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自然界中一类动物及昆虫不仅能在垂直的物体表面停留及爬行,而且能够倒挂在天花板上运动自如,这种特殊的本领已经成为仿生科技研究的方向之一,揭示其黏附机理,将为设计高强黏附材料及微型爬壁机器人提供重要的理论指导。2002年美国科学家Autumn等人发现壁虎等动物超强的黏附力来源于脚部多分级刚毛结构与物体表面间的范德华力,其黏附及脱黏机理成为理论研究的关键问题,仿生多纤维结构的制备也应运而生。本文利用聚苯乙烯材料仿生制备多纤维结构,单根纤维尺寸达到纳米量级,与壁虎脚部末端绒毛的尺寸相仿,样品的形貌具有较好的规律性,进一步对样品的微结构特征与表面摩擦特性分别进行了理论分析和实验研究。主要研究内容如下:
⑴用PS(聚苯乙烯)作为原料,利用模板覆盖法制备仿生多纤维结构,对该结构微结构特征及表面强烈的疏水性质进行了测试及分析,对纳米纤维柱粘连的临界条件进行了理论分析,给出了单根纤维产生屈曲变形的临界应力,为今后实验分析提供了理论指导。
⑵进行了多纤维结构的摩擦性能实验研究,研究发现多纤维纳米结构的表面摩擦系数为同样材料的平滑表面摩擦系数的3倍左右。用JKR接触理论分析了黏附对纳米结构表面摩擦性能的影响。
⑶实验考察了多纤维结构表面的摩擦性能随法向压力载荷的变化情况,初步探索结果显示在一定的载荷范围内,该表面的摩擦系数随法向载荷的增大而增大,并应用JKR理论和纳米摩擦学理论解释该现象。