Page 149 - 摩擦学学报2025年第8期
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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                                      1247

                                                                          [84]
            刻和切口效应制备了具有抹刀状尖端的黏附阵列，                             力 [81-83] . Lee等 使用堆叠多孔膜作为具有纳米级孔的
            黏附阵列结构高度为20 μm，顶部直径为9 μm. 法向黏                      模板，制备了具有高纵横比的两级聚合物纤维结构. 在
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            附力达到了18 N/cm ，其结构如图5(d)所示. Seok等            [70]   相同测量条件下，具有两级结构的微米级黏附阵列具
            使用干涉光刻和深度反应离子蚀刻过程中的刻痕效应                            有与单层结构纳米级黏附阵列相当的黏附力.
                                                                         [85]
            制造模板，并应用物理模塑法得到纳米级带有抹刀尖端                               Rong等 通过化学气相沉积法在SU8柱子的方
            的聚氨酯纳米纤维阵列，其纤维直径为410 nm，高度                         形阵列上制造了垂直取向的多壁碳纳米管，平均直径
                                     2                    2
            为2 μm. 在预负载为6.7 N/cm 时表现出高达14.1 N/cm               为20 nm，高度为20 μm，并由此制造了具有一系列纵
                                    [19]
            的宏观黏附压力. Murphy等 通过模塑和浸渍技术制                        横比的多级结构的柱阵列. 发现这些变形的分层碳纳
            造了直径为35 μm，高度为100 μm的聚氨酯倾斜抹刀                       米管/SU8柱阵列在光滑和粗糙表面上的剪切黏附力
            尖端黏附阵列，其结构如图5(e)所示. 这一结构使其具                        明显高于非结构化碳纳米管阵列. 对于分层结构的碳
            有显著的黏附各向异性(剪切力各向异性比为5.6:1.0，                       纳米管阵列，在粗糙表面上的剪切应力比单独的碳纳

            壁虎刚毛中表现的类似剪切力各向异性比为4.5:1.0)                        米管阵列高9倍. 原位SEM观察显示，在剪切过程中，
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            和强剪切黏附力(在夹紧方向上达到14.1 N/cm )，达到                     碳纳米管阵列发生弯曲，从而实现更大的接触面积，
            了壁虎足部结构切向黏附力的最低水平                 [2, 71–72] .     剪切黏附力也随之增大.
                壁虎脚趾表面的分层结构是其具有适应性的重                               倾斜的高纵横比结构可以显着降低纤维表面的
            要因素，将壁虎脚趾建模为分层弹簧模型，可以从理                            有效模量    [42, 86] ，并防止预负载下的结构屈曲. 更重要的
            论上深入探究壁虎脚趾强黏附的原因. 分层弹簧模型                           是其黏附性能具有各向异性，黏附力强且易于分离，
            理论表明，多级分层结构产生了黏附增强                  [8, 73-76] ，并且  即在预负载作用下在1个方向上牢固附着，而在相反
                                                                                   [20]
            随着施加载荷的增加和多级结构刚度的降低而增加.                            方向上可实现轻松脱附 . 此外，根据接触分裂理论，
                                                                                                  [36]
            多级结构可以更好地模仿壁虎脚趾，增强黏附结构对各                           黏附结构直径的减小可显着增强附着力 . 因此，发
            种粗糙表面的适应性          [76–77] ，这对于实现高剪切力和脱            展具有倾斜的高纵横比结构的黏附结构是可逆黏附
                                                                                 [87]
                        [78]
            附力十分重要 ，是实现黏附性能提升的重要研究方向.                          材料研究的重要部分 .
                                                                          [88]
                        [79]
                Greiner等 首次对多级结构在干黏附剂中的作用                          Aksak等 通过在曝光期间倾斜晶圆来改变紫外
            进行了研究. 采用两步光刻法，基于物理模塑法用软模                          线曝光角度，制得了与基材表面倾斜的微结构模板，
            版构建了聚二甲基硅氧烷(PDMS)黏附阵列，其制备过                         进而通过物理模塑法制造了具有倾斜结构的高密度
            程如图6(a)所示. 获得了具有不同尺寸的两级结构黏                         和高纵横比黏附阵列. 然而，其脱模过程会伴随柱结
            附阵列，并对比了简单结构的黏附性能，但试验发现                            构断裂的问题，这也是倾斜高纵横比结构的制备所面
            多级结构并没有提高黏附性能，原因可能与二级结构                            临的一大挑战. Jeong等 通过对多晶硅的成角度蚀刻
                                                                                   [21]
            阵列的密度较低以及黏附过程中有效接触并起到黏附                            来制造硅模板，并基于物理模塑法制造高纵横比倾斜
                                          [21]
            作用的结构数量较少有关. Jeong等 通过两步紫外线                        PUA纳米结构黏附阵列，其倾斜角为60°，其制备过程
            辅助成型技术制造了纳米级倾斜两级纤维结构，如                             及结构分别如图6(d)和(e)所示，结果显示这类结构具
            图6(b)所示. 由此制造的分层结构即使在粗糙表面(粗                        有显著的黏附各向异性，切向和法向黏附力分别达到
                                                                               2
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            糙度为20 μm)上也表现出相当高的黏附能力，具有结                         26 N/cm 和2.2 N/cm (剪切力各向异性比为11.8:1.0). Kim
                                                                 [20]
            构稳定性，因为多级结构的设计能够增加可接触面积.                           等 通过光刻和反应离子蚀刻(RIE)制造具有纳米孔
            相比之下，没有分层的纳米结构则随着表面粗糙度增                            的硅模板，并基于物理模塑法成型垂直结构的纳米黏
            加到5 μm而表现出黏附力降低，这证明了分层结构对                          附阵列，其结构如图6(f)所示. 之后利用电子束辐射使
            于粗糙的表面具有良好的适应性. Murphy等 为了更                        黏附纤维发生弯曲形变，从而制造高密度和高纵横比
                                                  [80]
            好地模仿壁虎脚毛的结构，构建了具有多级特性的分                            的倾斜纳米黏附阵列. 纳米黏附纤维的形状和弯曲程
            层纤维，通过分层制造工艺和浸渍转移制造了具有三                            度可以通过调节电子束辐射的时间和功率来控制. 由
            级结构的黏附材料，其结构如图6(c)所示. 相比单层结                        于其结构与天然壁虎脚毛相似，纳米纤维表面表现出
                                                                                                            2
            构，其法向黏附力得到显著提升(约1倍). 并且同样发                         优异的单向黏附性能以及高剪切黏附力(约11 N/cm )，
            现，与单层结构相比，由于结构顺应性增强和裂纹抑                            并表现出各向异性，在相反2个方向上分别表现出11和
                                                                       2
            制作用，所得的分层结构对粗糙表面具有更强的黏附                            2.2 N/cm 的黏附力. 与垂直结构相比，倾斜结构纳米
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