CN108362640B - 一种仿生黏附材料的黏附力测试装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生黏附材料的黏附力测试装置及其测试方法，测试装置包括基板、预压力加载机构、黏附力测试机构和角度调节机构，预压力加载机构包括U形支架和样品台以及施力传感单元，角度调节结构包括L形支架以及竖向移动转接单元、上固定转接单元和下固定转接单元，黏附力测试机构包括依次连接的PVC承载片、牵拉线和电机，PVC承载片与待测黏附样品相连接。本发明中采用设置竖向移动转接单元以及横向移动单元的方式，使得待测黏附样品在承受拉力后可以进行不同剥离角度下的黏附性能测试；同样的，也可以使得待测黏附样品进行同剥离角度下，不同承受拉力的黏附性能测试。

Description

一种仿生黏附材料的黏附力测试装置及其测试方法

技术领域

本发明涉黏附力测试技术领域，特别是涉及一种仿生黏附材料的黏附力测试装置及其测试方法。

背景技术

大自然中，包括壁虎、蜘蛛、甲虫在内的很多生物都可以在垂直墙壁，甚至天花板上自如爬行。仿生学研究发现，这些生物可以实现这些黏附主要是因为其足端具有特殊的微观结构—微纳刚毛阵列和一些柱状结构，这些结构可以显著增大动物脚掌和目标表面的真实接触面积，为其提供足够的黏附力来克服重力作用。基于此，一大批仿生黏附材料应用而生，主要有聚合物基阵列黏附材料和碳纳米管阵列黏附材料，其中，碳纳米管的杨氏模量超过1TPa，最大强度达到63GPa，在极端的环境条件下仍然有良好的耐久性，而且碳纳米管具有较大的长径比(直径1-100nm，长度可达毫米)，能够模拟壁虎的多级刚毛和绒毛结构)，非常适合制备高强度的黏附材料。

这些材料主要通过范德华力作用和目标界面形成黏附，范德华力是一种分子间的作用力，具有作用距离短、无方向性等特点。针对这些具有微观复杂结构的黏附材料，目前暨待发明一套简便、可靠的黏附性能表征测试装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述技术现状，提供一种结构紧凑、功能全面的仿生黏附材料的黏附力测试装置及其测试方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种仿生黏附材料的黏附力测试装置，包括基板以及设置在所述基板上的预压力加载机构、黏附力测试机构和角度调节机构，所述预压力加载机构包括设置在所述基板上的U形支架和样品台以及设置在所述U形支架上的施力传感单元，所述施力传感单元包括依次连接的进给螺栓、转接块和压力传感器，所述进给螺栓设置在所述U形支架上，所述压力传感器设置在所述样品台的上方，所述样品台用于存放待测黏附样品，所述角度调节结构包括成对设置在所述基板上的L形支架以及设置在所述L形支架上的竖向移动转接单元、上固定转接单元和下固定转接单元，所述竖向移动转接单元包括依次连接的竖向导轨、竖向锁紧滑块、转接板和第一转轴以及设置在所述第一转轴上的第一滑轮，所述上固定转接单元和所述下固定转接单元均包括第二转轴以及设置在所述第二转轴上的第二滑轮，所述黏附力测试机构包括依次连接的PVC承载片、牵拉线和电机，所述PVC承载片与所述待测黏附样品相连接，所述牵拉线依次绕过所述第一滑轮、所述上固定转接单元上的所述第二滑轮和所述下固定转接单元上的所述第二滑轮，所述牵拉线上设置有拉力传感器，所述电机设置在所述基板上。

优选的，所述上固定转接单元上的所述第二滑轮和所述下固定转接单元上的所述第二滑轮之间的所述牵拉线呈竖直状态，且与所述基板相垂直，所述拉力传感器设置在所述上固定转接单元上的所述第二滑轮和所述下固定转接单元上的所述第二滑轮之间的所述牵拉线上。

优选的，所述第一滑轮设置在所述第一转轴的正中央，所述第二滑轮设置在所述第二转轴的正中央。

优选的，所述角度调节结构还包括横向移动单元，所述横向移动单元包括设置在所述基板上的横向导轨以及设置在所述横向导轨上的横向锁紧滑块，所述横向锁紧滑块与所述样品台相连接。

优选的，所述竖向导轨和所述横向导轨上均设置有刻度尺。

优选的，所述压力传感器与压力显示仪电连接，所述拉力传感器与拉力显示仪电连接。

优选的，所述U形支架通过螺钉固定在所述基板上，所述U形支架的竖直板面与所述基板相垂直；所述L形支架通过螺钉固定在所述基板上，所述L形支架的竖直板面与所述基板相垂直。

优选的，所述进给螺栓与所述U形支架螺纹连接，所述转接块包括相连接的上盖和空心底座，所述进给螺栓上设置有一圆台，所述圆台嵌套在所述空心底座的内部，所述压力传感器固定在所述空心底座的底部外侧。

优选的，所述待测黏附样品的非黏附面与所述PVC承载片相粘接，所述待测黏附样品的黏附面与所述样品台黏附连接。

本发明中还提供一种仿生黏附材料的黏附力测试方法，包括如下步骤：

将待测黏附样品的非黏附面用双面胶粘贴在PVC承载片，并用酒精擦拭样品台表面进行清洁，将所述待测黏附样品的黏附面放置在所述样品台的表面上；

移动横向锁紧滑块，使得所述待测黏附样品处于压力传感器的正下方，旋转进给螺栓，给所述待测黏附样品施加预载荷，所述压力传感器将压力值传递给压力显示仪表，并显示；保持所述预载荷一定时间，使得所述待测黏附样品和所述样品台的表面充分接触，反向旋转进给螺栓撤销预载荷；

将牵拉线的一端与所述PVC承载片相连接，所述牵拉线的另一端依次绕过第一滑轮、上固定转接单元上的第二滑轮和下固定转接单元上的第二滑轮后，与电机相连接，所述上固定转接单元上的所述第二滑轮和所述下固定转接单元上的所述第二滑轮之间的所述牵拉线呈竖直状态，且与基板相垂直，拉力传感器设置在所述上固定转接单元上的所述第二滑轮和所述下固定转接单元上的所述第二滑轮之间的所述牵拉线上，通过调节电机的转速，调节所述待测黏附样品承受的拉力值大小，所述拉力传感器将拉力值传递给压力显示仪表，并显示；

当所述待测黏附样品承受拉力值稳定后，通过调节横向锁紧滑块和/或竖向锁紧滑块的位置，使得所述牵拉线的牵拉方向与所述待测黏附样品的黏附界面之间成角度α变化，测量所述待测黏附样品处于不同剥离角度下的黏附性能；其中，当角度α为0°时，进行纯切向黏附力测试，当角度α为90°时，进行纯法向黏附力测试。

本发明相对于现有技术取得了以下有益效果：

1、本发明提供的仿生黏附材料的黏附力测试装置，其结构小巧、紧凑，可以方便的放置于其他装置或者实验环境内，实现多种条件下的黏附实验。而且本装置结构简单可靠，避免了庞杂机构对黏附力测试的干扰，测试精度高。此外本装置操作便捷、易转移或携带，非常有利于实际实验中材料黏附力测试方面的应用。

2、本发明提供的仿生黏附材料的黏附力测试装置中采用设置竖向移动转接单元以及横向移动单元的方式，使得待测黏附样品在承受拉力后可以进行不同剥离角度下的黏附性能测试；同样的，也可以使得待测黏附样品进行同剥离角度下，不同承受拉力的黏附性能测试。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明仿生黏附材料的黏附力测试装置的主视图；

图2为本发明仿生黏附材料的黏附力测试装置的侧视图；

图3为本发明仿生黏附材料的黏附力测试装置中预压力加载机构的结构示意图；

图4为本发明实施例中碳纳米管阵列黏附材料结构示意图；

图5为本发明实施例中待测黏附样品与PVC承载片的连接结构示意图；

其中，101、进给螺栓，102、U形支架，103、基板，104、竖向导轨，105、竖向锁紧滑块，106、转接板，107、第一转轴，108、第一滑轮，109、牵拉线，110、第二转轴，111、第二滑轮，112、拉力显示仪，113、拉力传感器，114、电机，201、转接块，202、压力传感器，203、L形支架，204、样品台，205、压力显示仪，206、横向锁紧滑块，207、横向导轨，301、上盖，302、空心底座，303、PVC承载片，304、待测黏附样品，401、碳纳米管，402、硅基底，。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明所要解决的技术问题是针对上述技术现状，提供一种结构紧凑、功能全面的仿生黏附材料的黏附力测试装置及其测试方法。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-3所示，本发明提供一种仿生黏附材料的黏附力测试装置，包括基板103以及设置在基板103上的预压力加载机构、黏附力测试机构和角度调节机构，预压力加载机构包括设置在基板103上的U形支架102和样品台204以及设置在U形支架102上的施力传感单元，施力传感单元包括依次连接的进给螺栓101、转接块201和压力传感器202，进给螺栓101设置在U形支架102上，压力传感器202设置在样品台204的上方，样品台204用于存放待测黏附样品304，角度调节结构包括成对设置在基板103上的L形支架203以及设置在L形支架203上的竖向移动转接单元、上固定转接单元和下固定转接单元，竖向移动转接单元包括依次连接的竖向导轨104、竖向锁紧滑块105、转接板106和第一转轴107以及设置在第一转轴107上的第一滑轮108，上固定转接单元和下固定转接单元均包括第二转轴110以及设置在第二转轴110上的第二滑轮111，黏附力测试机构包括依次连接的PVC承载片303、牵拉线109和电机114，PVC承载片303与待测黏附样品304相连接，牵拉线109依次绕过第一滑轮108、上固定转接单元上的第二滑轮111和下固定转接单元上的第二滑轮111，牵拉线109上设置有拉力传感器113，电机114设置在基板103上。

其中，预压力加载机构为待测黏附样品304提供压力，确保待测黏附样品304和样品台204的表面接触良好；黏附力测试机构为待测黏附样品304提供剥离拉力，确保待测黏附样品304受到稳定准确的剥离拉力；角度调节机构改变剥离拉力作用于待测黏附样品304的角度，对待测黏附样品304处于不同剥离角度的剥离拉力下产生的黏附性能进行测试；测试过程如下：将待测黏附样品304与PVC承载片303粘接在一起，随后将且放置在样品台204的表面，并保持处于压力传感器202的下方，优选的为正下方；进给螺栓101向下旋进，对PVC承载片303以及待测黏附样品304施加预载荷，压力传感器202对预载荷值进行监测，使之符合预设施加预载荷标准，继而确保待测黏附样品304充分黏附在样品台204表面，随后进给螺栓101向上旋进，撤销预载荷；启动电机114，并通过牵拉线109牵引PVC承载片303，通过拉力传感器113测量拉力值，进而施加给待测黏附样品304准确稳定的剥离拉力；由于牵拉线109绕过第一滑轮108和第二滑轮111，所以可以通过调节竖向锁紧滑块105在竖向导轨104上的位置，使得第一滑轮108带着牵拉线109进行移动，进而使得牵拉线109的牵拉方向与黏附界面(待测黏附样品304与样品台204表面之间形成黏附界面)之间的角度得以调整，进而不仅能测量固定角度的黏附性能，还能测量待测黏附样品304处于不同剥离角度下的黏附性能，丰富了装置的功能。

为了使得拉力传感器113能够准确测量牵拉线109的拉力值，本发明中上固定转接单元上的第二滑轮111和下固定转接单元上的第二滑轮111之间的牵拉线109呈竖直状态，且与基板103相垂直，拉力传感器113设置在上固定转接单元上的第二滑轮111和下固定转接单元上的第二滑轮111之间的牵拉线109上。

为了便于牵引线对待测黏附样品304施加剥离力，并且避免剥离力方向发生偏移的问题，本发明中第一滑轮108设置在第一转轴107的正中央，第二滑轮111设置在第二转轴110的正中央。

为了便于将待测黏附样品304放置在样品台204上，同时便于调节待测黏附样品304相对于压力传感器202的位置以及便于调整牵拉线109的牵拉方向与黏附界面之间的角度，本发明中角度调节结构还包括横向移动单元，横向移动单元包括设置在基板103上的横向导轨207以及设置在横向导轨207上的横向锁紧滑块206，横向锁紧滑块206与样品台204相连接。

为了提高竖向夹紧滑块和横向夹紧滑块的移动精度，本发明中竖向导轨104和横向导轨207上均设置有刻度尺。

为了便于读取压力值和拉力值，本发明中压力传感器202与压力显示仪205电连接，拉力传感器113与拉力显示仪112电连接。

本发明中U形支架102通过螺钉固定在基板103上，U形支架102的竖直板面与基板103相垂直；L形支架203通过螺钉固定在基板103上，L形支架203的竖直板面与基板103相垂直。

本发明中进给螺栓101与U形支架102螺纹连接，转接块201包括相连接的上盖301和空心底座302，进给螺栓101上设置有一圆台，圆台嵌套在空心底座302的内部，压力传感器202固定在空心底座302的底部外侧。

本发明中待测黏附样品304的非黏附面与PVC承载片303相粘接，待测黏附样品304的黏附面与样品台204黏附连接。

本发明还提供一种应用上述测试装置的仿生黏附材料的黏附力测试方法，包括如下步骤：

将待测黏附样品304的非黏附面用双面胶粘贴在PVC承载片303，并用酒精擦拭样品台204表面进行清洁，将待测黏附样品304的黏附面放置在样品台204的表面上；

移动横向锁紧滑块206，使得待测黏附样品304处于压力传感器202的正下方，旋转进给螺栓101，给待测黏附样品304施加预载荷，压力传感器202将压力值传递给压力显示仪205表，并显示；保持预载荷一定时间，使得待测黏附样品304和样品台204的表面充分接触，反向旋转进给螺栓101撤销预载荷；

将牵拉线109的一端与PVC承载片303相连接，牵拉线109的另一端依次绕过第一滑轮108、上固定转接单元上的第二滑轮111和下固定转接单元上的第二滑轮111后，与电机114相连接，上固定转接单元上的第二滑轮111和下固定转接单元上的第二滑轮111之间的牵拉线109呈竖直状态，且与基板103相垂直，拉力传感器113设置在上固定转接单元上的第二滑轮111和下固定转接单元上的第二滑轮111之间的牵拉线109上，通过调节电机114的转速，调节待测黏附样品304承受的拉力值大小，拉力传感器113将拉力值传递给压力显示仪205表，并显示；

当待测黏附样品304承受拉力值稳定后，通过调节横向锁紧滑块206和/或竖向锁紧滑块105的位置，使得牵拉线109的牵拉方向与待测黏附样品304的黏附界面之间成角度α变化，测量待测黏附样品304处于不同剥离角度下的黏附性能；其中，当角度α为0°时，进行纯切向黏附力测试，当角度α为90°时，进行纯法向黏附力测试。

其中，待测黏附样品304为碳纳米管阵列黏附材料，其通过化学气相沉积法获得，首先在约0.5mm厚的多晶硅片上用电子束沉积大约10～20nm的氧化铝缓冲层，在氧化铝层上边沉积1～5nm的铁作为催化剂。将镀催化剂后的硅片放入氢气、氩气、乙烯氛围，加热到750℃时，乙烯开始裂解，产生的碳原子自组装形成碳纳米管阵列。制备好的硅基底402-碳纳米管401阵列材料，如图4所示。

PVC承载片303、牵拉线109以及待测黏附样品304的连接关系为：剪裁面积略大于待测黏附材料的PVC承载片303，并在PVC承载片303上剪出小孔，然后将牵拉线109穿过PVC承载片303的孔打结固定；用双面胶把硅基底402-碳纳米管401阵列材料的一侧表面粘贴在PVC承载片303303上，结构如图5所示。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种仿生黏附材料的黏附力测试装置，其特征在于，包括基板以及设置在所述基板上的预压力加载机构、黏附力测试机构和角度调节机构，所述预压力加载机构包括设置在所述基板上的U形支架和样品台以及设置在所述U形支架上的施力传感单元，所述施力传感单元包括依次连接的进给螺栓、转接块和压力传感器，所述进给螺栓设置在所述U形支架上，所述压力传感器设置在所述样品台的上方，所述样品台用于存放待测黏附样品，所述角度调节机构包括成对设置在所述基板上的L形支架以及设置在所述L形支架上的竖向移动转接单元、上固定转接单元和下固定转接单元，所述竖向移动转接单元包括依次连接的竖向导轨、竖向锁紧滑块、转接板和第一转轴以及设置在所述第一转轴上的第一滑轮，所述上固定转接单元和所述下固定转接单元均包括第二转轴以及设置在所述第二转轴上的第二滑轮，所述黏附力测试机构包括依次连接的PVC承载片、牵拉线和电机，所述PVC承载片与所述待测黏附样品相连接，所述牵拉线依次绕过所述第一滑轮、所述上固定转接单元上的所述第二滑轮和所述下固定转接单元上的所述第二滑轮，所述牵拉线上设置有拉力传感器，所述电机设置在所述基板上；

所述上固定转接单元上的所述第二滑轮和所述下固定转接单元上的所述第二滑轮之间的所述牵拉线呈竖直状态，且与所述基板相垂直，所述拉力传感器设置在所述上固定转接单元上的所述第二滑轮和所述下固定转接单元上的所述第二滑轮之间的所述牵拉线上；

所述角度调节机构还包括横向移动单元，所述横向移动单元包括设置在所述基板上的横向导轨以及设置在所述横向导轨上的横向锁紧滑块。

2.根据权利要求1所述的仿生黏附材料的黏附力测试装置，其特征在于，所述第一滑轮设置在所述第一转轴的正中央，所述第二滑轮设置在所述第二转轴的正中央。

3.根据权利要求1所述的仿生黏附材料的黏附力测试装置，其特征在于，所述横向锁紧滑块与所述样品台相连接。

4.根据权利要求3所述的仿生黏附材料的黏附力测试装置，其特征在于，所述竖向导轨和所述横向导轨上均设置有刻度尺。

5.根据权利要求1所述的仿生黏附材料的黏附力测试装置，其特征在于，所述压力传感器与压力显示仪电连接，所述拉力传感器与拉力显示仪电连接。

6.根据权利要求1所述的仿生黏附材料的黏附力测试装置，其特征在于，所述U形支架通过螺钉固定在所述基板上，所述U形支架的竖直板面与所述基板相垂直；所述L形支架通过螺钉固定在所述基板上，所述L形支架的竖直板面与所述基板相垂直。

7.根据权利要求1所述的仿生黏附材料的黏附力测试装置，其特征在于，所述进给螺栓与所述U形支架螺纹连接，所述转接块包括相连接的上盖和空心底座，所述进给螺栓上设置有一圆台，所述圆台嵌套在所述空心底座的内部，所述压力传感器固定在所述空心底座的底部外侧。

8.根据权利要求1所述的仿生黏附材料的黏附力测试装置，其特征在于，所述待测黏附样品的非黏附面与所述PVC承载片相粘接，所述待测黏附样品的黏附面与所述样品台黏附连接。

9.基于权利要求1-8任一项所述装置的一种仿生黏附材料的黏附力测试方法，其特征在于，包括如下步骤：将待测黏附样品的非黏附面用双面胶粘贴在PVC承载片，并用酒精擦拭样品台表面进行清洁，将所述待测黏附样品的黏附面放置在所述样品台的表面上；

移动横向锁紧滑块，使得所述待测黏附样品处于压力传感器的正下方，旋转进给螺栓，给所述待测黏附样品施加预载荷，所述压力传感器将压力值传递给压力显示仪表，并显示；保持所述预载荷一定时间，使得所述待测黏附样品和所述样品台的表面充分接触，反向旋转进给螺栓撤销预载荷；

将牵拉线的一端与所述PVC承载片相连接，所述牵拉线的另一端依次绕过第一滑轮、上固定转接单元上的第二滑轮和下固定转接单元上的第二滑轮后，与电机相连接，所述上固定转接单元上的所述第二滑轮和所述下固定转接单元上的所述第二滑轮之间的所述牵拉线呈竖直状态，且与基板相垂直，拉力传感器设置在所述上固定转接单元上的所述第二滑轮和所述下固定转接单元上的所述第二滑轮之间的所述牵拉线上，通过调节电机的转速，调节所述待测黏附样品承受的拉力值大小，所述拉力传感器将拉力值传递给压力显示仪表，并显示；

当所述待测黏附样品承受拉力值稳定后，通过调节横向锁紧滑块和/或竖向锁紧滑块的位置，使得所述牵拉线的牵拉方向与所述待测黏附样品的黏附界面之间成角度α变化，测量所述待测黏附样品处于不同剥离角度下的黏附性能；其中，当角度α为0°时，进行纯切向黏附力测试，当角度α为90°时，进行纯法向黏附力测试。

Images