調(diào)控界面應(yīng)力分布增強干黏附材料的黏附力

摘 要： 干黏附材料利用分子間作用力產(chǎn)生黏附性能，憑借其可重復(fù)使用等特點，在機器人技術(shù)及精密制造中有著重要的應(yīng)用。為使干黏附材料受拉時接觸界面應(yīng)力更加均勻，提高其黏附力，對微米級羰基鐵粉顆粒/聚二甲基硅氧烷磁流變彈性體干黏附材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過改變羰基鐵粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和外加磁場，制備了彈性模量沿半徑方向變化的多級復(fù)合樣品和梯度模量樣品，黏附強度分別達(dá)到8.0 N/cm2 和11.4 N/cm2，相較于羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)（ 60%）相同的均質(zhì)樣品，多級復(fù)合樣品和梯度分布樣品的黏附強度分別提升了35% 和77%。結(jié)合有限元仿真結(jié)果可知，彈性模量徑向分布設(shè)計能有效降低邊緣應(yīng)力集中，由于梯度模量樣品界面正應(yīng)力分布更均勻，因此其黏附增強效果比多級復(fù)合樣品更顯著。

關(guān)鍵詞： 磁流變彈性體；干黏附材料；彈性模量；有限元仿真；應(yīng)力分布

中圖分類號： TH145.4+1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

干黏附材料利用范德華力實現(xiàn)黏附[1-3]，具有無損傷、無殘留和可多次重復(fù)使用等優(yōu)勢[4]，因而在智能攀爬機器人、可穿戴設(shè)備[5，6]、微納器件[7] 或易碎物體[8] 轉(zhuǎn)印、醫(yī)療設(shè)備[9] 等方面展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

已有的研究結(jié)果表明，干黏附材料與基底的接觸界面邊緣存在應(yīng)力集中，這使得干黏附材料表現(xiàn)出的實際黏附性能遠(yuǎn)低于其理論值[10]。在自然界中，壁虎使用蘑菇狀或抹刀狀的纖維結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了優(yōu)異的黏附性能[11]。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，蘑菇狀或抹刀狀的纖維結(jié)構(gòu)有利于降低接觸界面邊緣應(yīng)力集中，抑制裂紋擴展[12， 13]，在此啟發(fā)下制備出不同末端形貌的聚二甲基硅氧烷（PDMS）纖維狀黏附材料[14] 及更復(fù)雜形狀的黏附柱。如Murphy 等[15] 設(shè)計的具有橢圓接觸面的傾斜微米級黏附柱陣列，其切向黏附強度可以達(dá)到100 kPa；Pande 等[16]設(shè)計的毫米級黏附柱，其形狀在高度方向上連續(xù)變化，實現(xiàn)了10 N/cm2 的黏附強度，黏附性能均得到了提升。另一方面，不改變黏附材料形狀，通過多種不同剛度材料的組合設(shè)計也可以改變界面應(yīng)力分布，從而提升黏附強度。如Minsky 等[17] 設(shè)計了半徑方向上內(nèi)硬外軟的黏附材料；Balijepalli 等[18] 設(shè)計了高度方向上靠近接觸面硬、遠(yuǎn)離接觸面軟的黏附材料，在軟、硬材料彈性模量相差1 000 倍以上的條件下，分別實現(xiàn)了高于9 倍和10 倍的黏附力增強；Minsky 等[19] 還在內(nèi)硬外軟的黏附材料中實現(xiàn)了正向黏附力受切向載荷后驟減，從而實現(xiàn)了正應(yīng)力可調(diào)控性；Tong 等[20] 通過仿真給出了4 種不同剛度材料在空間中的理想分布形式，減少黏附材料在指定位置出現(xiàn)應(yīng)力集中。然而，帶有微結(jié)構(gòu)或形狀連續(xù)變化的黏附材料制備復(fù)雜，而剛度變化的黏附材料其復(fù)合結(jié)構(gòu)采用彈性模量差距極大的材料復(fù)合而成，在不同材料組成的界面處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。瓢蟲足部剛毛由底部至尖端彈性模量梯度降低，使其兼具較強黏附性能與粗糙界面適應(yīng)性，Wang 等[21] 通過磁場控制制備出縱向模量梯度變化的仿瓢蟲剛毛黏附材料。

本文通過在PDMS 基質(zhì)中摻入微米級羰基鐵粉顆粒（CIP）制備磁流變彈性體（MRE）干黏附材料，結(jié)合有限元分析，比較不同徑向模量分布的黏附材料界面歸一化正應(yīng)力的分布均勻性，得到黏附材料的徑向模量優(yōu)化分布。根據(jù)設(shè)計結(jié)果，利用CIP 質(zhì)量分?jǐn)?shù)和非均勻磁場中的磁流變效應(yīng)分別制備彈性模量分級變化樣品和梯度變化樣品，連同均質(zhì)的樣品，進(jìn)行黏附性能測試，觀察并比較其黏附力的變化，驗證實驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的一致性。此工作為通過界面應(yīng)力分布調(diào)控對黏附材料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 有限元數(shù)值模擬

使用COMSOL6.0 軟件進(jìn)行力學(xué)仿真。根據(jù)黏附材料中心脫附的長徑比范圍[22]，并兼顧制備的便捷性，選取黏附材料樣品半徑（R）為10 mm，高（H）為6 mm。邊界條件為一端固定，另一端與一塊半徑為15 mm、厚3 mm 的鐵塊接觸，接觸形式為“黏附”，鐵塊的另一端施加一個恒定的位移載荷以模擬黏附材料受拉的情況，并輸出接觸面的正應(yīng)力分布。為了使仿真的平均正應(yīng)力與實際的黏附強度相近，位移載荷確定為0.03 mm。