第十五届全国表面工程大会

传统胶黏剂的黏附强度受材料性能及使用环境等因素的影响，且传统胶黏剂不可重复使用。如何设计强黏附且可重复使用的黏附表面是微机械系统、微电子封装等先进领域关注的关键科学问题。壁虎通过强黏附与弱脱黏交替实现鲁棒性的爬行行为为该解决问题提供了创新灵感，并已成功制备仿壁虎黏附系统的多种微结构阵列表面。已有研究主要关注了微结构阵列材料及几何参数对表面黏附性能的影响。实验发现：相比于光滑平表面，相同表观面积微结构阵列表面的等效黏附强度反而较小，显然违背了通过微结构设计增强表面黏附的目的，有必要开展仿生微结构阵列表面黏附机理及其影响因素的基础理论研究。本文建立了仿生微柱阵列表面与刚性光滑平基底的黏附接触力学模型，发展了一种微柱阵列界面黏附力传递规律的计算方法，定量表征了等位移加载条件下表面微柱和背衬层的变形，结合黏附界面的位移协同条件和单微柱脱黏准则，得到了微柱阵列表面典型的力-位移曲线及每根微柱的受载情况。最终发现：影响微柱阵列表面等效黏附强度的主要原因是界面脱黏时较低的微柱利用率，外缘微柱首先发生脱黏，界面整体黏附力仅依赖边缘少量微柱的作用。定义了阵列表面的微柱利用率，系统研究并发现了微柱利用率的主要影响因素：微柱长细比、微柱间距、背衬层与微柱的模量比，给出了三个主要参数影响的微柱利用率相图；可分别调控三个参数获得不同的微柱阵列表面设计，相比于表观面积相同的光滑平表面，此类微柱阵列表面具有更高的黏附力。进一步研究了背衬层厚度对界面黏附性能的影响，发现随着背衬层厚度减小，微柱利用率增大，界面黏附力进而增强，并且随着背衬层厚度的减小，界面失效由边缘微柱首先发生脱黏转变为中心微柱首先脱黏，并根据微柱阵列和背衬层的非协调变形揭示了其内在力学机理。本工作揭示了微柱阵列表面的黏附机理，分析了影响微柱阵列表面等效黏附强度的主要因素，为强黏附阵列表面的优化设计提供了理论基础。
 

壁虎黏附,仿生微微柱阵列表面,等效黏附强度,等载荷分布,微柱利用率