关键词：
软材料
柔性仿生结构
切向粘滑行为
Schallamach波
接触界面损伤类型
摘要：
借助于集成在电子皮肤中的柔性触觉传感器来模拟人类皮肤的多级感知机制,智能机器人已成功实现对物体的识别与感知。然而,由于柔性触觉传感器的复合结构的多样性,使其表面粘附摩擦行为难以预测,这阻碍了电子皮肤在拟人化触觉感知领域的产业化应用。为此,本研究制备了具有光滑表面的薄膜基底系统和具有粗糙表面的微凸起阵列结构,构建了从宏观粘附摩擦行为到细观接触特征再到分子间相互作用的多尺度方法,开展了柔性仿生结构表面粘附摩擦行为研究,揭示了薄膜基底系统和微凸起阵列结构对表面粘附摩擦行为的影响机理。本研究不仅为软材料表面粘附摩擦机理提供了多尺度见解,也为电子皮肤领域中的柔性仿生结构设计提供了普适性参考。
首先,提出了一种通过调节基底结构孔隙率与薄膜材料配比来调控基底刚度与表面粘附性能的方法。结合原位法向接触测试与I型内聚力接触模型,揭示了基底结构孔隙率与薄膜材料配比对具有光滑表面的薄膜基底系统法向粘附行为的影响机理。研究发现,随着基底结构孔隙率的降低,薄膜基底系统的最大法向力逐渐增大,而临界法向接触力基本保持不变;随着薄膜材料配比的增加,薄膜基底系统的临界法向力逐渐增大,而最大法向力则变化不明显。在法向粘附剥离过程中,接触面积的减小可分为两个阶段:Ⅰ阶段主要由结构的弹性恢复主导;Ⅱ阶段则受界面单元刚度退化影响,并伴随着内聚环的形成与应变能的积累。
其次,通过原位切向滑动测试,分析了基底结构孔隙率对具有光滑表面的薄膜基底系统切向粘滑行为的影响规律。构建了混合型内聚力接触模型,从接触界面损伤的角度揭示了Schallamach波的传播机制。研究发现,切向力的波动与接触界面Schallamach波的传播密切相关。当基底孔隙率为83%时,Schallamach波能够实现连续性传播;而当孔隙率降至75%时,由于多孔结构的非均匀性,Schallamach波的传播过程表现出不连续行为,并导致切向力波动表现出非周期性特征。通过对接触界面的混合型损伤分析发现,在Schallamach波传播过程中,裂纹尖端的混合型损伤角度由27°逐渐减小至0°,并在Schallamach波消失时表现出微小波动。
然后,建立了三种表面粘附性能的混合型内聚力接触模型及三种材料交联度的分子间相互作用模型,并采用多尺度分析方法进一步揭示了薄膜材料配比(PDMS材料交联度)对具有光滑表面的薄膜基底系统切向粘滑行为的影响机制。研究发现,当薄膜材料配比为10:1时,切向力波动最为剧烈,接触界面易形成Schallamach波,呈现出显著的粘滑特征;而当配比增大至40:1时,切向力波动明显减弱,Schallamach波几乎消失。随着材料配比的增加,裂纹尖端的扩展模式由混合型损伤逐渐转变为Ⅱ型损伤。法向分离应力与薄膜材料配比呈正相关关系,而切向分离应力与薄膜材料配比呈负相关关系。这说明接触界面的粘附行为与PDMS材料分子层的力学性能的协同作用决定着接触界面的切向粘滑行为。
最后,通过定制的微凸起阵列结构分析了粗糙化表面的在切向粘滑行为,揭示了微凸起结构对具有粗糙表面的软材料切向粘滑行为的调控机制,并获得了其在切向加载过程中的接触力与变形响应的关系。研究发现,微凸起结构的截面形状通过调节其抗弯刚度影响粘滑行为,而加载位移系数则通过改变弯曲程度影响表面微结构的接触状态。微凸起结构的粘滑行为是由伸长-回弹过程造成的,其中伸长过程包含牵引和剥离两个阶段,回弹过程包括滑移和粘附两个阶段。
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