3D打印仿贻贝足丝结构的黏附性能.pdf
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1、 应用数学和力学编委会,:打印仿贻贝足丝结构的黏附性能徐万崟,谢 宇,钱 劲,(浙江大学 航空航天学院 工程力学系,杭州;浙江省软体机器人与智能器件研究重点实验室,杭州)摘要:贻贝足丝是一种自然界存在的高性能生物黏附器,能够在不同环境下提供贻贝固体表面之间的黏附作用 近年来,许多研究者开始关注贻贝足丝的组成和宏微观结构对其黏附性能的定量影响,为仿生黏附器件的设计寻找思路 该文结合 打印技术、脱黏实验和有限元方法,系统研究了形状和几何参数对仿贻贝足丝结构脱黏模式和黏附性能的影响机制 该文结果揭示了贻贝足丝的脱黏机理,发现贻贝足丝存在最优的足丝方向角,使其黏附性能最佳,探究了同一角度下足丝线斑块连
2、接位置和斑块底部形状对其黏附性能的影响 最后,模拟了束状仿贻贝足丝结构在竖直拉力作用下的完整脱黏过程,所获得的锯齿状脱黏曲线表明束状结构具有相对稳定的抗脱黏能力 这些研究结果有助于理解自然界贻贝足丝的脱黏行为,可为仿生黏附器件的优化设计提供基础和参考 关 键 词:贻贝足丝;仿生结构;结构因素;黏附性能;打印中图分类号:;文献标志码:,(,;,):,应用数学和力学 卷 期 年 月 ,收稿日期:;修订日期:基金项目:国家自然科学基金(;);浙江省重点研发计划();浙江省自然科学基金()作者简介:徐万崟(),女,硕士生(:);钱劲(),男,教授,博士生导师(通讯作者:)引用格式:徐万崟,谢宇,钱劲
3、打印仿贻贝足丝结构的黏附性能 应用数学和力学,():,:;引 言为了应对海洋中的波浪和激流,贻贝会产生多个足丝,从而通过足丝末端的黏附斑块固定在各种表面上 这种足丝线斑块结构是一种独特的黏附器,从贻贝主体向外延伸至被黏附的物体上,通过黏附斑块与物体硬表面形成紧密的黏附,以此抵御恶劣环境带来的冲击 每条足丝包含了三个形态不同的部分:褶皱且有弹性的近端部分、相对光滑且较硬的远端部分以及在基底表面的黏性斑块 足丝线通常在斑块横截面中心附近的位置与斑块连接,自然状态下与横截面的夹角约为,该角度取决于斑块位置与贻贝主体之间的距离 贻贝足丝具有良好的黏附性、延展性和自修复性,为仿生黏附研究提供了许多灵感,
4、催生了许多新型的胶黏剂和功能材料 斑块部分与固体表面接触的界面相互作用和性能在贻贝足丝黏附中起着关键作用,而本征的界面相互作用取决于二者的理化属性 本文侧重于力学研究,重点讨论了在给定本征界面相互作用的条件下,黏附结构(如足丝方向角、足丝线斑块连接位置、斑块底部形状等关键因素)对贻贝足丝黏附性能的影响机制和调控作用,为仿贻贝人造黏附系统的结构设计和制备提供参考 研究指出,贻贝足丝在一定的斑线比(足丝斑块直径 足丝线直径)范围内,存在使其黏附效率最优的结构 本文将重点关注贻贝足丝的结构特性对于黏附性能的影响,采用 打印技术设计并制备了仿贻贝足丝结构,通过脱黏实验研究了其在不同方向角下的脱黏模式和
5、黏附性能 同时,基于内聚力黏附接触理论建立仿贻贝足丝结构的数值模型,以模拟仿生结构和基板的黏附作用 通过比较脱黏实验和模拟结果,分析和讨论了黏附性能的调控因素,进而对贻贝足丝黏附的调控机理有了进一步的认识 仿贻贝足丝结构脱黏试样的设计和制备在自然界中由于贻贝的种类多样,贻贝足丝的形态大小也有所差异 本文聚焦的贻贝足丝结构源于加州贻贝(图),其典型特征是足丝与基底的接触界面附近有类似蘑菇状的斑块结构,使得贻贝足丝表现出牢固而持久的黏附能力()黏附在鱼缸上的贻贝()贻贝足丝黏附结构侧视图()从下方拍摄的斑块玻璃黏附界面的图像()()()图 贻贝足丝的形态结构 应 用 数 学 和 力 学 年 第 卷
6、图()的比例尺为 ,图()和图()的比例尺均为 图()足丝线处于拉伸状态,外表皮上的黑色标记作为基准,用来测量试样应变;斑块底部直径约为 ,足丝线直径约为 ,足丝线与斑块连接处与斑块底部中心的水平距离约为 ,竖直距离(也即斑块厚度)约为 ()几何模型()()试样制备流程()图 仿贻贝足丝结构的设计和制备 为便于实验观测,本文根据上述加州贻贝足丝的形态特征,将原有尺寸放大 倍设计了仿贻贝足丝结构,如图()所示 其中,为试样的足丝线长度,为斑块厚度,为足丝线斑块连接点与斑块中心的水平距离,为斑块直径,为足丝线斑块连接处直径,为足丝线直径 为试样的足丝线方向与基板的夹角,称为足丝方向角,同时作为实验
7、中脱黏试样的加载角 在脱黏实验过程中,保持其他各参数不变,只需改变足丝线角度 ,即可分析仿贻贝足丝结构的足丝方向角第 期 徐万崟,等:打印仿贻贝足丝结构的黏附性能 对结构黏附性能的影响 在仿生结构的设计过程中,足丝线底部和足丝线斑块连接处采用“放样”操作过渡连接,使试样表面形状平滑,尽可能真实地符合贻贝足丝的形态特征 在综合考虑自然界中贻贝足丝各部分的材质和结构特性后,我们将仿贻贝足丝结构试样分为两部分制备,如图()所示:一是采用树脂材料的立体光固化成型(,)工艺制备细长的足丝线部分;二是基于聚氨酯()软胶材料的硅胶复膜工艺,制备了参与黏附和脱黏过程的斑块部分 所选用树脂的弹性模量为 ,比为,
8、软胶的弹性模量为 ,比为 由于树脂的拉伸强度比软胶大得多,上述设计可有效避免足丝线处的破坏,从而更容易观察到试样的脱黏现象 最后,将试样的两个部分通过塑料胶连接,垂直于接触面按压一段时间后,待胶水自然风干,对连接处的缝隙以适量塑料胶加固,使其在脱黏过程中不易发生破坏 仿贻贝足丝结构的脱黏实验脱黏试样和测试基板之间的黏附层为 双面胶(丙烯酸胶泡棉基材),其黏附强度适中,可清晰地呈现试样的脱黏过程而不至污染基板 我们采用聚四氟乙烯板作为试样黏附的基板,以保证试样与基板脱黏过程中不引起试样的破坏 为便于脱黏试样不同加载角(即足丝方向角)的调控,我们设计了角度可调的测试平台,并将其搭建在万能材料试验机
9、(,)上,如图()所示 脱黏测试过程中,试验机始终保持竖直加载,通过转动装置的插槽来改变基板的角度,从而间接改变了试样的受力方向()实验装置()足丝方向角为 时试样的脱黏过程()()图 加载角度可调的仿贻贝足丝结构试样脱黏实验 为测试不同方向角下仿贻贝足丝结构的脱黏情况,我们制备了足丝方向角 分别为,的仿生结构试样 在加载试样前,先剥开 双面胶的红色离型纸,通过按压使暴露出的黏性面与试样底部均匀黏贴,之后静置 然后,撕去双面胶的黄色离型纸,将试样轻轻放置在聚四氟乙烯基板上,随后将角度可调测试平台倒置,用装置自重对黏附体系施加压力 后将装置放正,试样不再受到外界压力作用,静置 之后将角度可调测试
10、平台的基板调整至合适位置,使试样的足丝线方向为竖直方向,用夹应 用 数 学 和 力 学 年 第 卷具夹住足丝线上端,取夹持部分长度为 调零载荷和位移,启动试验机,观察并记录试样的脱黏过程,所选的拉伸速率为 基于内聚力黏附接触的有限元模拟为进一步研究结构特性对仿贻贝足丝结构黏附性能的影响,我们对仿生结构脱黏过程进行了有限元建模和计算 采用与脱黏实验相同的结构与数值模型,用 有限元软件分别模拟 ,足丝方向角下仿贻贝足丝结构的脱黏过程 由于内聚力模型可综合分析脱黏过程中界面拉伸、剪切与剥离等复杂的受力状态,因而广泛应用于研究复杂结构及其界面的黏附问题 在数值建模的过程中,结构和基板之间的黏附作用采用
11、内聚力接触模型,并在足丝顶端施加竖直向上的位移载荷 为充分探究仿贻贝足丝结构的足丝线斑块连接位置、斑块底部形状等几何特征对黏附性能的影响,并且保证有限元仿真模型的运算量和准确度,我们借助万能材料试验机测量了仿贻贝足丝、斑块的弹性模量值,所采用内聚力模型的参数来自于文献中贻贝足丝界面作用的实验测试结果,如表 所示 表 有限元模拟所用的材料性质 ()()结果与讨论我们通过脱黏实验得到了不同足丝方向角下仿贻贝足丝结构的黏附力位移曲线,如图()所示 观察不同方向角下的力位移曲线,可以看出,这些曲线呈现出相似的变化趋势 结合 方向角模拟的黏附力位移曲线(图()以及实验曲线(图()、方向角 时的黏附力位移
12、实验曲线(图()、脱黏实验侧视图(图()、底部脱黏区域演化(图()以及对应的底部失效模拟图(图(),我们归纳出仿贻贝足丝结构的脱黏过程具有 个阶段:)均匀拉伸阶段:在开始拉伸的一段时间内,黏附力随着位移的变大而增加,随着拉伸位移的增大,对应图()中试样的斑块部分出现较大形变,导致整体曲线斜率逐渐降低)初始脱黏阶段:试样底部开始脱黏而使得受力下降,对应图()中脱黏区域由中心均匀地向四周扩散,直到抵达斑块的边界)单侧脱黏阶段:当底部裂纹穿过边界后,对应图()中脱黏区域向一侧扩散,直到该侧脱离基板,在这个过程中黏附力突然减小)点之后的完全脱黏阶段:位移继续增大,黏附力缓慢降低,待位移达到临界状态后,
13、拉力骤降,随后试样完全脱黏 通过比较图()、()中模拟与实验的仿生结构脱黏曲线,可发现本文建立的数值模拟方法具有较佳的可靠性 此外,对于脱黏实验中底部裂纹的演化,模拟与实验的结果取得了较高的一致性 值得一提的是:模拟的力位移曲线与实验曲线在完全脱黏阶段(力位移曲线 点后)有一定的偏差,可能是由于仿生结构在脱黏过程中发生了较大的变形和翻转,导致与基板的实际接触面积较大,因此仍具有较高的黏附力 由黏附力位移曲线图()可以看出,不同方向角的脱黏过程均呈现出 个阶段,但在黏附力极值以及特定的位移上存在较大的差异 为便于后续讨论,我们将脱黏的峰值力(点)称为脱黏力,点对应的位移称为临界脱黏位移,在 点后
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- 打印 贻贝 结构 黏附 性能
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