Page 147 - 摩擦学学报2025年第8期

第 8 期 李晓晖, 等: 仿壁虎可逆黏附材料的微结构及可逆黏附性能研究进展 1245

度、高纵横比和跨尺度复杂结构黏附阵列的设计制 性能的碳纳米管阵列，碳纳米管黏附阵列黏附性能优
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备. 以“仿形”为主导制备的仿生可逆黏附材料获得了 异，但脱附较为困难，且对成型工艺等有较高要求 .
法向/切向黏附性能及可逆/可控黏附性能的显著进步. 在各类制备方法中，物理模塑法具有优异的结构可设
经过二十年的发展，在不断深入认知可逆黏附理论机 计性及成型稳定性，具备规模化制备前景，逐步发展
制的同时，形成了以可逆黏附技术为核心，以可控夹 成为了制备仿生可逆黏附材料的主流方法. 典型的物
持-释放和无损粘接-脱附等具体应用形式在空间技 理模塑法制备过程包括采用光刻、化学刻蚀、模塑成
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术、工业、民用及医疗等领域展现了诱人前景. 本节中 型以及脱模等 ，其制备方法如图4(b)所示. 基于物理
对不同发展阶段的仿生可逆黏附材料的特点及性能 模塑法，聚合物如聚氨酯、丙烯酸酯和有机硅等被广

进行了系统论述. 泛应用于制备结构相对简单的微米/亚微米级黏附阵

2.1 简单几何结构可逆黏附材料 列. 其中，聚二甲基硅氧烷弹性体(PDMS)由于其柔顺
自21世纪初壁虎脚趾微结构及其可逆黏附机制 性、化学惰性及良好的成型加工性等，成为物理模塑
被揭示后 [8, 41] ，早期仿生可逆黏附材料受“接触-裂分” 法制备仿生可逆黏材料最为常用的基体材料 [56-58] .
[59]
等原理启发，以“仿形”为主要目的，结合微纳加工成 Glassmaker等 使用深紫外(DUV)光刻法和深度
型技术，探索开发了包括物理模塑法 [42-45] 、化学气相 反应离子蚀刻在硅晶片上得到孔状硬模板，之后应用物
[47]
[46]
沉积法 、电子束光刻和氧等离子体蚀刻法 、微纳 理模塑法成型了PDMS可逆黏附材料，其结构如图4(c)
[60]
米压印技术 [48] 、热压印法 [49–50] 和毛细管力诱导拉伸 所示. Greiner等 基于物理模塑法，用光刻法制备的
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法 等多种制备技术，制备一系列简单几何结构仿生 软模版成型具有不同高度和半径的微米级黏附微结
可逆黏附材料. 构，其结构如图4(d)所示. 并且发现随着柱半径的减小
[43]
化学气相沉积法可用于制备具有高黏附性能的 和纵横比的增加，黏附力显著增加. Lee等 使用电子
[15]
碳纳米管黏附阵列 [52–53] . Qu等 利用低压化学气相沉 束光刻在硅片上的PMMA 薄膜(PMMA/Si 母版)上制
积工艺(CVD)在硅晶圆上开发出1种垂直排列的碳纳 造了孔状阵列模板，之后将PDMS浇注到模板上，然
米管黏附阵列，其结构如图4(a)所示. 实际黏附强度达 后进行固化和剥离，从而得到了仿壁虎纳米柱黏附阵
2
到了30 N/cm ，是壁虎脚趾黏附强度的3倍，同时表现 列. 为了获得具有高纵横比的黏附阵列，Sitti等 提出
[48]
出了强切向和弱法向黏附的特点. Yu等 结合碳纳米 了微纳米压印技术，使用纳米探针压入平坦蜡表面来
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管阵列的生长机理研究，同样开发出了具有出色黏附 制造模板，通过模塑成型制备得到了高纵横比的黏附
Electron-beam

(a) (b) lithography (c)
PMMA on Si 400 nm PMMA/Si master
PDMS
400 nm
600 nm Lift-off
5 μm 5 μm

(d) (e) (f)

Nanodrawing

10 μm 1 μm 2 μm
Stretched nanohairs
[15]
Fig. 4 Typical geometrically inspired reversible adhesive materials: (a) carbon nanotube adhesive array ; (b) schematic of
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physical templating process ; (c) SEM micrograph of PDMS microstructure formed by hard templating ; (d) SEM micrograph of
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PDMS microstructure formed by soft templating ; (e) SEM micrograph of polyimide fibers prepared by capillary force-induced
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stretching method ; (f) SEM micrograph of polyimide fibers directly prepared by photolithography method [47]
[43]
[15]
图 4 典型的几何启发式可逆粘合材料：(a)碳纳米管粘合剂阵列 ；(b)物理模板过程示意图 ；(c)硬模板形成的PDMS微结构
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的SEM照片 ；(d)软模板形成的PDMS微结构的SEM显微照片 ；(e)毛细管力诱导拉伸法制备的聚酰亚胺
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纤维的SEM照片 ；(f)光刻法直接制备的聚酰亚胺纤维的SEM照片 [47]