Page 114 - 摩擦学学报2025年第9期
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1368 摩擦学学报（中英文） 第 45 卷
结果发现当法向施加载荷大于300 μN时，力-接触直 以期厘清仿生软接触表面的力学响应与承载规律，对
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径的立方值曲线符合赫兹接触的预测；Lee等 利用 定向设计高性能仿生润滑涂层材料具有重要的理论
共聚焦显微镜对聚丙烯酰胺压痕凝胶进行三维成 指导意义.
像，并测量了压痕深度、压痕直径和水凝胶的弹性模
量等重要参数；佛罗里达州立大学科研人员 [16-17] 结合 1 试验部分
共聚焦显微镜和荧光成像技术研究了弹性体、水凝 1.1 试验材料制备及表征
胶和细胞表面的力学行为和接触几何形状，实现了摩 软接触作用界面由光滑的硬质球和镀弹性软垫
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擦力的原位测量；Kyle等 在表面力仪(SFA)上利用 层的透明玻璃圆盘组成，上试样为直径25.4 mm的氧
多光束干涉法研究了PDMS软涂层在摩擦过程中的 化锆陶瓷球，弹性模量为220 GPa，泊松比为0.3，购于
复杂变形行为. 高天燕等 [19-20] 利用光学成像法研究了 义乌市宏锐五金有限公司；下试样为固化在玻璃盘上
PDMS材料特性和滑动速度对黏着态下摩擦峰的影 的PDMS薄膜层，玻璃盘直径是150 mm，厚度15 mm,
响并且研究了界面润湿性和粗糙度对橡胶滑动摩 材质为K9光学玻璃，弹性模量为81 GPa，泊松比为
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擦行为的影响. 施文斌等 采用自主搭建的原位观测 0.21，购于武汉汇晶光电科技有限公司，玻璃圆盘表
摩擦试验台研究了微沟槽织构设计对PDMS表面黏- 面镀有1层Cr膜和SiO 膜以增强其光学成像性能和耐
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滑摩擦学行为的影响. 熊健等 通过在仿生取向微结 磨性. 陶瓷球和玻璃盘的粗糙度分别为37 nm和8 nm
构表界面原位复合低模量的水凝胶材料，获得环氧 (形 貌 仪 PGI800, Taylor Hobson公 司 ， 英 国 ). 制 备
树脂-水凝胶软硬复合表界面并对其各向异性摩擦 PDMS薄膜层的材料为Sylgard184 PDMS (购于美国
力进行研究. 尽管学界在软界面接触行为机制研究方 Dow Corning 公司)，其主要由预聚体和固化剂组成.
面取得了重要进展，但需要指出的是这些研究大多集 PDMS薄膜层的制备过程如图1所示：首先将预聚体和
中在微观尺度和小机械变形工况下，例如压头直径非 固化剂以10:1的质量比进行混合，随后将混合液加入
常小(≤3 mm)，且施加的载荷为微小量级(μN~mN)， 冰浴烧杯中充分搅拌5 min，并进行超声脱泡(15 min)；
而关于宏观大变形界面接触力学问题的研究则仅限 其次，将玻璃盘置于可调节水平台上，将高度为0.5 mm
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于橡胶材料 . 当前，针对软-硬相互作用体系的界面 的2块硅胶板分别粘贴在玻璃盘的外侧和内侧，围成
接触行为机制研究颇少，机械受压剪切工况下大变形 1个宽度为30 mm、高度为0.5 mm的圆环形凹槽；根据
如何影响交互界面的润滑行为特性仍不清楚，仿生 圆环形凹槽的表面积和PDMS薄膜层的厚度计算出所
润滑材料的力学与其承载性能和润滑机制之间的关 需混合液的体积(或质量)，随后将混合液缓慢倒入凹
系规律不明晰，制约了机械鲁棒性润滑涂层材料的 槽之中令其均匀分布，并静置1 h；最后，连同水平台
研制. 和玻璃盘放置于真空干燥箱内，重新调整至水平，并
基于此，本研究中通过对课题组已有的球-盘式 在70 ℃下加热12 h进行固化，冷却后取出即可在玻璃
点接触油膜厚度测量仪进行改造，自主搭建了1套针 圆盘表面上得到1圈宽度为30 mm，厚度为150 μm左
对软接触表面的光学测量系统，以开展软-硬作用界 右的PDMS薄膜.
面的原位接触力学行为试验研究. 考虑到获取生物组 接下来，对制备得到的PDMS薄膜层的物理参数
织的困难性、变异性和伦理问题等，研究人员普遍选 进行表征：薄膜厚度通过形貌仪PGI 800进行表征，如
用弹性体作为模型来开展相关的基础研究 [24-27] ，其中， 图2(a)所示，PDMS薄膜层厚度约150 μm；利用上述方
交联聚二甲基硅氧烷(以下简称PDMS)由于有着类似 法在载玻片(75 mm×25 mm×1 mm)上制备PDMS薄
于人体组织的机械特性、易于制造、生理惰性、低成 膜，其表面形貌和表面粗糙度通过原子力显微镜(AFM，
本以及良好的热稳定性和氧化稳定性被广泛用于模 VK-X250, Bruke, 美国)测得，图2(b)所示为PDMS薄膜
拟生物表面. 本研究中选用大尺寸的陶瓷球作为硬质 表面形貌的AFM照片，表面粗糙度约为16±3 nm；利
压头，表面镀有PDMS薄膜的玻璃圆盘作为柔顺的软 用生物纳米压痕仪(UNHT3 Bioindenter, Anton Paar, 瑞
对偶表面和光学观察窗口，利用高速相机全程记录机 士)测量PDMS薄膜的弹性模量，加载力为200 μN，测
械加载与卸载过程中作用界面的动态接触与变形过 量6次后取平均值，测得弹性模量E PDMS 约为3.921 MPa，
程，通过同时测量径向方向的接触直径和法向上(沿 如图2(c)所示；利用阿贝折射仪测得PDMS薄膜层在
着载荷方向)压痕深度(抵触最低点)随时间的变化值， 空气中的折射率为1.42，表面水滴接触角约为110°，使
