Page 35 - 《摩擦学学报》2021年第5期

624 摩 擦 学 学 报 第 41 卷

100 F f =kLγ lv (cosθ r −cosθ a ) (2)
1.26 MPa-5μL 其中：L为接触线长度；k为修正系数，修正由于接触线
Dynamic friction force/μN 80 时间变化曲线进行拟合，获得k的大小为0.77 ± 0.01.
和接触角测量误差导致的结果偏差. 通过对摩擦力随

[31]
研究表明，k值在1/2~π/2的范围内均满足要求 . 如图3
60
所示，该公式的拟合曲线与试验曲线能很好的吻合.

40 2.4 软基体力学性能对动态摩擦性能影响
通过PDMS与固化剂的混合比例不同，制备了具
0.10 0.15 0.20
Velocity/(mm/s) 有不同力学性能的软基体表面. 软基体的弹性模量与

Fig. 7 Dynamic friction coefficient at different 损耗模量结果列于表2中. 随着固化剂比例降低，PDMS
sliding velocities 软基体的弹性模量从1.41 MPa逐渐降至0.41 MPa，损
图 7 动态摩擦系数随滑动速度变化趋势
耗模量从0.05 MPa逐渐降至0.02 MPa.

3.4
(a) Table 2 Elastic modulus and loss modulus of the
表 2 PDMS软基体的弹性模量与损耗模量
Length of contact line/mm 3.0 Ratio PDMS substrate G"/ MPa
3.2

E/ MPa
1.41
1/5
0.05
2.8
0.04
1/10
1.26
1/20
0.41
0.02
2.6

图9示出了动态摩擦力随PDMS力学性能的变化
2.4
趋势. 图9结果表明：随着PDMS弹性模量的降低，动态
(b) 摩擦力逐步增加. 如前所述，微液滴的表面张力会导
120 θ a (ν)
θ r (ν)
致软基体产生变形，变形高度与软基体的弹性模量呈
反比. 因此，随着PDMS力学性能的降低，基体的变形
110
Contact angle/(°) 100 增加，微液滴在运动过程中的能量耗散增加，摩擦力
增加. 但是，由于基体变形范围约为144~485 nm，相对
90 于液滴直径非常小，其对动态摩擦力的变化影响非常
有限.
PDMS是一种具有链状结构的有机硅氧烷混合
80
[32]
物，其交联密度随着固化剂比例的变化而发生改变 .
0.10 0.15 0.20
[33]
Velocity/(mm/s) Valentin等 指出PDMS在硅基表面固化后的交联密

Fig. 8 Variation of the length of contact line and contact 度会引起软基体的力学性能从弹性向黏性转变，其黏
angle with sliding velocities 附力也会随力学性能的变化而变化，摩擦力由黏附力
图 8 接触线长度和接触角随滑动速度的变化趋势 与固液界面的相互作用共同决定 . 如图10所示，当
[34]
固化剂的比例从1/5减小到1/20，即PDMS弹性模量从
为有关.
1.41 MPa逐渐降低到0.41 MPa时，固液界面黏附力显
图8示出了不同滑动速度下微液滴与软基体接触
著增加. 因此，当微液滴运动时，需要更多的能量克服
界面接触线长度和接触角的变化趋势. 结果表明：接
固液界面的黏附力，从而导致动态摩擦力增加. 因此，
触线长度和前进角随着滑动速度的增加而增加，后退 随着PDMS 力学性能的降低，固液界面动态摩擦力的
角随着滑动速度的增加而降低. 因此，接触线、前进接 增加归结于固液界面黏附力的变化.
触角和后退接触角的变化为计算固液界面摩擦力提 研究表明，微液滴在PDMS表面运动时的摩擦力
供了帮助. 基于此，微液滴在软基体表面的摩擦力 与微液滴体积、微液滴黏度、运动速度和软基体力学
[26]
F f 可以用公式(2)进行表示 . 性能相关. 通过调整其中的参数，可以有效控制微液