调控界面应力分布增强干黏附材料的黏附力

摘 要： 干黏附材料利用分子间作用力产生黏附性能，凭借其可重复使用等特点，在机器人技术及精密制造中有着重要的应用。为使干黏附材料受拉时接触界面应力更加均匀，提高其黏附力，对微米级羰基铁粉颗粒/聚二甲基硅氧烷磁流变弹性体干黏附材料进行结构设计，通过改变羰基铁粉的质量分数和外加磁场，制备了弹性模量沿半径方向变化的多级复合样品和梯度模量样品，黏附强度分别达到8.0 N/cm2 和11.4 N/cm2，相较于羰基铁粉质量分数（ 60%）相同的均质样品，多级复合样品和梯度分布样品的黏附强度分别提升了35% 和77%。结合有限元仿真结果可知，弹性模量径向分布设计能有效降低边缘应力集中，由于梯度模量样品界面正应力分布更均匀，因此其黏附增强效果比多级复合样品更显著。

关键词： 磁流变弹性体；干黏附材料；弹性模量；有限元仿真；应力分布

中图分类号： TH145.4+1 文献标志码： A

干黏附材料利用范德华力实现黏附[1-3]，具有无损伤、无残留和可多次重复使用等优势[4]，因而在智能攀爬机器人、可穿戴设备[5，6]、微纳器件[7] 或易碎物体[8] 转印、医疗设备[9] 等方面展现出广阔的应用前景。

已有的研究结果表明，干黏附材料与基底的接触界面边缘存在应力集中，这使得干黏附材料表现出的实际黏附性能远低于其理论值[10]。在自然界中，壁虎使用蘑菇状或抹刀状的纤维结构实现了优异的黏附性能[11]。进一步的研究发现，蘑菇状或抹刀状的纤维结构有利于降低接触界面边缘应力集中，抑制裂纹扩展[12， 13]，在此启发下制备出不同末端形貌的聚二甲基硅氧烷（PDMS）纤维状黏附材料[14] 及更复杂形状的黏附柱。如Murphy 等[15] 设计的具有椭圆接触面的倾斜微米级黏附柱阵列，其切向黏附强度可以达到100 kPa；Pande 等[16]设计的毫米级黏附柱，其形状在高度方向上连续变化，实现了10 N/cm2 的黏附强度，黏附性能均得到了提升。另一方面，不改变黏附材料形状，通过多种不同刚度材料的组合设计也可以改变界面应力分布，从而提升黏附强度。如Minsky 等[17] 设计了半径方向上内硬外软的黏附材料；Balijepalli 等[18] 设计了高度方向上靠近接触面硬、远离接触面软的黏附材料，在软、硬材料弹性模量相差1 000 倍以上的条件下，分别实现了高于9 倍和10 倍的黏附力增强；Minsky 等[19] 还在内硬外软的黏附材料中实现了正向黏附力受切向载荷后骤减，从而实现了正应力可调控性；Tong 等[20] 通过仿真给出了4 种不同刚度材料在空间中的理想分布形式，减少黏附材料在指定位置出现应力集中。然而，带有微结构或形状连续变化的黏附材料制备复杂，而刚度变化的黏附材料其复合结构采用弹性模量差距极大的材料复合而成，在不同材料组成的界面处出现应力集中现象。瓢虫足部刚毛由底部至尖端弹性模量梯度降低，使其兼具较强黏附性能与粗糙界面适应性，Wang 等[21] 通过磁场控制制备出纵向模量梯度变化的仿瓢虫刚毛黏附材料。

本文通过在PDMS 基质中掺入微米级羰基铁粉颗粒（CIP）制备磁流变弹性体（MRE）干黏附材料，结合有限元分析，比较不同径向模量分布的黏附材料界面归一化正应力的分布均匀性，得到黏附材料的径向模量优化分布。根据设计结果，利用CIP 质量分数和非均匀磁场中的磁流变效应分别制备弹性模量分级变化样品和梯度变化样品，连同均质的样品，进行黏附性能测试，观察并比较其黏附力的变化，验证实验结果与数值模拟结果的一致性。此工作为通过界面应力分布调控对黏附材料进行优化设计提供参考。

1 有限元数值模拟

使用COMSOL6.0 软件进行力学仿真。根据黏附材料中心脱附的长径比范围[22]，并兼顾制备的便捷性，选取黏附材料样品半径（R）为10 mm，高（H）为6 mm。边界条件为一端固定，另一端与一块半径为15 mm、厚3 mm 的铁块接触，接触形式为“黏附”，铁块的另一端施加一个恒定的位移载荷以模拟黏附材料受拉的情况，并输出接触面的正应力分布。为了使仿真的平均正应力与实际的黏附强度相近，位移载荷确定为0.03 mm。