高深寬比微納層次結(jié)構(gòu)的仿壁虎毛優(yōu)化設(shè)計與制作工藝研究.pdf

1、以微機電系統(tǒng)(MEMS,MicroElectroMechanicalSystem)器件可拆卸安裝和固定為例的多種潛在應(yīng)用(如爬壁機器人、微操作、微裝配等),迫切需求一種可牢固粘附又能反復使用的粘合方式。目前廣泛使用的濕性粘合劑多存在易污染、易脫落、不可重復使用等缺點,因此研制一種克服上述缺點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,無論是水平的天花板還是豎直的墻壁,無論是粗糙的樹皮還是光滑的玻

2、璃,壁虎都能快速爬行或紋絲不動,即便是潮濕的環(huán)境也能行動自如,這種粘附特性為干性粘合劑的仿生設(shè)計與制作提供了極好的范例和啟示。壁虎腳毛的分級層次結(jié)構(gòu),特別是其微米級剛毛/納米級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,本學位論文開展高深寬比微納層次結(jié)構(gòu)的仿壁虎毛優(yōu)化設(shè)計與制作工藝的研究,從壁虎毛粘附機理出發(fā),提出一種基于多約束條件的自底向上的優(yōu)化設(shè)計方法,以及一種基于感應(yīng)耦合等離子體(IC

3、P,InductivelyCoupledPlasma)刻蝕與厚膠光刻工藝的簡單低成本的雙層陣列制作方法。
　　本文首先對壁虎毛粘附機理進行了研究。通過JKR模型和最小勢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;通過分別建立粗糙表面模型和多級陣列模型,模擬了壁虎毛在粗糙表面的粘附與脫附過程,研究了結(jié)構(gòu)粘附力與接觸面粗糙度、陣列層級的關(guān)系,解釋壁虎

4、為何能適應(yīng)不同形貌的粗糙表面;通過Cassie模型分析了壁虎絨毛的疏水性,通過JKR模型分析了灰塵與絨毛陣列的吸附力,解釋壁虎如何同時在潮濕和干燥的環(huán)境下保持自清潔特性。
　　其次對仿壁虎毛結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計。對仿壁虎毛結(jié)構(gòu)的層數(shù)進行了分析與選擇,從增強粘附、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

5、級結(jié)構(gòu)的最大粘附能約束,多數(shù)能與實際壁虎結(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)計方法,對仿壁虎毛結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計與分析。
　　接下來對仿壁虎毛結(jié)構(gòu)制作工藝進行了探索。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,制作出了最大長徑比為5的單層聚二甲基硅氧烷(PDMS,Polydimethylsiloxane)纖維陣列;在前兩

6、個工藝基礎(chǔ)上,提出一種結(jié)合ICP刻蝕與厚膠光刻的Si/SU-8復合模具模塑成型工藝,制作出了頂層長徑比為5、底層長徑比為2的雙層PDMS纖維陣列。
　　最后對仿壁虎毛結(jié)構(gòu)進行了性能測試。對無結(jié)構(gòu)、單層結(jié)構(gòu)、雙層結(jié)構(gòu)的多種樣品進行了實驗檢測,包括疏水性能、法向粘附性能和切向粘附性能,并結(jié)合前文理論解釋實驗現(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)樣品中測得最大法向粘附強度為1.52N/c