CN110865025A - 机械式调控物体表/界面粘附强度的方法及试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机械式调控物体表/界面粘附强度的方法及试验装置，本方法在不依赖于物体表面微结构的前提下，将两个具有粘性作用的物体表面接触在一起形成接触副，激发接触副的两个物体做相对机械振动，使接触副的接触区域随时间发生改变，通过改变激振频率或幅值来调控物体表/界面粘附强度。本方法实施简单，可控性强，不依赖于表/界面微结构，具有普适性特点，调控粘附强度的效果明显，可实现接触界面粘附强度的大幅提高或衰减。
Description
技术领域
本发明涉及一种机械式调控物体表/界面粘附强度的方法及试验装置。
背景技术
粘附是自然界中最普遍的现象之一，在长期的生物进化中其性能得到了不断的优化。例如壁虎、甲虫、树蛙等生物足上的层次结构不仅显示了强大的粘附-脱附性能，同样具有较强的环境适应性，稳定性和耐久性。而在人类生活中，粘附也广泛的应用在各个领域，比如创可贴，胶带以及各种材料间的接触，甚至人体血液中小分子粘附在血管壁从而达到治愈伤口的作用。这些生物系统中的优良功能特性激发了很多仿生模拟生物表/界面设计粘附系统研究。高性能表/界面粘附的人工形成和调控是空间技术、微纳制造、柔性电子、机器人和生物集成设备等诸多应用领域中的一项关键技术。
尽管在改善粘附强度、粘附性切换、可逆性和耐久性方面取得了重大进展，但注意到多数仿生人工表/界面的复杂性高、通用性差和性价比低等因素，导致这些仿生人工表/界面并没有很好的造福人类。例如，报道表明，人工分层粘附系统的粘附强度高达200kPa，比自然界的高(壁虎足部的粘附强度为100kPa)，但它通常需要预制复杂的表/界面微结构和施加高预压力。此外，表/界面微结构容易受到环境和表/界面固有力的影响，从而影响其耐久性。而粘附-脱附的切换是通过改变界面的负载路径和失效模式，形成“智能/相变”界面或控制脱附速度来实现的，但目前多数技术只能实现“强”或“弱”两种粘附状态的切换，且切换速度具有内在的局限性。
综上，粘附作为提高人类生存能力和科技水平的关键技术，目前对其应用还要很大的挑战，主要困难在于如何基于现代工业技术稳定、耐久、普适、经济地实现和调控界面的粘附。因此，开发一种具有普适性的调控物体表/界面粘附效果的方法具有实际意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种机械式调控物体表/界面粘附强度的方法及试验装置，本发明实施简单，可控性强，不依赖于表/界面微结构，具有普适性特点，调控粘附强度的效果明显，可实现接触界面粘附强度的大幅提高或衰减。
本发明所采用的技术方案是：
一种机械式调控物体表/界面粘附强度的方法，在不依赖于物体表面微结构的前提下，将两个具有粘性作用的物体表面接触在一起形成接触副，激发接触副的两个物体做相对机械振动，使接触副的接触区域随时间发生改变，通过改变激振频率或幅值来调控物体表/界面粘附强度。
进一步地，机械振动施加在接触副的两个物体之一，或者同时施加在接触副的两个物体上。
进一步地，机械振动的振源包括扬声器、偏心振子、振动台、压电换能器，机械振动的施加方式包括机械结构施加、电磁力作用、声波介入，激振力的种类包括惯性力、弹力、电磁力、重力/引力。
进一步地，调控物体表/界面粘附强度时，包括表/界面粘附强度的人工增强或减弱。
进一步地，调控物体表/界面粘附强度时，包括表/界面粘附法向或切向强度的人工调控。
一种机械式调控物体表/界面粘附强度的试验装置，包括支撑的设在若干个激振器上的刚性托板、铺在刚性托板上的平台、位于平台上方且与平台垂直接触形成接触副的触头、竖向的升降台、竖向的且通过力传感器与升降台的运动末端连接的缓冲件、限位件和激光位移传感器，触头上部与缓冲件连接且由限位件限位只能升降运动，激光位移传感器能同时检测平台和触头的升降位移。
进一步地，缓冲件为橡皮筋或橡胶。
进一步地，力传感器为悬臂式力传感器。
进一步地，平台采用PDMS，触头采用玻璃，由光学平凸透镜制成。
本发明的有益效果是：
该方法实施简单，可控性强，不依赖于表/界面微结构，具有普适性特点，经试验检测，调控粘附强度的效果明显，可实现接触界面粘附强度的大幅提高或衰减。
附图说明
图1是机械式调控物体表/界面粘附强度的方法的示意图；
图中：物体1和物体2表面接触在一起形成接触副，通过振源3给物体2施加微振动，从而达到调控物体1和物体2之间粘附强度的作用。
图2是机械式调控物体表/界面粘附强度的试验装置的示意图；
图中：4-触头；5-平台；6-激振器；7-刚性托板；8-限位件；9-力传感器；10-缓冲件；11-激光位移传感器；12-激光束；13-升降台。
图3是采用图2的装置进行试验后对照不同激振力下的物体表/界面粘附强度(与脱附力成正比)的分析图。图中振幅或频率为0时的粘附强度是无激振力时的粘附效果，振幅和频率不为0时的粘附强度是有激振力时的粘附效果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
一种机械式调控物体表/界面粘附强度的方法，在不依赖于物体表面微结构的前提下，将两个具有粘性作用的物体表面接触在一起形成接触副(如图1中的物体1和物体2表面接触在一起形成接触副)，激发接触副的两个物体做相对机械振动，使接触副的接触区域随时间发生改变，通过改变激振频率或幅值来调控物体表/界面粘附强度。
粘附强度的定义，既包括真实强度—界面接触力与真实接触面积之比，也包括表观强度—界面接触力与某一特征面积(通常具有某一常数值，如可接触部分的总面积、一接触物在接触平面内的投影面积、一定工况下的最大允许接触面积等)之比，还包括可与上述两种定义进行等效折算的其他定义。
对于机械振动，不限制其施加对象，如图1所示，在本实施例中，机械振动只施加在物体2上，当然也可以只施加在物体1，或者同时施加在物体1和物体2上；不限制其振源3，可以采用扬声器、偏心振子、振动台、压电换能器等；不限制其施加方式，可以通过机械结构施加、电磁力作用、声波介入等；不限制其种类，如惯性力、弹力、电磁力、重力/引力等。
调控物体表/界面粘附强度时，既包括表/界面粘附强度的人工增强，也包括表/界面粘附强度的人工减弱，既包括表/界面粘附法向强度的人工调控(如图1所示)，也包括表/界面粘附切向强度的人工调控。
为了验证上述方法，提供如下的试验装置。
如图2所示，一种机械式调控物体表/界面粘附强度的试验装置，包括支撑的设在若干个激振器6上的刚性托板7、铺在刚性托板7上的平台5、位于平台5上方且与平台5垂直接触形成接触副的触头4、竖向的升降台13、竖向的且通过力传感器9与升降台13的运动末端连接的缓冲件10、限位件8和激光位移传感器11，触头4上部与缓冲件10连接且由限位件8限位只能升降运动，激光位移传感器11能同时检测平台5和触头4的升降位移；在本实施例中，缓冲件10采用橡皮筋或橡胶，力传感器9采用悬臂式力传感器，平台5采用PDMS(polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)，厚3mm，触头4采用玻璃，由光学平凸透镜制成，曲率半径为51.64mm。
试验时，先启动激振器6，设定频率和振幅分别为0～800Hz和0～110μm，然后启动升降台13，精确控制触头4向上移动，直至触头脱离平台5表面，加载速率设为0.3μm/s，然后启动激光位移传感器11检测平台5和触头4的升降位移，启动力传感器9测量粘附接触引起的拉力(其最大值即脱附力，正比于表观法向粘附强度)，最后对照有无激振力下的物体表/界面粘附强度，对照不同激振力下的物体表/界面粘附强度。
由图3可知，0振幅或0频率对应的脱附力是无机械振动下平台5和触头4表面的脱附力；中等振幅或频率下，粘附强度得到大幅放大；大振幅或高频率下，粘附强度的增强程度随着振幅的增加而变弱，随后出现粘附减弱，直至最后将粘附强度调控到0。试验结果表明：通过控制粘着接触物体间的相对机械振动，可以在一定范围内实现任意的表/界面粘附法向强度，且形成粘附的过程无需施加预压力。具体而言，该测试可获得的脱附力(正比于表观法向粘附强度)为无振动作用下脱附力的0～77倍。
该方法实施简单，可控性强，不依赖于表/界面微结构，具有普适性特点，经试验检测，调控粘附强度的效果明显，可实现接触界面粘附强度的大幅提高或衰减。
以上为本方法较佳的一种调控法向粘附强度的具体实施方式，但本方法技术保护的范围并不局限于此，接触面任何法向、切向方向的粘附强度的调控，都属于本方法保护的范围。
Claims (9)
1.一种机械式调控物体表/界面粘附强度的方法，其特征在于：在不依赖于物体表面微结构的前提下，将两个具有粘性作用的物体表面接触在一起形成接触副，激发接触副的两个物体做相对机械振动，使接触副的接触区域随时间发生改变，通过改变激振频率或幅值来调控物体表/界面粘附强度。
2.如权利要求1所述的机械式调控物体表/界面粘附强度的方法，其特征在于：机械振动施加在接触副的两个物体之一，或者同时施加在接触副的两个物体上。
3.如权利要求1所述的机械式调控物体表/界面粘附强度的方法，其特征在于：机械振动的来源包括扬声器、偏心振子、振动台、压电换能器，机械振动的施加方式包括机械结构施加、电磁力作用、声波介入，激振力的种类包括惯性力、弹力、电磁力、重力/引力。
4.如权利要求1所述的机械式调控物体表/界面粘附强度的方法，其特征在于：调控物体表/界面粘附强度时，包括表/界面粘附强度的人工增强或减弱。
5.如权利要求1所述的机械式调控物体表/界面粘附强度的方法，其特征在于：调控物体表/界面粘附强度时，包括表/界面粘附法向或切向强度的人工调控。
6.一种机械式调控物体表/界面粘附强度的试验装置，其特征在于：包括支撑的设在若干个激振器上的刚性托板、铺在刚性托板上的平台、位于平台上方且与平台垂直接触形成接触副的触头、竖向的升降台、竖向的且通过力传感器与升降台的运动末端连接的缓冲件、限位件和激光位移传感器，触头上部与缓冲件连接且由限位件限位只能升降运动，激光位移传感器能同时检测平台和触头的升降位移。
7.如权利要求6所述的机械式调控物体表/界面粘附强度的试验装置，其特征在于：缓冲件为橡皮筋或橡胶。
8.如权利要求6所述的机械式调控物体表/界面粘附强度的试验装置，其特征在于：力传感器为悬臂式力传感器。
9.如权利要求6所述的机械式调控物体表/界面粘附强度的试验装置，其特征在于：平台采用PDMS，触头采用玻璃，由光学平凸透镜制成。
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