基于分子间势的柔性微纳仿生结构黏附力学研究

Bio-inspired soft adhesive microstructures from creatures such as gecko have been proved to own superlative adhesive performance and easy to adapt to rough surface. They can be used in bionic fields so widely that it is of great importance to study their special adhesion mechanism. Based on the problem that the classic adhesive model can not give the relationship of adhesion behavior quantitively when soft adhesive microstructure is small and have been deformed, we establish new adhesive contact model to study the adhesive behavior of soft adhesive microstructure and the effect of size and deformation on adhesive mechanism. In the framework of continuum theory, coupling the intermolecular interaction with the shape and size of microstructure and distinguishing the undeformed and deformed configurations of material, we can give formulas for the new adhesive contact model and adhesive force. Programming user subroutine to add the new adhesive force formula in commercial finite element software, we can set up the general numerical method to solve the new nonlinear adhesive contact model. Then we will use the new model to calculate the adhesive mechanism of approaching and retracting processes for several common adhesive microstructure, such as gecko-inspired spatula-shaped microstructure and beetle-inspired mushroom-shaped microstructure, study the effect factors for the adhesive properties of microstructures and provide theoretical guidance for the optimal design of soft adhesive microstructure.

仿制壁虎等生物脚趾制成的柔性微纳黏附结构不仅具有高黏附强度，且易于适应粗糙表面，在仿生领域具有广泛应用前景，深入认识结构特征与黏附行为的关系具有重要意义。针对传统黏附接触模型无法准确给出柔性微纳黏附结构在小尺寸、变形效应明显情况下的定量黏附关系，本项目拟建立新的黏附接触模型，研究柔性微纳黏附结构的黏附行为，探究尺寸和变形效应对结构稳定性和黏附力学性能的影响。新模型在连续介质框架下，考虑界面分子间相互作用，耦合微纳结构形状与尺寸，区分材料变形前与变形后构形，通过能量最小化原理得到系统黏附接触平衡方程和黏附力表达式，编写用户子程序将非线性黏附力嵌入商业有限元软件，给出黏附接触模型的一般求解方法。通过计算常见结构-仿壁虎脚趾的抹刀状黏附结构和仿甲虫脚趾的蘑菇状吸盘结构-接触分离过程中黏附行为，研究结构黏附性能的影响因素，获得结构优化设计参数，为柔性微纳仿生结构的设计和加工提供理论指导。

本项目以微纳尺度仿生黏附结构为研究对象，研究结构黏附特性及其与材料属性、结构尺寸间的关系。首先，在连续介质力学框架下建立耦合变形与界面范德华相互作用的黏附接触自洽模型，通过与现有的Derjaguin近似模型、JKR模型、DMT模型和MD模型比较，发现本文模型结果在微米尺度下与经典模型一致，在纳米尺度下能够给出更精细的结果，包括黏附力分布以及吸附-脱附过程。接着，将模型应用于几种典型仿生黏附结构黏附力学性能研究，包括微纳柱体结构、抹刀状柱体结构以及蘑菇状吸盘结构。对微纳尺度柱体黏附接触研究发现柱体结构拔出力对倾角很敏感，倾角较小的变化能够导致拔出力急剧减小，证明单级柱体黏附结构黏附性能不稳定。通过对柱体端部修饰抹刀状薄膜或环形薄膜得到抹刀状结构或蘑菇状吸盘结构能够提高结构黏附性能。将抹刀状黏附结构简化为二级杆件结构，通过理论推导得到黏附结构力学响应方程，改变结构参数发现二级杆件结构脱粘模式由弯曲变形主导向轴向变形主导转变。在弯曲变形主导的区域，黏附力随着剪切力几乎线性增加；在轴向变形主导的区域，黏附力不再受到弯曲变形的限制，且黏附规律与经典Kendall模型所预测的一致。对于蘑菇状吸盘结构，采用冯卡门板壳模型描述边缘薄膜变形以及Tvergaard-Hutchinson内聚区模型描述界面相互作用，通过有限元计算发现蘑菇状吸盘结构存在两种脱粘模式：整体脱粘和逐步扩展到环形板外边缘脱粘，其中逐步扩展模式有利于抑制结构边缘裂纹扩展，增强结构黏附性能。两种脱粘模式发生的条件受环形板厚度、尺寸、刚度以及界面摩擦性能控制。本项目通过理论和数值研究获得的结果能够为为柔性微纳仿生结构的设计和加工提供理论指导。