Page 148 - 摩擦学学报2025年第8期

1246 摩擦学学报（中英文） 第 45 卷

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阵列. Jeong等 通过聚合物材料的成型和拉伸，利用 径比的PDMS黏附阵列，系统研究了黏附微结构大
毛细管力诱导纳米拉丝，在PUA软模板上制造了高纵 小、长径比及预负载对黏附性能的影响. 通过比较制
横比的纳米纤维，其纵横比可达20以上，其结构如图4(e) 得的多种表面结构，如图5(a)所示，发现蘑菇型和抹刀
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所示. Geim等 使用电子束光刻(Electron-beam litho- 状结构效果较好. Sameoto等 利用光刻工艺制备了
graphy)及氧等离子体蚀刻法制备了1种基于聚酰亚胺 蘑菇状尖端的微米级PDMS黏附材料，其结构如图5(b)
的可自清洁和重复使用的微米级黏附阵列，其结构如 所示. 对样品进行黏附力测试表明，在脱附速度为5 μm/s
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图4(f)所示，其黏附强度可达到3 N/cm . 的条件下，其宏观黏附力能够达到9 N/cm . Gorb等 [66]
受限于早期对生物黏附机理的认识和精密加工 受到叶甲科甲虫的启发，开发了1种仿生蘑菇形纤维
技术的发展，早期仿生可逆黏附材料的结构相对单一， 黏附材料(高度约为100 μm，底部直径为60 μm)，其结
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并且法向、切向黏附性能及可逆黏附性能亟待提升 . 构如图5(c)所示. 验证了蘑菇形黏附阵列对于沾污表

2.2 复杂多尺度结构可逆黏附材料 面有较高的耐受性. Carbone等 在此基础上模仿叶甲
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随着精密微纳加工技术的引入，研究人员能够实 科甲虫的足部结构，制造了蘑菇形纤维黏附材料，并
现复杂精细结构的加工成型，如不同三维末端形状、 从理论上证明了蘑菇状和普通柱状脱附机制的不同.
多级结构和倾斜阵列等复杂多尺度结构. 相比简单几 脱附时，柱状结构的裂纹是从外周向内部区域扩展，
何结构黏附阵列，复杂多尺度结构的设计及制备实现 蘑菇状结构裂纹的形成及生长更多见于在接触区域
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了黏附性能的显著提升，包括法向和切向单向黏附性能 内部. Kwak等 进一步发展了蘑菇状结构可逆黏附材
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及各向异性黏附性能等，同时结构适应性也得到增强 . 料，实现了高纵横比阵列的制备，并提出将其用做生
自然界中能够实现自由黏附的动物有很多，如壁 物医用贴以替代传统皮肤贴. 对于直径5 μm，纵横比
虎、甲虫和蜘蛛等. 为了适应不同的环境，这些物种的 为3的蘑菇状微结构可逆黏附材料，最大黏附力约为
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足部也具有不同的微观结构，包括抹刀状、环形、球 1.3 N/cm ，这与医用丙烯酸胶粘剂类贴片基本相当.
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形、圆锥形、带状、吸盘状和扁平状等 . 制造具有不 蘑菇头结构由于其优异的法向黏附性能，一直延续着
同尖端形状的微结构黏附阵列是在简单几何结构基 浓厚的研究兴趣 [68–69] . 在最近的研究中Lee等采用热固
础上实现更精细的仿生设计的重要组成部分. 同时， 性非晶态环氧树脂基SMP制造了1种蘑菇头形状的可
黏附阵列的尖端形状对于黏附性能也有明显影响 [63–64] . 切换干胶，针对不同表面都表现出来优异的适应性，
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Del Campo等 基于物理模塑法制备了多种尺寸和长 可逆黏附性能及耐久性. Kim等使用深度反应离子蚀

20 (a) r=10 μm (b) (c)
Flat Spatular tip
18 Mushroom Punch
16 Double molding Concave tip
14 Sphere
12
10 8 10 μm NR 20 μm
Pull-off force, P c /mN 0.8 6 4 (d) (e)

0.6
0.4
0.2
80 μm 200 μm
0.0
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
Preload, P n /mN

Fig. 5 SEM micrograph of different surface adhesive array structures: (a) comparison of detachment forces for different tip
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shapes ; (b) mushroom-shaped tip (9 N/cm ) ; (c) mushroom-shaped tip (6 N/cm ) ;
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(d) spatula-shaped tip (18 N/cm ); (e) tilted spatula-shaped tip (10 N/cm )
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图 5 不同表面粘合剂阵列结构的SEM照片：(a)不同尖端形状的分离力比较 ；(b)蘑菇形尖端(9 N/cm ) ；
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(c)蘑菇形尖端(6 N/cm ) ；(d)刮铲形尖端(18 N/cm )；(e)倾斜刮铲形尖端(10 N/cm )