壁虎脚是由复杂的多尺度多层次纤维结构组成,具有突出的粘着力和摩擦力,被广泛应用于多种领域。然而,仿壁虎脚纤维阵列在不同表面上的摩擦行为、易污染和倒塌等问题是制约此类材料进一步应用的瓶颈。本文对仿壁虎脚纤维阵列结构进行设计,建立纤维粘着和失稳模型。用模板法制备聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsilxane,PDMS)纤维阵列材料,研究工艺参数对纤维阵列形貌和润湿性的影响。研究PDMS微/纳米纤维阵列材料的摩擦特性,并研究复合材料微米纤维阵列杨氏模量和润湿性能。通过数值模拟方法对不同长径比纤维受力后的变形分析可知,纤维受力后的最大位移随纤维长径比的增加逐渐加大,且最大位移增大速率加快。纤维的长径比越大,其受力后变形越大,柔顺性越好,与对磨面的接触面积越大,纤维与对磨面之间的摩擦力较高;对不同杨氏模量纤维受力后的变形研究可知,纤维的最大位移随纤维杨氏模量的增大而减小,且减小速率减慢。由悬臂梁理论推导出适合本试验的粘着理论模型,发现纤维阵列的粘着力随有效纤维数量的增多和纤维与对磨面之间的最大接触面积增大而增大。根据挠曲线微分方程建立最小脱粘力模型,发现纤维脱粘时的最大挠度随纤维受力的增大、长径比的增大和杨氏模量的减小而增大。建立纤维受压失稳模型,发现纤维失稳时的最大临界力随纤维杨氏模量增大和长径比减小而增大。根据数值模拟和建模结果,找到适合本试验的纤维阵列材料工艺和结构。对不同长度全氟癸烷基三氯硅烷(1H,1H,2H,2Hperfluorodecyltrichlorosilane,PFTS)和十八烷基三氯硅烷(octadecyltrichlorosilane,ODTS)分子自组装涂层修饰的硅纳米线阵列表面润湿性研究表明,当纤维直径为500 nm时,硅纳米线阵列的疏水性随硅纳米线长度的增加而增大,当纤维长度大于0.5μm时,硅纳米线阵列的润湿性保持不变,水/空气接触角保持在160o,使PDMS更易于剥离,得到完整的PDMS纤维阵列,提高工艺稳定性。根据液滴接触线移动微小距离时整个体系表面能的变化,结合两相不相容液体下的杨氏方程,得到适合本试验的Wenzel/CassieBaxter(Wenzel/CB)模型(在非润湿环境下,后退角接近0度)和CassieBaxter/Cassie-Baxter(CB/CB)(接触角接近前进角)。根据仿生阵列结构设计分析结果,采用模板法制备PDMS纤维阵列材料,探讨氧等离子体刻蚀和化学刻蚀等制备工艺参数对纳米纤维结构的影响,结果表明,当氧等离子体刻蚀功率为30 W,流量为100 sccm时,硅纳米线直径随刻蚀时间增加而减小,当刻蚀时间超过8 min时,刻蚀速度加快;硅纳米线长度随化学刻蚀时间增加而增加,当刻蚀时间超过16 min时,刻蚀速度变慢。比较不同固化方式对样品尺寸和形貌的影响,发现以硅纳米线阵列为模板,采用室温(20 oC)固化12 h加高温(100 oC)固化1 h的固化方式模塑制备PDMS纤维阵列,得到形貌完好且与模板尺寸相同的PDMS纤维阵列材料。对粒子增加PDMS纤维阵列复合材料的形貌和表面粗糙度进行研究,结果表明,增强粒子都包裹在PDMS基体内,粒子对纤维阵列形貌几乎没有影响;粒子尺寸、含量和粒子在基体中分散程度的不同导致纤维顶端表面粗糙度的不同。对制备的PDMS纳米纤维阵列材料的摩擦行为研究,表明放置时间和低于极限的载荷不会对纤维形貌产生影响;纤维阵列结构有效提高其与对磨面之间的摩擦系数,摩擦系数提高了2倍,与粘着模型结果相符合;纤维阵列材料的摩擦系数随纤维长径比的增加呈先上升后下降趋势,当纤维直径为700nm,长度为1μm时摩擦系数最大,为59;对磨面表面能较高,纤维阵列与对磨面之间的摩擦系数较大。探讨PDMS纤维阵列材料的摩擦行为和杨氏模量之间的关系,研究表明,随着固化剂含量增多,微米纤维阵列材料的杨氏模量提高,摩擦力急剧下降;在PDMS中加入第二相Si O2颗粒,使纤维阵列复合材料的杨氏模量提高了67%,摩擦特性仍较高,摩擦系数保持在18,为制备高刚度、高摩擦力的纤维阵列材料提供可能。对颗粒增强PDMS微米纤维阵列的润湿性研究可知,与非纤维阵列结构相比,纤维阵列疏水性的提高主要取决于纤维阵列结构,其接触角提高了27%,由于粒子被包裹在PDMS基体内部,增强颗粒对纤维阵列复合材料的表观润湿性影响较小。最终实现了高粘附性、高刚性和疏水性的纤维阵列材料,扩大了仿生材料的使用范围。