experimental results of adhesive force on TiB2 film surface and Si wafer surface[28]; (b) experimental results of adhesive force on Al2O3 film surface and Si wafer surface[29]; (c) experimental results of adhesive force on TFA and FOC organic membrane surfaces[32]; (d) experimental results of adhesive force on bilayer membrane and Si/SiO2 surfaces[33]圖5 涂層/薄膜表面黏附的試驗(yàn)結(jié)果圖例：(a)Si晶片和具有TiB2涂層的晶片表面黏附力試驗(yàn)結(jié)果[28]；(b)Al2O3超薄涂層和Si表面黏附力試驗(yàn)結(jié)果[29]；(c)TFA和FOC有機(jī)膜表面黏附力試驗(yàn)結(jié)果[32]；(d)雙層分子膜和Si/SiO2表面黏附力試驗(yàn)結(jié)果[33]

硬質(zhì)涂層是改善硅表面黏附性能的常用方式，如Qing等[28]在硅(Si)晶片上制備了1層二硼化鈦(TiB2)涂層，并對比了Si晶片和具有TiB2涂層的晶片表面上的黏附力，結(jié)果顯示，具有TiB2涂層的晶片表面黏附力比裸硅表面的黏附力下降了約75%[圖5(a)]，這歸因于表面能的降低和接觸面積的減小. Chai等[29]在Si表面上制備了不同厚度的氧化鋁(Al2O3)超薄涂層，發(fā)現(xiàn)Al2O3超薄涂層表面黏附力比Si表面的黏附力減少了約59%～73%，但涂層厚度對黏附力的影響不顯著[圖5(b)].Singh等[30]和Park等[31]發(fā)現(xiàn)類金剛石(Diamond-like coating，簡稱DLC)涂層和二氧化硅(SiO2)涂層也能減小硅表面的黏附力. 除上述硬質(zhì)涂層外，一些學(xué)者提出用化學(xué)合成的表面有機(jī)膜或表面引發(fā)聚合分子層來調(diào)控黏附. Liang等[32]報(bào)道了一種含氟洋蔥碳(Fluorinecontaining onion carbon，簡稱為FOC)有機(jī)膜，通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)其黏附力可低至2.72 nN，相較于三氟乙烯(Trifluoroaceticacid，簡稱TFA)，最大可減少約90%[圖5(c)]，表現(xiàn)出了超低的表面黏附力. 劉等[33]在單晶硅表面分別制備了三甲氧基硅烷基丙基-乙二胺自組裝分子膜(記為Si-DA)和三甲氧基硅烷基丙基-乙二胺-月桂酰氯雙層自組裝分子膜(記為DA-LA)，研究發(fā)現(xiàn)DA-LA雙層分子膜相較于羥基化Si表面和Si-DA分子膜表現(xiàn)出最低的黏附力[圖5(d)]，原因是非極性的末端基團(tuán)使得表面能較低. 上述具有顯著抗黏附性的涂層/薄膜顯示出了其在硅基微機(jī)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)表面潤滑中良好的應(yīng)用前景.

在利用涂層/薄膜增強(qiáng)黏附作用的研究方面，Gilbert等[34]用N-甲基吡咯烷酮溶液汽化和霧化法對碳纖維和環(huán)氧樹脂進(jìn)行表面處理，獲得了表面具有特定氮和氧官能團(tuán)的樣品，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)化學(xué)處理增加了極性官能團(tuán)的表面聚集同時(shí)降低了表面污染，導(dǎo)致黏附強(qiáng)度提高. 但是，此類化學(xué)改性方法對物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)依賴性強(qiáng)，存在較大的局限性[35]. 例如，在轉(zhuǎn)印技術(shù)領(lǐng)域，無法對被轉(zhuǎn)印的微電子結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行化學(xué)處理，而對印章進(jìn)行化學(xué)處理會影響印章的粘彈性特性，對轉(zhuǎn)印過程的控制帶來負(fù)面作用.

綜上所述，硬涂層常用于減小黏附，其減黏機(jī)理為表面能的降低和接觸面積的減小，關(guān)鍵影響因素為涂層材料；表面有機(jī)膜和表面引發(fā)聚合分子層具有調(diào)控黏附的作用，其調(diào)控機(jī)理為表面能的改變，關(guān)鍵影響因素為化學(xué)改性后表面基團(tuán)的極性，一般而言具有非極性表面基團(tuán)的薄膜表面能較低，而具有極性表面基團(tuán)的薄膜表面能較高.

2.2 基于復(fù)合材料的黏附調(diào)控

復(fù)合材料是指由兩種或多種性質(zhì)不同的材料通過物理和化學(xué)復(fù)合所組成的多相材料，其具有傳統(tǒng)單一材料所不具備的優(yōu)越性能. 其中，具有特殊力學(xué)性能的復(fù)合功能材料在干燥環(huán)境下黏附調(diào)控領(lǐng)域得到應(yīng)用和發(fā)展. 典型實(shí)例包括：(1)將摻銀功能梯度羥基磷灰石復(fù)合材料應(yīng)用于金屬牙科和骨科植入物表面，有利于提高成骨細(xì)胞在植入物表面的黏附能力[36]；(2)在微轉(zhuǎn)印技術(shù)中，恰當(dāng)選擇復(fù)合材料用以制作印章，可提高印章轉(zhuǎn)移/印制物體時(shí)的可逆黏附性[37].

功能梯度材料，即宏觀特性隨空間位置呈梯度變化的材料，是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域調(diào)控黏附的一種復(fù)合功能材料，如Sandukas等[36]在玻璃和鈦基體上制備了摻銀-羥基磷灰石功能梯度材料[圖6(a)]，發(fā)現(xiàn)合適的摻銀率可使得成骨細(xì)胞在梯度材料上的黏附能力大幅度增強(qiáng)，但當(dāng)摻銀率過高時(shí)會導(dǎo)致梯度材料黏附能力的下降，歸因于材料表面粗糙形貌的變化. 在工業(yè)黏附材料研制和微操作/微裝配技術(shù)領(lǐng)域，將兩種材料進(jìn)行復(fù)合來實(shí)現(xiàn)黏附調(diào)控是近年來的研究熱點(diǎn). Minsky等[37]制備了具有剛性內(nèi)芯(環(huán)氧樹脂光刻膠SU-8)和柔性殼(PDMS)的復(fù)合材料[圖6(b)]，測試了復(fù)合材料與硅表面的黏附力，結(jié)果顯示復(fù)合材料的黏附增強(qiáng)效果與剛性內(nèi)芯的形狀和尺寸有關(guān)[圖7(a)]，黏附力最大可增強(qiáng)至均質(zhì)材料的9倍，原因在于接觸界面邊緣應(yīng)力的增加和缺陷的出現(xiàn). Jeong等[38]通過在PDMS中摻入少量聚乙烯亞胺(Polyethyleneimine，簡稱PEIE)制備了復(fù)合彈性體，研究發(fā)現(xiàn)含PEIE添加劑的PDMS彈性體比純PDMS彈性體表現(xiàn)出更強(qiáng)的黏附性，歸因于材料楊氏模量的降低和表面的屈曲形貌增大了接觸面積，此外還發(fā)現(xiàn)PEIE的含量越高，黏附力越大[圖7(b)].

從上述研究可以看出：復(fù)合材料調(diào)控黏附作用的機(jī)理為通過表面形貌或楊氏模量的變化引起接觸面積的變化，或接觸界面應(yīng)力分布的變化和缺陷的出現(xiàn)，關(guān)鍵影響因素為復(fù)合材料的組成、配比及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸.

Fig. 6 Examples of composites: (a) functionally graded composites[36]; (b) rigid inner core-flexible shell composites[37]圖6 復(fù)合材料舉例：(a)摻銀-羥基磷灰石功能梯度材料[36]；(b)具有剛性內(nèi)芯和柔性殼的復(fù)合材料[37]

Fig. 7 Experimental results of surface adhesion on composites: (a) experimental results of surface adhesive force on rigid inner coreflexible shell composites[37]; (b) experimental results of surface adhesive force on PDMS elastomer containing PEIE additive[38]圖7 復(fù)合材料表面黏附的試驗(yàn)結(jié)果圖例：(a)具有剛性內(nèi)芯和柔性殼的復(fù)合材料表面黏附力試驗(yàn)結(jié)果[37]；(b)含PEIE添加劑的PDMS彈性體表面黏附力試驗(yàn)結(jié)果[38]

3 基于外場控制的黏附調(diào)控方法研究進(jìn)展

外場調(diào)控是指通過外界激勵(lì)改變表面之間的黏附行為，主要包括速度調(diào)控、溫度調(diào)控、外力調(diào)控和磁場調(diào)控. 典型實(shí)例包括：(1)在爬壁機(jī)器人攀爬過程中控制速度可以提高其可逆黏附性[39]；(2)將溫度調(diào)控黏附方法應(yīng)用于氮化鎵器件的轉(zhuǎn)印，有利于促進(jìn)高性能柔性光電子器件的制備[40]；(3)通過施加剪切力來輔助微轉(zhuǎn)印技術(shù)，印制硅片的產(chǎn)量增加了90%[41]；(4)用磁場調(diào)控爬壁機(jī)器人與壁面間的黏附作用，有利于提高機(jī)器人攀爬時(shí)的智能可控性[42].

3.1 基于速度的黏附調(diào)控

基于速度的黏附調(diào)控方法是指通過調(diào)節(jié)兩物體在接觸-分離時(shí)的運(yùn)動速度來調(diào)控黏附性能，也稱為基于率相關(guān)[即界面臨界能量釋放率(決定黏附強(qiáng)度)與速度相關(guān)]的黏附調(diào)控方法，主要適用于兩接觸物體材料之一呈現(xiàn)粘彈性特征的場合.

Kim等[43]基于微觀力學(xué)測試裝置考察了PDMS物塊與Si之間的黏附力隨PDMS運(yùn)動速度的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：由于PDMS的粘彈性特征，PDMS-Si的界面臨界能量釋放率是率相關(guān)的，且黏附力隨PDMS運(yùn)動速度的增加而增大[圖8(a)]，原因在于粘彈性材料的能量耗散隨分離速度的增加而增大，使得將兩表面分離所需要的黏附能增加[44]. 之后，Liang等[45]從理論和試驗(yàn)兩個(gè)角度驗(yàn)證了速度對黏附力的影響[圖8(b)]，顯示了速度在調(diào)控黏附方面的作用. 目前，基于速度的黏附調(diào)控方法已成為微轉(zhuǎn)印技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)制備方法[46]，即高速剝離導(dǎo)致印章與被轉(zhuǎn)印單元間的強(qiáng)黏附，用于轉(zhuǎn)移階段；而低速剝離導(dǎo)致印章與被轉(zhuǎn)印單元間的低黏附，用于印制階段. 但是，這種方法的黏附調(diào)控范圍有限，僅僅依靠速度調(diào)控會使轉(zhuǎn)印的效率和基體的通用性受到限制[44].

3.2 基于溫度的黏附調(diào)控

基于溫度的黏附調(diào)控方法是指通過某種方式(如紫外線、激光等)使接觸體局部受熱產(chǎn)生熱變形或形狀回復(fù)進(jìn)而調(diào)控黏附. Xu等[47]研究了低溫下溫度對二氧化硅微球與PDMS微柱織構(gòu)化表面間黏附力的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度由40 ℃降至-10 ℃時(shí)，黏附力增大62.5%[圖9(a)]，可能原因是低溫導(dǎo)致微柱織構(gòu)化表面粘彈性降低，使得真實(shí)接觸面積增加. 此外，Seong等[48]在更寬的溫度范圍內(nèi)開展研究，發(fā)現(xiàn)PDMS與Si之間的黏附力隨著溫度的升高而降低[圖9(b)]，為黏附調(diào)控提供了新的思路. Saeidpourazar等[49]將基于溫度的黏附調(diào)控方法運(yùn)用到了轉(zhuǎn)印技術(shù)中[圖10]，發(fā)現(xiàn)激光照射可誘導(dǎo)PDMS印章局部升溫，造成印章-被轉(zhuǎn)印單元界面熱失配，使得界面容易脫黏，從而提高印制過程的成功率. Bian等[40]指出：改變激光控制參數(shù)，如激光能量密度、激光脈沖寬度和掃描率，可以快速產(chǎn)生局部熱源，適用于對光敏感的被轉(zhuǎn)印材料. 但是，這種方法存在本質(zhì)的局限性，即為使界面脫黏，需要產(chǎn)生非常高的溫度(如200 ℃[9])，這一方面會對印章造成損害，導(dǎo)致界面黏附的不可逆，另一方面限制了被轉(zhuǎn)印材料的范圍[40]. 此外，所需要的高功率激光對實(shí)際制造而言存在較大的安全隱患[50]. 為解決諸類問題，一種能夠記憶臨時(shí)形狀，并且受到溫度刺激時(shí)能夠回復(fù)到原始形狀的材料[51]，即形狀記憶聚合物(Shape memory polymer，簡稱SMP)，被應(yīng)用于黏附調(diào)控領(lǐng)域.Eisenhaure等[52]指出，相同條件下SMP的黏附力是PDMS的30倍，而加熱后的SMP黏附力極低，展現(xiàn)出較好的黏附可控性. 在此基礎(chǔ)上，Huang等[50]提出了基于SMP的超低功率激光驅(qū)動溫度調(diào)控黏附策略，該策略不依賴于被轉(zhuǎn)印材料的光吸收情況，大大擴(kuò)展了可轉(zhuǎn)印的材料范圍，為精密電子器件的集成制造開啟了大門.

Fig. 8 Variations of the adhesion with velocity: (a) variations of the adhesive force between PDMS block and Si with the pulling speed[43]; (b) theoretical and experimental results of adhesive force under different velocities[45]圖8 黏附隨速度的變化：(a)PDMS物塊與硅Si之間的黏附力隨PDMS運(yùn)動速度的變化[43]；(b)不同速度下黏附力的理論/試驗(yàn)結(jié)果[45]

Fig. 9 Effect of temperature on surface adhesion: (a) variations of the adhesive force between SiO2 microsphere and PDMS microcolumn textured surface with temperature[47]; (b) variations of the surface adhesive force of PDMS with temperature[48]圖9 溫度對表面黏附的影響：(a)SiO2微球與PDMS微柱織構(gòu)化表面黏附力隨溫度的變化[47]；(b)PDMS表面黏附力隨溫度的變化[48]

Fig. 10 Laser-assisted transfer printing[49]圖10 激光輔助轉(zhuǎn)印技術(shù)[49]

3.3 基于外力的黏附調(diào)控

外力是改變表面接觸狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)，而接觸狀態(tài)的不同會影響表面黏附作用的大小，因此可通過外力實(shí)現(xiàn)一定的黏附調(diào)控需求. 比如，在仿壁虎納米線陣列黏附材料的研究中，Northen等[53]測試發(fā)現(xiàn)黏附力隨所施加的法向載荷的增加而增大，直至達(dá)到飽和黏附強(qiáng)度，此時(shí)的黏附力相對于低載荷下而言增強(qiáng)了約4倍，表明法向載荷是改變黏附的可控指標(biāo). 受此啟發(fā)，Carlson等[54]設(shè)計(jì)了一種含有可膨脹薄膜腔的印章，薄膜腔在壓力作用下可實(shí)現(xiàn)膨脹和未膨脹兩種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而改變印章和其他表面之間的接觸面積，從而達(dá)到根據(jù)需求調(diào)控黏附的目的，將其用于轉(zhuǎn)印技術(shù)中可實(shí)現(xiàn)黏附力近50倍的變化[圖11(a)]. 除法向力或壓力外，Carlson等[41]發(fā)現(xiàn)施加剪切力也會改變表面間的黏附作用，這是因?yàn)榧羟辛τ兄诮佑|表面一側(cè)產(chǎn)生高應(yīng)力，促進(jìn)了裂紋的萌生和發(fā)展[37]，因而降低了黏附力，且剪切位移越大，黏附力越低[圖11(b)]，據(jù)此提出了剪切輔助轉(zhuǎn)印技術(shù).

3.4 基于磁場的黏附調(diào)控

目前，關(guān)于磁場調(diào)控黏附的相關(guān)研究主要可以分為兩類. 第一類研究利用磁場激發(fā)磁黏附材料表面結(jié)構(gòu)的變形來調(diào)控黏附，如Northen等[53]研究了磁場對仿壁虎納米線陣列表面和柔性鎳板之間黏附力的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在磁場作用下鎳板會發(fā)生構(gòu)象變化，使其遠(yuǎn)離納米線陣列表面，因而大大減小了接觸面積，黏附力最大可降低約40倍[圖12(a)]. Drotlef等[55]制備了表面具有微柱狀織構(gòu)且織構(gòu)中聚集有釹鐵硼永磁材料(NdFeB)微顆粒的PDMS樣品，發(fā)現(xiàn)當(dāng)施加磁場時(shí)，微柱體會發(fā)生變形，接觸面積減小，黏附力約降低1個(gè)數(shù)量級，而當(dāng)關(guān)閉磁場時(shí)微柱體回復(fù)至初始位置，實(shí)現(xiàn)了黏附的可逆調(diào)控[圖12(b)]. 第二類研究利用磁場改變磁流變彈性體的力學(xué)特性來調(diào)控黏附. 如Krahn等[56]在PDMS中摻入氧化鐵納米顆粒(Fe3O4)制備了以Fe-PDMS為支撐層，以含蘑菇狀纖維結(jié)構(gòu)的薄PDMS為表面層的磁流變彈性體，試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，磁場強(qiáng)度和磁場取向的變化會影響磁流變彈性體的整體剛度，進(jìn)而影響接觸區(qū)域的大小，實(shí)現(xiàn)不同程度的增黏和減黏效果[圖13(a)]. Pang等[57]對含柱狀PDMS外殼和磁流變聚合物凝膠(Magnetorheological polymer gel，簡稱MRPG)內(nèi)核的復(fù)合材料體的研究發(fā)現(xiàn)，磁場可改變界面應(yīng)力，因而達(dá)到調(diào)控黏附的作用. 此外，研究者發(fā)現(xiàn)黏附的調(diào)控效果不僅與內(nèi)核的形狀有關(guān)，還與磁場的作用模式有關(guān)，在壓入-拉出過程中，如果僅在拉出階段作用磁場[圖13(b)中的5A]，可達(dá)到增強(qiáng)黏附的作用.如果僅在壓入階段作用磁場[圖13(b)中的Pre-5A]，可達(dá)到減小黏附的作用. 此外，Testa等[58]制備了以硅橡膠為連續(xù)相，以水基磁流變液(Magneto-rheological fluid，簡稱MRF)為分散相的MRF-silicone兩相復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)施加磁場時(shí)，復(fù)合材料的彈性模量增加，顯著增強(qiáng)了黏附性能，在250 mT磁場強(qiáng)度下，黏附力相對于非磁性體增強(qiáng)約9倍.

從上述研究可以看出，基于磁場調(diào)控黏附的方法需要結(jié)合表面改形和材料改性等手段使材料的力學(xué)性能受磁場影響，通過磁場強(qiáng)度、磁場取向和磁場作用模式等的改變可實(shí)現(xiàn)不同的黏附調(diào)控效果，因此具有很大的可控性. 此外，磁場調(diào)控具有快速響應(yīng)和無接觸的優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景.

4 多手段復(fù)合調(diào)控黏附研究進(jìn)展

Fig. 11 Effect of external forces on the adhesion: (a) effect of pressure on the surface adhesive force of the stamp with inflatable reservoir[54]; (b) effect of shear displacement on the surface adhesive force of PDMS[41]圖11 外力對黏附的影響：(a)壓力對含有可膨脹薄膜腔的印章表面黏附力的影響[54]；(b)剪切力對PDMS表面黏附力的影響[41]

為增大黏附調(diào)控范圍，綜合使用改形、改性和外場多手段復(fù)合調(diào)控黏附成為近年來的研究熱點(diǎn). 典型的復(fù)合調(diào)控方式包括：改形+改性調(diào)控、改形+溫度調(diào)控、改形+外力調(diào)控、改形+速度+外力調(diào)控、改形+改性+負(fù)壓調(diào)控、溫度+改形+負(fù)壓調(diào)控和磁場+改形+負(fù)壓調(diào)控等，其調(diào)控效果如表1所示，比較突出的成果有：(1)通過對硅橡膠表面進(jìn)行改形和施加剪切載荷，可實(shí)現(xiàn)黏附力穩(wěn)定的降至接近0[59]；(2)綜合考慮改形、溫度和負(fù)壓調(diào)控原理，將印章設(shè)計(jì)為包含空氣腔、微結(jié)構(gòu)化封裝膜和內(nèi)腔上可吸收激光的金屬層的特殊結(jié)構(gòu)，可在溫升不超過100 ℃的情況下實(shí)現(xiàn)高達(dá)1 000倍的黏附調(diào)控范圍[60]；(3)受章魚吸盤利用負(fù)壓調(diào)控黏附的啟發(fā)，制造仿章魚吸盤黏附材料，可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)黏附狀態(tài)和弱黏附狀態(tài)間的智能轉(zhuǎn)換[61].

表1 多手段復(fù)合調(diào)控方法Table 1 Methods combining multiple adhesion regulation means

上述研究為未來多種黏附調(diào)控方式的結(jié)合設(shè)計(jì)提供了很好的思路.

Fig. 12 Changes of the adhesive force when the magnetic field is turned on and off: (a) changes of surface adhesive force of gecko nanowire arrays[53]; (b) changes of surface adhesive force of NdFeB-PDMS[55]圖12 磁場開/閉對磁黏附材料表面黏附力的影響：(a)仿壁虎納米線陣列表面黏附力的變化[53]；(b)NdFeB-PDMS表面黏附力的變化[55]

Fig. 13 Effect of different factors on the surface adhesion of magnetorheological materials: (a) effect of magnetic field strength and orientation on the surface adhesive force of Fe-PDMS magnetorheological elastomer[56]; (b) effect of the magnetorheological polymer filling shape and the magnetic field action mode on the surface adhesive force[57]圖13 不同因素對磁流變材料表面黏附的影響：(a)磁場強(qiáng)度和取向?qū)e-PDMS磁流變彈性體表面黏附力的影響[56]；(b)磁流變聚合物凝膠內(nèi)核形狀與磁場的作用模式對表面黏附力的影響[57]

5 總結(jié)與展望

本文中從表面改形、材料改性和外場控制3個(gè)層面探討了黏附性能調(diào)控方法的研究進(jìn)展. 首先，介紹了織構(gòu)在磁存儲裝置和微機(jī)電系統(tǒng)等黏附調(diào)控應(yīng)用中所起的作用，闡述了不同織構(gòu)的特征和影響?zhàn)じ降年P(guān)鍵參數(shù)；其次，討論了表面涂層/薄膜調(diào)控黏附的機(jī)理和主要存在的問題，給出了基于復(fù)合材料的黏附調(diào)控方法在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和微操作/微裝配技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用實(shí)例；此外，介紹了速度、溫度、外力和磁場激勵(lì)下表面強(qiáng)黏附和弱黏附之間的轉(zhuǎn)換機(jī)理，并闡述了這些方法的黏附調(diào)控效果. 作為總結(jié)，表2給出了各方法的調(diào)控機(jī)理、關(guān)鍵影響因素、優(yōu)點(diǎn)、主要存在的問題和應(yīng)用領(lǐng)域. 最后，介紹了多手段復(fù)合調(diào)控黏附的方法和主要成果.

表2 不同黏附調(diào)控方法總結(jié)Table 2 Summary of different adhesion regulation methods

雖然關(guān)于表面黏附性能調(diào)控的科學(xué)研究已取得重要進(jìn)展，但就黏附/脫附的可逆性、響應(yīng)速度、調(diào)控手段的可操作性和對不同環(huán)境的適應(yīng)性而言，仍具挑戰(zhàn). 未來可從以下方面開展深入研究：(1)完善多級織構(gòu)黏附功能材料的多尺度設(shè)計(jì)理論，提高其環(huán)境適應(yīng)性和長期耐久性；(2)發(fā)展新的復(fù)合材料和界面結(jié)構(gòu)以提高黏附調(diào)控范圍，降低強(qiáng)弱黏附轉(zhuǎn)換的響應(yīng)時(shí)間；(3)探索不同的激光誘導(dǎo)現(xiàn)象，發(fā)展新的材料以增強(qiáng)其在低溫下的能量轉(zhuǎn)換效率，提高黏附/脫附的可逆性，進(jìn)一步促進(jìn)激光驅(qū)動溫度調(diào)控黏附方法在微轉(zhuǎn)印技術(shù)中的應(yīng)用；(4)開展變載荷下磁控負(fù)壓黏附裝置的動態(tài)黏附性能研究，為實(shí)現(xiàn)黏附自主可控提供技術(shù)支持；(5)發(fā)展多手段復(fù)合黏附調(diào)控新方法，拓寬微轉(zhuǎn)印和智能抓取等微裝配/微操作技術(shù)的應(yīng)用范圍.