CN111333882A - 同时增强黏附力和摩擦力的仿生复合结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种同时增强黏附力和摩擦力的仿生复合结构，其特征在于，包括：支持层；柱体阵列，包括形成在支持层上的阵列排列、并具有软弹性的柱体；以及微纳米增强体，微纳米增强体均内嵌于柱体中，微纳米增强体为纳米线或纳米管或纳米片。本发明中，支持层和各向异性的柱体阵列以及纳米增强体的协同作用使得材料在粗糙表面具有优异的黏附性能、摩擦性能以及耐磨损性能；进一步，多孔的支持层能够有效的降低支持层的模量，有利于变形弯曲，在粗糙表面实现更好的接触，并且可以在脱黏过程中吸收更多的能量，因此有利于实现强黏附。

Description

同时增强黏附力和摩擦力的仿生复合结构
技术领域
本发明属于仿生材料技术领域，具体涉及一种同时增强黏附力和摩擦力的仿生复合结构。
背景技术
生物在进化过程中为了更好的适应环境而演变出其独特的优势，因此近年来国内外研究者利用生物的特点，在结构、润滑、超疏水和摩擦等方面进行了大量研究，制备出了相应的仿生表面。如，中国科技大学俞书宏院士通过模拟软体动物体内珍珠层的生长方式和控制过程，成功制备了毫米级厚度的珍珠层结构块状材料，北京航空航天大学江雷院士利用荷叶表面的微结构制备出了超疏水表面，北京航空航天大学陈华伟教授通过仿猪笼草制备出液体单方向铺展表面，山东科技大学苏春建制备了一种仿生增摩橡胶板等等，但利用仿生结构制备同时具有增加黏附和摩擦表面的相关报导相对较少。
一般来说，低弹性模量的材料有利于更好的黏附，但由于易磨损和损伤，不利于强摩擦。尤其是在现实生活中，多数情况是粗糙的表面条件下，实现同时具有强黏附力和摩擦力的材料是一种挑战。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种同时增强黏附力和摩擦力的仿生复合结构。
本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：
本发明提供一种同时增强黏附力和摩擦力的仿生复合结构，其特征在于，包括：支持层；柱体阵列，包括形成在支持层上的阵列排列、并具有软弹性的柱体；以及微纳米增强体，微纳米增强体均内嵌于柱体中，微纳米增强体为纳米线或纳米管或纳米片。
优选地，本发明所涉及的同时增强黏附力和摩擦力的仿生复合结构还可以具有这样的特征：柱体材料与支持层材料可以相同或不同，当柱体材料与支持层材料不同时，柱体与支持层之间粘合牢固；另外，柱体阵列与支持层可以一次加工或分开加工后再粘合到一起。具体地，形成支持层的材料为：天然橡胶、人工橡胶、树脂、水凝胶、气凝胶、油凝胶、纤维素、金属中的任一种或几种组合，形成柱体的材料为：天然橡胶、人工橡胶、聚氨酯、聚酰亚胺、聚烯烃、聚乳酸、聚己内酯、水凝胶、气凝胶、油凝胶中的任一种或几种组合。
优选地，本发明所涉及的同时增强黏附力和摩擦力的仿生复合结构还可以具有这样的特征：支持层为多孔结构。另外，支持层也可以为软质的实心结构。
优选地，本发明所涉及的同时增强黏附力和摩擦力的仿生复合结构还可以具有这样的特征：支持层中的孔可以为圆形、椭圆形、多边形和不规则形状的任一种或几种组合，孔排布方式可为纵横对齐整齐排列、纵横交错排列、梯度排列和不规则排列的任一种或几种组合。
优选地，本发明所涉及的同时增强黏附力和摩擦力的仿生复合结构还可以具有这样的特征：柱体的轴向与支持层成一定倾斜角或者相垂直。
优选地，本发明所涉及的同时增强黏附力和摩擦力的仿生复合结构还可以具有这样的特征：柱体截面可以为圆形、椭圆形、多边形和不规则形状的任一种或几种组合。
优选地，本发明所涉及的同时增强黏附力和摩擦力的仿生复合结构还可以具有这样的特征：柱体阵列中柱体的排布方式为纵横对齐整齐排列、纵横交错排列和不规则排列中的任一种或几种组合。
优选地，本发明所涉及的同时增强黏附力和摩擦力的仿生复合结构还可以具有这样的特征：柱体与微纳米增强体之间存在化学键、物理键、分子缠绕、结构互锁作用的任一种或几种相互作用。特别是，柱体与微纳米增强体之间通过分子缠绕或者结构互锁能够获得更加紧密的结合，使得多孔的支持层和各向异性的柱状阵列之间的协同作用进一步增大，在粗糙表面会具有更为优异的黏附性能。
优选地，本发明所涉及的同时增强黏附力和摩擦力的仿生复合结构还可以具有这样的特征：微纳米增强体的直径为5～5000nm，长径比为10～106。
优选地，本发明所涉及的同时增强黏附力和摩擦力的仿生复合结构还可以具有这样的特征：微纳米增强体的材质为碳、二氧化硅、塑料、橡胶、纤维素、树脂、金属、陶瓷的任一种或几种组合，并且模量比柱体的模量高1MPa～1TPa。
优选地，本发明所涉及的同时增强黏附力和摩擦力的仿生复合结构还可以具有这样的特征：线状或管状的微纳米增强体在柱体的高度方向上取向排列，并且排列方向与支持层表面呈45～135°夹角，在平行于表面的面内，为有序排列或无序排列。
优选地，本发明所涉及的同时增强黏附力和摩擦力的仿生复合结构还可以具有这样的特征：片状的微纳米增强体呈无规均匀分布或片层平面垂直于或平行于支持层的表面。
优选地，本发明所涉及的同时增强黏附力和摩擦力的仿生复合结构还可以具有这样的特征：微纳米增强体从柱体内部延伸至支持层中。另外，微纳米增强体也可以仅仅局限于柱体内部。
发明的作用与效果
本发明所提供的同时增强黏附力和摩擦力的仿生复合结构，由支持层、形成在支持层上的柱体阵列以及内嵌于柱体中的微纳米增强体组合而成；支持层和各向异性的柱状阵列以及纳米增强体的协同作用使得材料在粗糙表面具有优异的黏附性能和摩擦性能。支持层为多孔结构，能够有效的降低支持层的模量，有利于变形弯曲，在粗糙表面实现更好的接触，进一步的，多孔的支持层可以在脱黏过程中吸收更多的能量，因此有利于实现强黏附；支持层上的柱体阵列具有软弹性，其内部镶嵌有模量较高纳米线、纳米片或者纳米管微纳米增强体，这种仿生复合结构不仅仅提高了材料的强度，增加了材料的耐磨损性，更改变了柱体末端与接触界面的应力分布，也有利提高黏附和摩擦性能。而且柱体阵列间隔区域形成的沟道则有利于在湿态条件下排除多余的水分，实现固固接触，因此进一步提高了材料在干态和湿态下的适用性。
附图说明
图1是本发明实施例一中涉及的同时增强黏附力和摩擦力的仿生复合结构的立体图；
图2是本发明实施例一中涉及的同时增强黏附力和摩擦力的仿生复合结构的剖视图；
图3是本发明实施例二中涉及的同时增强黏附力和摩擦力的仿生复合结构的立体图；
图4是本发明实施例二中涉及的同时增强黏附力和摩擦力的仿生复合结构的剖视图；
图5是本发明实施例三中涉及的同时增强黏附力和摩擦力的仿生复合结构的立体图；
图6是本发明实施例三中涉及的同时增强黏附力和摩擦力的仿生复合结构的剖视图。
图中各标号含义为：
实施例一：10-仿生复合结构，11-支持层，12-柱体阵列，12a-柱体，13-微纳米增强体；
实施例二：20-仿生复合结构，21-支持层，22-柱体阵列，22a-柱体，23-微纳米增强体；
实施例三：30-仿生复合结构，31-支持层，32-柱体阵列，32a-柱体，33-微纳米增强体。
具体实施方式
以下参照附图对本发明所涉及的同时增强黏附力和摩擦力的仿生复合结构作详细阐述。
<实施例一>
如图1和2所示，本实施例所提供的同时增强黏附力和摩擦力的仿生复合结构10包括支持层11、柱体阵列12和微纳米增强体13。
支持层11为多孔结构，并且孔为纵横对齐整齐排列，每个孔都为圆形，直径约20微米。本实施例中，支持层11采用硅橡胶材料。
柱体阵列12形成在支持层11上，包括阵列排列、并具有软弹性的柱体12a。本实施例中，柱体阵列12呈四方堆积，每个柱体12a直径为50微米，高度为50微米，并且柱体12a的轴向与支持层11相垂直，相邻柱体12a间距为10微米，柱体12a采用硅橡胶材料。
微纳米增强体13内嵌于柔性柱体中，本实施例中，采用的微纳米增强体13为刚性碳纳米管，碳纳米管与支持层11、柱体12a之间有化学键的连接，碳纳米管的外径为20纳米，内径为16纳米，碳纳米管呈垂直于支持层11的方向有序排布，与支持层11表面(水平方向)的夹角为60度，并且碳纳米管的底端伸入到支持层11中。
以上是本实施例所提供的仿生复合结构10，对该仿生复合结构10使用自制的黏附力测试装置，在1毫牛负载下，采用粗糙的毛玻璃作为接触探针进行黏附力和摩擦力测试，并与无结构平面膜(材质与柱体12a一致)进行比较。如图2所示，将使得碳纳米管顺着取向方向弯曲的力的方向记为a，相反的方向记为b。
粗糙表面干态条件下：
仿生复合结构10：黏附力0.5毫牛，a方向摩擦力3.5毫牛，b方向摩擦力7.1毫牛。
无结构平面膜：黏附力0.2毫牛，摩擦力2.1毫牛。
粗糙表面湿态条件下：
仿生复合结10：黏附力3.4毫牛，a方向摩擦力3.8毫牛，b方向摩擦力7.4毫牛。
无结构平面膜：黏附力1.2毫牛，摩擦力0.5毫牛。
根据以上测试数据可知，仿生复合结构10的粘附力和摩擦力明显的大于无结构平面膜，支持层11为多孔结构，能够有效的降低支持层11的模量，有利于变形弯曲，在粗糙表面实现更好的接触，进一步的，多孔的支持层11可以在脱黏过程中吸收更多的能量，因此有利于实现强黏附。支持层11上的柱体阵列12由软弹性柱体12a阵列排列而成，柱体12a内部镶嵌有模量较高的碳纳米管微纳米增强体13，提高了材料的强度和耐磨损性，60°取向的微纳米增强体13具有各向异性的摩擦性能，柱体12a与内部的微纳米增强体13之间具有紧密的化学键结合，使得多孔的支持层11和各向异性的柱体阵列12与微纳米增强体13之间的协同作用进一步增大，因此材料在粗糙表面具有优异的黏附性能。而且仿生阵列之间的沟道则有利于在湿态条件下排除多余的水分，实现固固接触，因此进一步提高了材料在干态和湿态下的适用性。在黏附理论和仿生应用方面都具有深远的意义。
<实施例二>
如图2和3所示，本实施例所提供的同时增强黏附力和摩擦力的仿生复合结构20包括支持层21、柱体阵列22和微纳米增强体23。
支持层21为多孔结构，并且孔为纵横对齐整齐排列，每个孔都为圆形，直径约20微米。本实施例中，支持层21采用硅橡胶材料。
柱体阵列22形成在支持层21上，包括阵列排列、并具有软弹性的柱体22a。本实施例中，柱体阵列22呈四方堆积，每个柱体22a直径为50微米，高度为50微米，并且柱体22a的轴向与支持层21相垂直，相邻柱体22a间距为10微米，柱体22a采用硅橡胶材料。
微纳米增强体23内嵌于柔性柱体中，本实施例中，采用的微纳米增强体23为刚性碳纳米管，碳纳米管与支持层21、柱体22a之间有化学键的连接，碳纳米管的外径为20纳米，内径为16纳米，碳纳米管呈垂直于支持层21的方向有序排布，与支持层21表面相垂直，并且碳纳米管的底端伸入到支持层21中。
以上是本实施例所提供的仿生复合结构20，对该仿生复合结构20使用自制的黏附力测试装置，在1毫牛负载下，采用粗糙的毛玻璃作为接触探针进行黏附力和摩擦力测试，并与无结构平面膜(材质与柱体22a一致)进行比较。
粗糙表面干态条件下：
仿生复合结构20：黏附力0.5毫牛，摩擦力4.1毫牛。
无结构平面膜：黏附力0.2毫牛，摩擦力2.1毫牛。
粗糙表面湿态条件下：
仿生复合结20：黏附力3.1毫牛，摩擦力5.2毫牛。
无结构平面膜：黏附力1.2毫牛，摩擦力0.5毫牛。
根据以上测试数据可知，仿生复合结构20的粘附力和摩擦力明显的大于无结构平面膜，支持层21为多孔结构，能够有效的降低支持层21的模量，有利于变形弯曲，在粗糙表面实现更好的接触，进一步的，多孔的支持层21可以在脱黏过程中吸收更多的能量，因此有利于实现强黏附。支持层21上的柱体阵列22由软弹性柱体22a阵列排列而成，柱体22a内部镶嵌有模量较高的碳纳米管微纳米增强体23，提高了材料的强度和耐磨损性，柱体22a与内部的微纳米增强体23之间具有紧密的化学键结合，使得多孔的支持层21和各向异性的柱体阵列22与微纳米增强体23之间的协同作用进一步增大，因此材料在粗糙表面具有优异的黏附性能。而且仿生阵列之间的沟道则有利于在湿态条件下排除多余的水分，实现固固接触，因此进一步提高了材料在干态和湿态下的适用性。在黏附理论和仿生应用方面都具有深远的意义。
<实施例三>
如图5和6所示，本实施例所提供的同时增强黏附力和摩擦力的仿生复合结构30包括支持层31、柱体阵列32和微纳米增强体33。
支持层31为多孔结构，并且孔为无序排列，每个孔都为圆形，直径约20微米。本实施例中，支持层31采用硅橡胶材料。
柱体阵列32形成在支持层31上，包括多个阵列排列、并具有软弹性的柱体32a。本实施例中，柱体阵列32呈四方堆积，每个柱体32a直径为50微米，高度为50微米，并且柱体32a的轴向与支持层31相垂直，相邻柱体32a间距为10微米，柱体32a采用硅橡胶材料。
微纳米增强体33内嵌于柔性柱体中，本实施例中，采用的微纳米增强体23为刚性碳纳米管，碳纳米管与支持层31、柱体32a之间有化学键的连接，碳纳米管的外径为20纳米，内径为16纳米，碳纳米管呈垂直于支持层31的方向有序排布，与支持层31表面(水平方向)的夹角为60度，并且碳纳米管的底端伸入到支持层31中。
以上是本实施例所提供的仿生复合结构30，对该仿生复合结构30使用自制的黏附力测试装置，在1毫牛负载下，采用粗糙的毛玻璃作为接触探针进行黏附力和摩擦力测试，并与无结构平面膜(材质与柱体32a一致)进行比较。如图2所示，将使得碳纳米管顺着取向方向弯曲的力的方向记为a，相反的方向记为b。
粗糙表面干态条件下：
仿生复合结构30：黏附力0.5毫牛，a方向摩擦力3.1毫牛，b方向摩擦力6.1毫牛。
无结构平面膜：黏附力0.2毫牛，摩擦力2.1毫牛。
粗糙表面湿态条件下：
仿生复合结30：黏附力3.4毫牛，a方向摩擦力3.5毫牛，b方向摩擦力6.4毫牛。
无结构平面膜：黏附力1.2毫牛，摩擦力0.5毫牛。
根据以上测试数据可知，仿生复合结构30的粘附力和摩擦力明显的大于无结构平面膜，支持层31为多孔结构，能够有效的降低支持层31的模量，有利于变形弯曲，在粗糙表面实现更好的接触，进一步的，多孔的支持层31可以在脱黏过程中吸收更多的能量，因此有利于实现强黏附。支持层31上的柱体阵列32由软弹性柱体32a阵列排列而成，柱体32a内部镶嵌有模量较高的碳纳米管微纳米增强体33，提高了材料的强度和耐磨损性，60°取向的微纳米增强体33具有各向异性的摩擦性能，柱体32a与内部的微纳米增强体33之间具有紧密的化学键结合，使得多孔的支持层31和各向异性的柱体阵列32与微纳米增强体33之间的协同作用进一步增大，因此材料在粗糙表面具有优异的黏附性能。而且仿生阵列之间的沟道则有利于在湿态条件下排除多余的水分，实现固固接触，因此进一步提高了材料在干态和湿态下的适用性。在黏附理论和仿生应用方面都具有深远的意义。
以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的同时增强黏附力和摩擦力的仿生复合结构并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的结构，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种同时增强黏附力和摩擦力的仿生复合结构，其特征在于，包括：
支持层；
柱体阵列，包括形成在所述支持层上的阵列排列、并具有软弹性的柱体；以及
微纳米增强体，所述微纳米增强体均内嵌于所述柱体中，所述微纳米增强体为纳米线或纳米管或纳米片。
2.根据权利要求1所述的同时增强黏附力和摩擦力的仿生复合结构，其特征在于：
其中，形成所述支持层的材料为：天然橡胶、人工橡胶、树脂、水凝胶、气凝胶、油凝胶、纤维素、金属中的任一种或几种组合，
形成所述柱体的材料为：天然橡胶、人工橡胶、聚氨酯、聚酰亚胺、聚烯烃、聚乳酸、聚己内酯、水凝胶、气凝胶、油凝胶中的任一种或几种组合。
3.根据权利要求1所述的同时增强黏附力和摩擦力的仿生复合结构，其特征在于：
其中，所述支持层为多孔结构或实心结构。
4.根据权利要求1所述的同时增强黏附力和摩擦力的仿生复合结构，其特征在于：
其中，所述柱体阵列中柱体的排布方式为纵横对齐整齐排列、纵横交错排列和不规则排列中的任一种或几种组合，
所述柱体的轴向与所述支持层成一定倾斜角或者相垂直。
5.根据权利要求1所述的同时增强黏附力和摩擦力的仿生复合结构，其特征在于：
其中，所述柱体与所述微纳米增强体之间存在化学键、物理键、分子缠绕、结构互锁作用的任一种或几种相互作用。
6.根据权利要求1所述的同时增强黏附力和摩擦力的仿生复合结构，其特征在于：
其中，所述微纳米增强体的直径为5～5000nm，长径比为1～106。
7.根据权利要求1所述的同时增强黏附力和摩擦力的仿生复合结构，其特征在于：
其中，所述微纳米增强体的材质为碳、二氧化硅、塑料、橡胶、纤维素、树脂、金属、陶瓷的任一种或几种组合，并且模量比所述柱体的模量高1MPa～1TPa。
8.根据权利要求1所述的同时增强黏附力和摩擦力的仿生复合结构，其特征在于：
其中，线状或管状的所述微纳米增强体在所述柱体的高度方向上取向排列，并且排列方向与所述支持层表面呈45～135°夹角。
9.根据权利要求1所述的同时增强黏附力和摩擦力的仿生复合结构，其特征在于：
其中，片状的所述微纳米增强体呈无规均匀分布或片层平面垂直于或平行于所述支持层的表面。
10.根据权利要求1所述的同时增强黏附力和摩擦力的仿生复合结构，其特征在于：
其中，所述微纳米增强体从所述柱体内部延伸至所述支持层中。
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LONGJIAN XUE等: ""Hybrid Surface Patterns Mimicking the Design of the Adhesive Toe Pad of Tree Frog"", 《ACS NANO》 *

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WO2024060574A1 (zh) * 2022-09-20 2024-03-28 武汉大学 用于仿生结构黏附剂的桥接柱状阵列结构及制备方法

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