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《中国科学技术大学》 2019年
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生物及仿生复合结构的黏附力学行为研究

宫岭  
【摘要】:在自然界中,壁虎、甲虫、树蛙等生物的黏附足垫显示了优异的黏附-脱附性能,还显示了卓越的环境适应、可重复使用、自清洁等性能。目前,人造的仿生黏附材料还无法像生物黏附材料那样实现强的黏附和可逆的脱附,也缺乏多功能性,即环境适应性、稳定性、耐用性及耐污性。为了深入理解生物黏附垫的黏附增强机制及多功能性,本论文对三种代表性生物及其仿生复合结构的黏附和相关力学行为进行了研究。主要研究内容和结果概述如下:实验研究了仿蝾螈足垫复合微结构表面的湿黏附特性。首先评估了蝾螈的附着和攀爬能力,并对其足垫表面的微纳结构进行表征;接着设计和制备仿蝾螈足垫的复合微结构表面,测试其在湿条件下的静摩擦和黏附性能,评估柱体面积比、表面微结构形貌对静摩擦性能的影响以及预加载荷、拉开速率、液体量、黏附-脱附循环对黏附性能的影响。研究发现仿蝾螈足垫的复合微结构表面能快速增强静摩擦性能,当液体量减小至最佳水平(约0.1μL)时黏附性能增强。研究表明蝶螈足垫表面致密的纳米柱阵列可能具有保湿功能,以确保足垫优异的黏附和摩擦性能。理论和数值分析了仿甲虫刚柔复合柱体的黏弹性接触机理。首先使用解析法和有限元法研究球形微凸体与软聚合物材料之间的法向接触;接着,使用有限元法研究球形微凸体与刚柔复合柱体的黏弹性接触,评估复合柱体顶端柔性层厚度、基底纤维干刚度、球形微凸体半径和峰值载荷水平对接触性能的影响。另外,使用有限元法研究复合柱体在刚性平基底表面的拉应力分布,评估复合柱体顶端柔性层厚度和基底纤维干刚度的影响。研究结果显示,柔性层材料的黏弹效应对粗糙表面的快速适应有利,在具有球形微凸体的粗糙基底和刚性平基底表面,复合柱体顶端柔性层存在临界厚度。研究结果表明,仿生刚柔复合柱体顶端柔性层的厚度不应低于临界值,但也不是越大越好。壁虎黏附刚毛纳米复合结构的分子动力学模拟。首先通过置换法建立壁虎足垫黏附刚毛代表性β角质蛋白(Ge-cprp-9)中心β片区和完整单体的空间三维静态分子结构模型,然后对其分子动力学行为进行研究,评估预设温度和初始速率条件对中心β片区和完整单体分子动力学行为的影响,并对中心β片区及完整单体趋稳时的分子结构进行预测。研究结果显示,在不同的预设温度和初始速率条件下,壁虎β角质蛋白中心β片区和完整单体的分子结构趋于稳定。壁虎β角质蛋白中心β片区和完整单体趋稳时的分子结构仅包含3个β条带,这3个β条带在整个模拟时间步范围内表现更加稳定。完整单体的中心β片区与N端和C端随机线圈之间存在相互影响。以上研究结果有助于加深对生物黏附垫的黏附增强及环境适应性的理解,可能为新一代仿生黏附材料的设计与开发提供新颖的启发和重要指导。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TB391

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