仿生楔形陣列制備方法與方向性黏附特性研究

劉彥偉 周 強 潘 豪 李鵬陽 李淑娟

西安理工大學(xué)機械與精密儀器工程學(xué)院，西安，710048

0 引言

壁虎具有飛檐走壁的本領(lǐng)，它卓越的壁面附著和攀爬能力得益于其腳趾精妙的黏附結(jié)構(gòu)。AUTUMN等[1-2]通過實驗證明壁虎超強黏附力源于腳掌上大量剛毛與物體表面的范德華作用力。在壁虎黏附機理的啟發(fā)下，國內(nèi)外科研人員開展了大量理論研究和仿生黏附材料制備工藝研究。蘑菇狀或柱狀仿壁虎黏附陣列具備很高的黏附強度，但在脫附過程中需要克服同樣大的黏附阻力[3-6]。壁虎的足部可以實現(xiàn)可控黏附，強黏附性能確保它?？吭诒诿嫔?，而易脫附性能則是實現(xiàn)快速高效爬行的關(guān)鍵。

方向性黏附陣列設(shè)計是實現(xiàn)仿壁虎可控黏附的主要途徑之一。WANG等[7-8]基于雙重曝光光刻工藝制備了一種臺階蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)，運動方向不同，接觸面積不同，所產(chǎn)生的黏附力不同，從而實現(xiàn)方向性黏附，還使用傾斜曝光的方法制備了傾斜蘑菇狀陣列來實現(xiàn)方向性黏附。JEONG等[9]使用傾斜等離子體刻蝕的方法制備了具有傾斜和非對稱的纖維狀黏附陣列。MURPHY等[10]結(jié)合傾斜曝光和浸漬技術(shù)制備了傾斜蘑菇狀陣列。SHI等[11]采用溶劑驅(qū)動墨印法制備了具有徑向取向的抹刀形微柱陣列。方向性楔形黏附結(jié)構(gòu)較蘑菇狀結(jié)構(gòu)簡單，可以通過倒模工藝制備。PARNESS等[12]采用多重曝光光刻工藝制備了的楔形陣列模具。DAY等[13]加工了具有楔形空腔結(jié)構(gòu)的蠟?zāi)?，通過倒模工藝制備了方向性楔形黏附陣列，但蠟?zāi)Ｈ菀讚p壞且難以重復(fù)使用。KERST等[14]通過蠟?zāi)Ｖ苽淞薖DMS硅膠楔形陣列，然后在硅膠楔形陣列表面濺射鈦和鉑金，最后通過電鍍工藝形成銅模具，工藝過程復(fù)雜。TAO等[15]通過超精密單點金剛石切削技術(shù)在6061鋁塊上加工了楔形陣列模具，制備的楔形黏附陣列呈對稱的圓環(huán)狀，切割成很小的面積后，弧形楔形陣列可以近似為直線的楔形陣列。ZHOU等[16]通過超精密金剛石加工技術(shù)在碳化鎢表面加工了環(huán)形楔形陣列模具，研究了楔形結(jié)構(gòu)寬度對黏附性能的影響。

微納3D打印是一種用于微尺度結(jié)構(gòu)增材制造的技術(shù)，與光刻技術(shù)等微結(jié)構(gòu)加工工藝相比，能夠加工花瓣狀、鋸齒狀等更為復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)，且具有較高的加工效率，在超疏水、微流控等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[17-19]。

本文針對目前蠟?zāi)２荒苤貜?fù)使用、光刻和電鍍等工藝復(fù)雜的問題，提出利用微納3D打印技術(shù)加工具有楔形空腔陣列的樹脂模具的方法。選用Ecoflex 00-30硅膠制備出仿生楔形黏附陣列，開展仿生楔形陣列黏附性能實驗研究，為進一步優(yōu)化楔形陣列結(jié)構(gòu)、提高可控黏附性能提供參考，促進仿生干黏附材料在爬壁機器人、太空垃圾清理等領(lǐng)域的實際應(yīng)用。

1 仿生楔形陣列設(shè)計及微納3D打印模具

1.1 仿生楔形陣列設(shè)計

非對稱設(shè)計是實現(xiàn)楔形陣列方向性黏附的關(guān)鍵。圖1所示為本文設(shè)計的非對稱楔形結(jié)構(gòu)陣列，楔形結(jié)構(gòu)的兩條邊與基底夾角不同，內(nèi)傾角α設(shè)計為70°，傾斜角θ設(shè)計為90°。楔形結(jié)構(gòu)的高寬比越大，結(jié)構(gòu)剛度越小，對目標(biāo)表面的適應(yīng)性越好，接觸越緊密，但過大的高寬比會導(dǎo)致相鄰楔形結(jié)構(gòu)黏結(jié)在一起而失效。參考以往研究成果[12-16]，本文楔形結(jié)構(gòu)的高寬比設(shè)計為2，楔形結(jié)構(gòu)高度H=400 μm，寬度W=200 μm?？紤]到3D打印難以加工尖點的特點，楔形結(jié)構(gòu)頂端設(shè)計為平頂結(jié)構(gòu)，寬度S=50 μm。

圖1 楔形結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.1 Design of wedge structure

仿生楔形陣列在接觸物體表面形成的黏附力與接觸面積相關(guān)。如圖2所示，楔形結(jié)構(gòu)沿其斜面方向(抓取方向)運動時，楔形結(jié)構(gòu)的斜面與物體表面接觸，形成較大的接觸面積，產(chǎn)生較大的黏附力;楔形結(jié)構(gòu)朝相反方向(釋放方向)運動時，楔形結(jié)構(gòu)的豎直面與物體表面接觸，形成的接觸面積相對較小，產(chǎn)生的黏附力相對較小，進而表現(xiàn)出方向性黏附特性。

圖2 楔形結(jié)構(gòu)方向性黏附原理圖Fig.2 Directivity diagram of wedge structure

1.2 微納3D打印模具

基于圖1所示的仿生楔形黏附結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計了圖3所示的微結(jié)構(gòu)陣列模具。模具整體尺寸為25 mm × 25 mm，四周的冒口設(shè)計有助于液態(tài)硅膠材料澆筑成形。

圖3 模具結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Diagram of mold structure

模具采用微納3D打印技術(shù)加工而成，加工設(shè)備為中國深圳摩方新材科技有限公司的微納3D打印機(型號nanoArch S150)，材料為HTL高溫光敏樹脂。圖4所示為微加工的模具樣件，楔形空腔結(jié)構(gòu)的尺寸與圖1設(shè)計的楔形結(jié)構(gòu)基本一致，高度H=401 μm，寬度W=201 μm，楔形尖端寬S=51 μm。

(a)模具整體圖 (b)模具楔形空腔結(jié)構(gòu)圖4 微納3D打印制備的模具樣件Fig.4 Micro-morphology of the mold prepared by micro-nano 3D printing

2 仿生楔形陣列制備方法與精度分析

2.1 仿生楔形陣列制備流程

由于模具為光敏樹脂液體固化成形，模具楔形空腔內(nèi)殘留有未固化的樹脂材料，所以在正式制備仿生楔形陣列之前需要進行3～5次的預(yù)脫模以清除殘留樹脂。

仿生楔形陣列黏附材料選擇Smooth On公司的Ecoflex 00-30硅膠材料，制備工藝如圖5所示。首先，將模具浸泡在1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷中，并在25 ℃的真空干燥箱中靜置7 h，使模具表面形成低表面能的全氟涂層，防止硅膠材料在模具中固化后黏結(jié)在模具上而導(dǎo)致脫模困難的問題。其次，將Ecoflex 00-30硅膠材料A、B材料按1∶1充分混合后在真空箱中脫出氣泡，之后緩慢澆注到模具中。接著，使用勻膠機以160 r/min的速度旋涂30 s，并在大氣壓環(huán)境下靜置15 min，使硅膠材料充分澆注在模具空腔中。然后，對硅膠材料再一次進行真空脫氣，在室溫、加壓狀態(tài)下固化4 h。最后，將固化后硅膠材料從模具中脫模，得到仿生楔形黏附陣列。

(a)模具全氟涂層預(yù)處理 (b)澆注液體硅膠材料

(c)旋涂、靜置 (d)室溫固化

(e)仿生楔形陣列圖5 仿生楔形陣列制備流程Fig.5 Preparation process of bio-inspired wedge arrays

2.2 楔形結(jié)構(gòu)形狀誤差分析

楔形微結(jié)構(gòu)的寬度W、高度H和角度α是影響其黏附性能的重要參數(shù)。寬度W和高度H可以從顯微鏡中直接測量得到，角度α由tanα=W/H得到。制備的仿生楔形黏附陣列微觀結(jié)構(gòu)如圖6所示，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。制備的楔形結(jié)構(gòu)與設(shè)計的結(jié)構(gòu)基本一致，寬度誤差為2%，高度誤差為7.4%，角度誤差為1.2%，形狀誤差可以忽略不計。

圖6 仿生楔形黏附陣列微觀結(jié)構(gòu)Fig.6 Microstructure of biomimetic wedge adhesive arrays

表1 仿生楔形結(jié)構(gòu)形狀誤差Tab.1 Shape errors of biomimetic wedge microstructure

3 仿生楔形陣列黏附性能實驗研究

3.1 實驗測試平臺

為了測試制備的楔形陣列黏附材料的黏附性能，搭建了圖7所示的實驗測試平臺，由兩個線性運動平臺驅(qū)動黏附材料相對于硅片黏附基底法向和切向運動。其中，線性運動平臺定位精度為0.05 mm，行程為50 mm，三維力傳感器(深圳威思特公司，VC41D)量程為5 N，精度0.05% F.S。實驗中，選取1 cm2面積的楔形陣列樣品作為測試分析對象。

圖7 實驗平臺Fig.7 Experimental platform

3.2 方向性黏附特性

楔形陣列的方向性黏附特性與其結(jié)構(gòu)的方向性設(shè)計相關(guān)，不同剪切方向與剪切位移條件下產(chǎn)生的黏附力不同。楔形結(jié)構(gòu)斜面一側(cè)的方向為抓取方向，對應(yīng)的剪切位移為正，楔形結(jié)構(gòu)豎直面一側(cè)的方向為釋放方向，對應(yīng)的剪切位移為負。

圖8所示為無剪切位移時楔形陣列在硅片上法向力與摩擦力的實驗結(jié)果，法向力為負表示產(chǎn)生黏附力，楔形陣列受到的摩擦力沿抓取方向為正。實驗過程中，先對楔形陣列施加0.5 N的法向預(yù)壓力，然后在預(yù)壓狀態(tài)下停留5 s，最后以0.2 mm/s的速度脫離測試表面。預(yù)壓階段，楔形結(jié)構(gòu)受到擠壓，產(chǎn)生彎曲變形，受到測試表面0.03 N的切向摩擦阻力，方向朝楔形結(jié)構(gòu)的斜面一側(cè)；靜置階段，預(yù)壓力保持不變；脫附階段，黏附材料逐漸遠離測試表面，楔形結(jié)構(gòu)逐漸由預(yù)壓狀態(tài)變?yōu)轲じ綘顟B(tài)，摩擦力逐漸減小，法向力逐漸由預(yù)壓力變?yōu)轲じ搅?，黏附力FA為0.07 N。

圖8 無剪切運動時黏附力和摩擦力實驗結(jié)果Fig.8 The experimental results of adhesion force and friction force without shear motion

圖9所示為沿抓取方向剪切時法向力與摩擦力的實驗結(jié)果。實驗過程中，先對楔形陣列施加0.5 N的法向預(yù)壓力，接著在預(yù)壓狀態(tài)下停留5 s，然后以0.1 mm/s的速度沿抓取方向剪切1 mm距離，最后以0.2 mm/s 的速度脫離測試表面。預(yù)壓階段，楔形結(jié)構(gòu)受到擠壓，發(fā)生彎曲變形，沿釋放方向產(chǎn)生微小的剪切變形，受到測試表面的切向摩擦阻力，方向與剪切方向相同；靜置階段，預(yù)壓力和摩擦力保持不變；剪切階段，楔形結(jié)構(gòu)受到的彎曲變形逐漸沿抓取方向伸展開來，對應(yīng)法向預(yù)壓力逐漸減小，同時楔形結(jié)構(gòu)的剪切變形由沿釋放方向逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檠刈ト》较?，楔形陣列受到阻止它沿抓取方向運動的摩擦阻力；脫附階段，楔形陣列遠離測試表面，逐漸由預(yù)壓狀態(tài)變?yōu)轲じ綘顟B(tài)，法向力逐漸由預(yù)壓力變?yōu)轲じ搅?，產(chǎn)生的黏附力FA為0.29 N，對應(yīng)的摩擦力為0.34 N。

圖9 抓取方向剪切運動時黏附力和摩擦力實驗結(jié)果Fig.9 The experimental results of adhesion force and friction force with shear motion in gripping direction

圖10所示為沿釋放方向剪切時法向力與切向摩擦力的實驗結(jié)果。實驗過程中，先對楔形陣列施加0.5 N的法向預(yù)壓力，接著在預(yù)壓狀態(tài)下停留5 s，然后以0.1 mm/s的速度沿釋放方向剪切1 mm距離，最后以0.2 mm/s 的速度脫離測試表面。預(yù)壓階段，楔形結(jié)構(gòu)受到擠壓，發(fā)生彎曲變形，沿釋放方向產(chǎn)生微小的剪切變形，受到測試表面的切向摩擦阻力，方向與剪切方向相反；靜置階段，預(yù)壓力和摩擦力保持不變；剪切階段，楔形結(jié)構(gòu)與測試表面之間的接觸面由斜面一側(cè)切換到豎直面一側(cè)，楔形結(jié)構(gòu)先擠壓后沿釋放方向伸展開來，對應(yīng)法向力先增大后減小，由于釋放方向剪切運動產(chǎn)生的回彈力較大，故法向力下降緩慢，同時摩擦阻力始終沿釋放方向逐漸增大；脫附階段，黏附材料逐漸遠離測試表面，楔形結(jié)構(gòu)逐漸由預(yù)壓狀態(tài)變?yōu)轲じ綘顟B(tài)，法向力逐漸由預(yù)壓力變?yōu)轲じ搅Γ尚ㄐ谓Y(jié)構(gòu)豎直的一側(cè)表面提供黏附力，產(chǎn)生的黏附力FA為0.18 N，對應(yīng)的摩擦力為0.28 N。

圖10 釋放方向剪切運動時黏附力和摩擦力實驗結(jié)果Fig.10 The experimental results of adhesion force and friction force with shear motion in release direction

方向性黏附特性實驗結(jié)果表明，楔形陣列黏附材料具有與壁虎剛毛類似的方向性黏附特性，未施加剪切位移時產(chǎn)生的黏附力很小，沿抓取方向能夠產(chǎn)生較大的黏附力，沿釋放方向產(chǎn)生較小的黏附力。楔形結(jié)構(gòu)的方向性黏附特性源于其方向性結(jié)構(gòu)設(shè)計。如圖11所示，沿抓取方向運動時，楔形結(jié)構(gòu)的斜面與測試表面接觸，結(jié)構(gòu)的柔順性更好，彎曲變形的彈性阻力較小，可以形成較大的接觸面積，進而能夠提供較大的黏附力。如圖12所示，沿釋放方向運動時，楔形結(jié)構(gòu)的豎直面與測試表面接觸，相同的接觸面積要求楔形結(jié)構(gòu)發(fā)生的彎曲變形更大，變形過程中產(chǎn)生的彈性回復(fù)力更大，形成的接觸面積較小，進而能夠提供的黏附力較小。

圖11 楔形陣列沿抓取方向剪切運動Fig.11 Shear motion of wedge arrays in gripping direction

圖12 楔形陣列沿釋放方向剪切運動Fig.12 Shear motion of wedge arrays in release direction

3.3 剪切距離對黏附/摩擦性能的影響

不同剪切距離下楔形結(jié)構(gòu)的變形程度決定了楔形陣列與測試表面間的接觸面積，進而影響其黏附和摩擦性能。本文通過實驗測試了不同剪切位移后楔形陣列的黏附性能與摩擦性能。實驗中，樣品面積為1 cm2，預(yù)載荷為5 kPa，載荷停留時間為5 s，剪切速度為0.1 mm/s，脫附速度為0.2 mm/s。

不同剪切距離下楔形陣列的黏附強度實驗結(jié)果如圖13所示。楔形陣列的黏附強度具有明顯的方向性，沿抓取方向剪切后能夠提供更大的黏附力，抓取方向與釋放方向的最大黏附強度比為1.78。隨著抓取方向剪切距離的增大，楔形結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲變形，斜面一側(cè)伸展開來，與硅片之間的接觸面積不斷增大(圖11)，黏附性能增強。沿抓取方向剪切運動1.2 mm后，黏附強度最大，為3.2 kPa。隨著剪切距離的繼續(xù)增大，楔形結(jié)構(gòu)的尖端發(fā)生剝離，楔形陣列發(fā)生滑移運動，黏附強度開始降低。沿釋放方向剪切時，楔形結(jié)構(gòu)頂點與硅片之間相互擠壓，彈性回復(fù)力大，產(chǎn)生的黏附力小，隨剪切距離的進一步增加，楔形結(jié)構(gòu)也會發(fā)生彎曲變形，豎直面一側(cè)與硅片之間的接觸面積增大(圖12)，黏附強度隨剪切距離的增大而增大，但由于豎直面一側(cè)變形阻力更大，黏附強度整體較小。沿釋放方向剪切運動1.2 mm 后，黏附強度最大，為1.8 kPa。隨著剪切距離的繼續(xù)增大，楔形陣列與硅片間發(fā)生相對滑移，楔形陣列與測試硅片之間的接觸緊密度降低，黏附強度降低。

圖13 剪切距離對楔形陣列黏附強度的影響Fig.13 Influence of shear distance on adhesion strength of wedge arrays

不同剪切距離下楔形陣列的摩擦強度實驗結(jié)果如圖14所示。楔形陣列與硅片測試表面間的摩擦力由機械擠壓作用產(chǎn)生的摩擦力和與接觸面積相關(guān)的分子間相互作用產(chǎn)生的阻力兩部分組成[20]。沿抓取方向剪切時，楔形結(jié)構(gòu)與測試表面間的接觸面積較大，由分子間相互作用產(chǎn)生的阻力較大，而沿釋放方向剪切時，楔形結(jié)構(gòu)擠壓變形嚴(yán)重，由此產(chǎn)生的摩擦力較大。綜合兩種摩擦力，沿抓取方向剪切后產(chǎn)生的摩擦力比沿釋放方向剪切后產(chǎn)生的摩擦力稍大。隨著抓取方向剪切距離的增大，楔形結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲變形并伸展開來，楔形陣列與硅片之間的接觸面積增大，分子間作用產(chǎn)生的摩擦力逐漸增大。當(dāng)剪切距離大于1.2 mm時，楔形結(jié)構(gòu)與硅片表面發(fā)生滑移現(xiàn)象，摩擦力由靜摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑒幽Σ粒Σ亮p小。沿釋放方向剪切時，摩擦力隨剪切位移增大而增大，并隨著靜摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽Σ林饾u趨于平穩(wěn)。

圖14 剪切距離對楔形陣列摩擦強度的影響Fig.14 Influence of shear distance on friction strength of wedge arrays

3.4 預(yù)壓力對黏附強度的影響

法向預(yù)壓力影響楔形陣列與測試表面間接觸的緊密性，進而影響楔形陣列的黏附強度。不同預(yù)壓力下楔形陣列的黏附強度實驗結(jié)果如圖15所示。實驗過程中，先對面積1 cm2的楔形陣列施加0.2 ～2.4 N的法向預(yù)壓力，接著在預(yù)壓狀態(tài)下停留5 s，然后以0.1 mm/s的速度沿抓取方向剪切1 mm距離，最后以0.2 mm/s 的速度脫離測試表面。結(jié)果表明，隨著預(yù)壓力的增大，楔形結(jié)構(gòu)的變形增大，與測試表面的接觸面積增大，剪切后產(chǎn)生的黏附力增大，但隨著預(yù)壓力的增大，楔形結(jié)構(gòu)的變形阻力增大，黏附力的增加速度越來越慢，當(dāng)預(yù)壓力大于2.2 N后，楔形結(jié)構(gòu)已經(jīng)達到最大變形，黏附面積達到最大，黏附力基本平穩(wěn)。此外，實驗過程中，難以保證楔形陣列與測試表面完全平行，隨著預(yù)壓力的增大，與測試表面接觸的楔形結(jié)構(gòu)數(shù)量增多，黏附面積增大，但同時變形阻力也增大，黏附力增大速度逐漸變緩。

圖15 預(yù)壓力對楔形陣列黏附強度的影響Fig.15 Influence of preload on adhesion strength of wedge arrays

3.5 預(yù)壓停留時間對黏附強度的影響

硅橡膠材料的黏附力FA隨預(yù)壓停留時間T呈現(xiàn)冪函數(shù)的變化規(guī)律[21]：

FA=ATn

(1)

式中，A、n為與黏附材料和實驗條件相關(guān)的實驗系數(shù)。

不同預(yù)壓停留時間下楔形陣列的黏附強度實驗結(jié)果如圖16所示。實驗過程中，先對面積1 cm2的楔形陣列施加0.5 N的法向預(yù)壓力，接著在預(yù)壓狀態(tài)下停留10～80 s，然后以0.1 mm/s的速度沿抓取方向剪切1 mm距離，最后以0.2 mm/s 的速度脫離測試表面。實驗結(jié)果表明，由于硅橡膠蠕變行為的存在，楔形陣列與測試表面間的接觸面積隨停留時間的增長而增大，黏附強度也隨著增大。

圖16 載荷停留時間對楔形陣列黏附強度的影響Fig.16 Influence of load residence time on adhesion strength of wedge arrays

3.6 脫附速度對黏附強度的影響

黏附材料脫開時的黏附力FA由范德華力產(chǎn)生的吸附作用和高分子鏈的耗散作用兩部分構(gòu)成，表達式為[22]

(2)

式中，F(xiàn)0為范德華力產(chǎn)生的吸附作用力；v為脫附速度；v0為參考脫附速度；C、m為與黏附材料和實驗條件相關(guān)的實驗參數(shù)。

由式(2)可知，楔形陣列的黏附強度與脫附速度成冪函數(shù)關(guān)系。不同脫附速度下楔形陣列的黏附強度實驗結(jié)果如圖17所示。實驗過程中，先對面積1 cm2的楔形陣列施加0.5 N的法向預(yù)壓力，接著在預(yù)壓狀態(tài)下停留5 s，然后以0.1 mm/s的速度沿抓取方向剪切1 mm距離，最后以0.1～1 mm/s的速度脫離測試表面。實驗結(jié)果表明，黏附強度隨脫附速度的增大而增大。這是因為高分子材料脫附瞬間趨于硬化，脫開時由于高分子鏈的伸長或分子鏈間的摩擦產(chǎn)生的耗散作用，使黏附力增大。

圖17 脫附速度對楔形陣列黏附強度的影響Fig.17 Influence of lifting speed on adhesion strength of wedge arrays

4 結(jié)論

本文針對現(xiàn)有仿壁虎可控黏附材料制備工藝復(fù)雜、效率低的問題，提出基于微納3D打印技術(shù)的仿壁虎楔形陣列干黏附材料的高效制備方法，搭建了實驗測試平臺，測試了仿生楔形陣列黏附材料的性能，實現(xiàn)了黏附材料的方向性黏附特性，為進一步優(yōu)化黏附結(jié)構(gòu)設(shè)計、提高黏附性能提供了參考。

(1)采用微納3D打印模具和倒模工藝制備的楔形陣列結(jié)構(gòu)具有良好的成形精度，驗證了采用微納3D打印技術(shù)高效制備仿生黏附材料的可行性。

(2)實驗研究了剪切方向、剪切距離、預(yù)壓力、預(yù)壓停留時間、脫附速度等參數(shù)對楔形陣列黏附性能的影響，結(jié)果表明制備的黏附材料具有顯著的方向性黏附特性，抓取方向與釋放方向的最大黏附強度比為1.78。