低温真空环境下材料粘着的若干基础问题研究

Tribology in space environment is very important for reliable operation of spaceflight and deep-space exploration equipment. Aiming at robots that could work on space station or space shuttle, a controlled sticky robot is needed to carry out maintenance of the security of the station. The project intends to design experimental platform for cryogenic vacuum environment friction and adhesion test, design and manufacture various micro-nano pillared surface to realize controlled adhesion properties. Through observation and analysis of microscopic friction and adhesion, physical laws in adhesion and detachment will be summarized, and the relevant theoretical models will be established to further optimize the design of functional surfaces to achieve strong adhesion and easy detachment performance at low temperature vacuum environment.

空间环境下的摩擦学问题对载人航天及深空探测装备的可靠运行具有非常重要的作用。围绕在空间站或者航天飞机等舱外自行走，用于安全维护的机器人所需的可控黏/脱附的足部结构，本项目拟设计低温真空摩擦与粘着的实验平台，设计并制造具有各向异性的微纳柱状阵列结构的功能表面，进行各种材料改性，在所建立的实验平台上测试所得功能表面的摩擦与粘着性能，通过对摩擦与粘着的微观观测与分析，总结其中的物理规律，并建立相关的理论模型，进一步优化功能表面的设计，实现在低温真空环境下的强黏附、易脱附性能。期望通过本研究，推动通过材料和形貌设计来主动设计材料的摩擦学性能的基础理论的发展，并为空间探索装备的实际应用奠定坚实的技术基础。

随着载人航天技术的快速发展，宇航员在空间环境下活动的便捷性和安全性等问题得到了越来越多的关注。利用舱外爬壁机器人协助宇航员完成对航天器或者空间驻留平台的维护已经成为目前的研究热点。而将仿壁虎干黏附表面用于爬壁机器人的黏附足则是设计舱外爬壁机器人的新思路。然而，目前对于仿壁虎干黏附表面研究主要集中在大气环境下，缺少低温真空环境下的实验数据。..为了给仿壁虎爬壁机器人在空间中的应用提供参考，本研究设计并搭建了低温真空黏附/摩擦实验平台，并基于该实验平台对硅橡胶材料在低温真空下的宏观黏附性能进行了研究。同时，基于原子力显微镜研究了微观尺度下硅橡胶和聚氨酯材料在低温真空下的黏附性能。宏观和微观实验呈现较好的一致性，显示低温真空环境对黏附具有促进作用。本研究与别的单位合作成功制备了若干不同形状的仿壁虎干黏附表面，并对其黏附/摩擦性能进行了表征。为了提高仿壁虎干黏附表面的制备效率、降低成本，本研究首次提出基于超精密金刚石单点切削的仿壁虎干黏附表面制备方法，并在大气和真空下对制备的楔形阵列仿壁虎黏附表面的黏附/摩擦性能进行了表征。基于该仿壁虎黏附表面的可控黏脱附特性，制作了仿生夹持器，并在真空环境下成功实现了对带有图案硅片的夹持、转移和释放。为了更好地理解和应用微观接触和分离，对微观接触过程中黏附力的变化规律以及电荷转移规律也进行了系统的研究。实验发现，接触时间和接触次数通过影响毛细液桥的形成及积累、接触电荷的积累及耗散而影响黏附力。另外，搭建了转移电荷的测量装置，并采用几种不同的手段对电荷转移进行调控。..通过上述研究，增强了对低温真空环境下宏观/微观尺度上接触分离过程的认识，促进了仿壁虎可控黏脱附器件在空间环境下的设计及应用。