本文選題：壁虎粘附 + 仿生設(shè)計(jì)　； 參考：《華中科技大學(xué)》2013年博士論文

【摘要】：以微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS, Micro Electro Mechanical System)器件可拆卸安裝和固定為例的多種潛在應(yīng)用(如爬壁機(jī)器人、微操作、微裝配等),迫切需求一種可牢固粘附又能反復(fù)使用的粘合方式。目前廣泛使用的濕性粘合劑多存在易污染、易脫落、不可重復(fù)使用等缺點(diǎn),因此研制一種克服上述缺點(diǎn)的干性粘合劑將具有十分重要的意義和廣闊的應(yīng)用前景。自然界中壁虎具有非常優(yōu)秀的爬行能力,無(wú)論是水平的天花板還是豎直的墻壁,無(wú)論是粗糙的樹(shù)皮還是光滑的玻璃,壁虎都能快速爬行或紋絲不動(dòng),即便是潮濕的環(huán)境也能行動(dòng)自如,這種粘附特性為干性粘合劑的仿生設(shè)計(jì)與制作提供了極好的范例和啟示。壁虎腳毛的分級(jí)層次結(jié)構(gòu),特別是其微米級(jí)剛毛/納米級(jí)絨毛的高深寬比微納層次結(jié)構(gòu),是保證壁虎既能產(chǎn)生巨大粘附力又能適應(yīng)不同表面形貌的關(guān)鍵。為此,本學(xué)位論文開(kāi)展高深寬比微納層次結(jié)構(gòu)的仿壁虎毛優(yōu)化設(shè)計(jì)與制作工藝的研究,從壁虎毛粘附機(jī)理出發(fā),提出一種基于多約束條件的自底向上的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,以及一種基于感應(yīng)耦合等離子體(ICP, Inductively Coupled Plasma)刻蝕與厚膠光刻工藝的簡(jiǎn)單低成本的雙層陣列制作方法。 本文首先對(duì)壁虎毛粘附機(jī)理進(jìn)行了研究。通過(guò)JKR模型和最小勢(shì)能原理分析了單根絨毛在頂接觸狀態(tài)與邊接觸狀態(tài)下的受力情況,研究了單根絨毛的粘附力與脫附角,解釋壁虎如何產(chǎn)生巨大粘附力又能快速脫附；通過(guò)分別建立粗糙表面模型和多級(jí)陣列模型,模擬了壁虎毛在粗糙表面的粘附與脫附過(guò)程,研究了結(jié)構(gòu)粘附力與接觸面粗糙度、陣列層級(jí)的關(guān)系,解釋壁虎為何能適應(yīng)不同形貌的粗糙表面；通過(guò)Cassie模型分析了壁虎絨毛的疏水性,通過(guò)JKR模型分析了灰塵與絨毛陣列的吸附力,解釋壁虎如何同時(shí)在潮濕和干燥的環(huán)境下保持自清潔特性。 其次對(duì)仿壁虎毛結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)仿壁虎毛結(jié)構(gòu)的層數(shù)進(jìn)行了分析與選擇,從增強(qiáng)粘附、保持穩(wěn)定與適應(yīng)環(huán)境等角度出發(fā),提出單根纖維的最優(yōu)粘附約束、單根纖維的穩(wěn)定性約束、纖維之間的防糾結(jié)約束、纖維陣列的表面適應(yīng)性約束、纖維陣列的疏水性約束、纖維陣列的自清潔約束、多級(jí)結(jié)構(gòu)的最大粘附能約束,多數(shù)能與實(shí)際壁虎結(jié)構(gòu)參數(shù)相符合,并在此基礎(chǔ)上提出一種基于多約束條件的自底向上的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,對(duì)仿壁虎毛結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析。 接下來(lái)對(duì)仿壁虎毛結(jié)構(gòu)制作工藝進(jìn)行了探索。研究了基于SU-8膠的厚膠光刻工藝,制作出了最大長(zhǎng)徑比為6的單層SU-8纖維陣列；研究了基于Bosch技術(shù)的ICP刻蝕工藝,制作出了最大長(zhǎng)徑比為5的單層聚二甲基硅氧烷(PDMS, Polydimethylsiloxane)纖維陣列；在前兩個(gè)工藝基礎(chǔ)上,提出一種結(jié)合ICP刻蝕與厚膠光刻的Si/SU-8復(fù)合模具模塑成型工藝,制作出了頂層長(zhǎng)徑比為5、底層長(zhǎng)徑比為2的雙層PDMS纖維陣列。 最后對(duì)仿壁虎毛結(jié)構(gòu)進(jìn)行了性能測(cè)試。對(duì)無(wú)結(jié)構(gòu)、單層結(jié)構(gòu)、雙層結(jié)構(gòu)的多種樣品進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)檢測(cè),包括疏水性能、法向粘附性能和切向粘附性能,并結(jié)合前文理論解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。單層陣列的平均水接觸角為143.6°,雙層陣列的平均水接觸角為150.4°,有結(jié)構(gòu)樣品中測(cè)得最大法向粘附強(qiáng)度為1.52N/cm2(單層直徑5μm間距5μm長(zhǎng)度20μm),最大切向粘附強(qiáng)度為0.79N/cm2(單層直徑3μm間距3μm長(zhǎng)度15μm),通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)雙層陣列相較于單層陣列和平面結(jié)構(gòu)具有更好的疏水性和粗糙表面適應(yīng)性。
[Abstract]:The present invention provides a kind of dry adhesive which can be used widely . It has very important meaning and wide application prospect .

In this paper , the mechanism of the adhesion of wall - tiger wool is studied firstly . Through the JKR model and the principle of minimum potential energy , the stress condition of single pile in the top contact state and the edge contact state is analyzed , and the adhesion and desorption angle of the single pile are studied .
By establishing a rough surface model and a multi - stage array model , the adhesion and desorption processes of the wall - tiger hair on the rough surface are simulated , and the relationship between the structure adhesion force and the contact surface roughness and the array level is studied , and the reason why the wall tiger can adapt to the rough surface of different shapes is explained ;
Based on the Cassie model , the hydrophobicity of wall - tiger fluff was analyzed , and the adsorption force of dust and fluff array was analyzed by JKR model .

Secondly , the structure of imitation wall tiger is optimized . From the angle of enhancing adhesion , stability and adaptability , this paper puts forward the optimal adhesive constraint of single fiber , the stability of single fiber , the self - cleaning constraint of fiber array , the maximum adhesion energy constraint of fiber array , the self - cleaning constraint of fiber array , the maximum adhesion energy constraint of multi - stage structure , and the optimization design method based on multi - constraint condition .

In this paper , the fabrication technology of imitation wall tiger wool structure is explored . A single layer SU - 8 fiber array with the maximum aspect ratio of 6 is fabricated by the thick glue lithography process based on SU - 8 glue .
A single - layer polydimethylsiloxane ( PDMS ) fiber array with a maximum aspect ratio of 5 was fabricated by ICP etching technology based on Bosch technology .
On the basis of the first two processes , a Si / SU - 8 composite die - molding process combining ICP etching and thick - glue lithography was proposed , and a double - layer PDMS fiber array with a length - diameter ratio of 5 and an underlayer diameter ratio of 2 was produced .

The results show that the average water contact angle of the single - layer array is 143.6 擄 , the average water contact angle of the double - layer array is 143.6 擄 , the average water contact angle of the double - layer array is 143.6 擄 , the average water contact angle of the double - layer array is 150.4 擄 , the maximum tangential adhesive strength is 0.79N / cm2 ( single - layer diameter is 3 渭m , the length is 15 渭m ) , and the comparison shows that the double - layer array has better hydrophobicity and rough surface adaptability than the single - layer array and the planar structure .
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：TB17;TH-39

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