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西安交大邵金友、田洪淼團(tuán)隊(duì)《Adv. Funct. Mater.》：開發(fā)出適用于低溫的電熱變剛度粘附結(jié)構(gòu)
2023-12-04  來源：高分子科技

  壁虎、蜘蛛等動物可以在具有不同形貌的豎直/負(fù)表面上自由攀爬，表現(xiàn)出卓越的攀爬能力。受這些動物的生物粘附性能的啟發(fā)，仿生干粘附結(jié)構(gòu)被開發(fā)并在近二十年內(nèi)取得諸多進(jìn)展，在攀爬機(jī)器人、抓取和操作機(jī)器人、自粘附柔性電子器件等方面被廣泛應(yīng)用。盡管針對極端環(huán)境（低壓、高溫、強(qiáng)輻射）的干粘附結(jié)構(gòu)取得了一些實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，但在低溫環(huán)境（太空和極地）中的強(qiáng)粘附性能卻很少實(shí)現(xiàn)。開發(fā)具有優(yōu)異低溫粘附性能的干粘附結(jié)構(gòu)仍然是其工程應(yīng)用的挑戰(zhàn)性難題。


基于變剛度的電熱干粘附結(jié)構(gòu)


  近期，西安交通大學(xué)邵金友、田洪淼團(tuán)隊(duì)提出了一種基于變剛度的電熱干粘附結(jié)構(gòu)（EDA）。不同于傳統(tǒng)的由硅橡膠制備的粘附結(jié)構(gòu)，該粘附結(jié)構(gòu)由炭黑參雜的硅橡膠通過模塑工藝制備而成；谡掣讲牧系碾姛嵝(yīng)，其自身溫度和剛度可以通過控制外加電壓來調(diào)節(jié)，這賦予了電熱粘附結(jié)構(gòu)在軟狀態(tài)和硬狀態(tài)之間可逆切換的能力。根據(jù)軟接觸-硬抓取的粘附策略（即在軟狀態(tài)下接觸，在硬狀態(tài)下抓。岢龅碾姛岣烧掣浇Y(jié)構(gòu)在低至-90℃的溫度下表現(xiàn)出1063 kPa的卓越粘附性能。當(dāng)粘附結(jié)構(gòu)在低溫環(huán)境中接近目標(biāo)表面時(shí)，結(jié)構(gòu)剛度調(diào)整為軟狀態(tài)（施加電壓），以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)表面的共形接觸；在拾取目標(biāo)物體時(shí)切換到硬狀態(tài)（移除電壓），以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)表面的高強(qiáng)度附著，如圖1所示。所提出的電熱干粘附結(jié)構(gòu)在-90℃下的粘附強(qiáng)度超過1 MPa，是相同情況下傳統(tǒng)硅橡膠粘附結(jié)構(gòu)粘附性能的3個(gè)數(shù)量級。相關(guān)研究成果以“Electrothermal Dry Adhesives with High Adhesion Under Low Temperatures Based on Tunable Stiffness”為題發(fā)表《Advanced Functional Materials》上，西安交通大學(xué)張晉瑜博士為論文的第一作者。 


圖1 基于變剛度的電熱粘附結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路


電熱干粘附結(jié)構(gòu)的電熱性能


  粘附結(jié)構(gòu)通過電壓調(diào)控，實(shí)現(xiàn)在低溫環(huán)境中粘附結(jié)構(gòu)自身溫度和彈性模量的控制，完成軟狀態(tài)和硬狀態(tài)之間的可逆切換；谡掣讲牧系碾姛嵝(yīng)，在4.8W的低加熱功率下，粘附結(jié)構(gòu)溫度即可超過軟/硬狀態(tài)轉(zhuǎn)變溫度（-60℃），如圖2所示。優(yōu)異的電熱性能賦予了粘附結(jié)構(gòu)在軟狀態(tài)和硬狀態(tài)之間可逆切換的能力，為實(shí)現(xiàn)低溫強(qiáng)粘附性能奠定了基礎(chǔ)。 


圖2 電熱粘附結(jié)構(gòu)的電熱性能


剛度調(diào)控下的粘附增強(qiáng)機(jī)制及低溫粘附性能


  研究團(tuán)隊(duì)建立了基于cohesive單元的力學(xué)模型，探究了剛度調(diào)控下的表面粘附增強(qiáng)機(jī)制，如圖3所示。在接觸期間，軟狀態(tài)的蘑菇形微結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生足夠的形變，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)表面的共形接觸；在分離期間，高彈性模量有利于產(chǎn)生更平坦的界面應(yīng)力分布，硬狀態(tài)的蘑菇形微結(jié)構(gòu)和目標(biāo)表面之間的界面裂紋從接觸區(qū)域中心產(chǎn)生并迅速向四周擴(kuò)展，直至整個(gè)界面完全分離。相比于純軟的蘑菇形結(jié)構(gòu)和純硬的蘑菇形結(jié)構(gòu)，軟-硬狀態(tài)的（即軟接觸-硬分離）蘑菇形結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出最優(yōu)的粘附性能。基于上述所提出的軟接觸-硬抓取的粘附策略，軟-硬狀態(tài)的電熱干粘附結(jié)構(gòu)在-60℃ ~ -90℃下的粘附性能超過770 kPa，是相同情況下傳統(tǒng)硅橡膠粘附結(jié)構(gòu)粘附性能的兩個(gè)數(shù)量級以上，如圖4所示。此外，相比于已報(bào)道的各種硅橡膠基的粘附結(jié)構(gòu)和水凝膠基粘附材料，所提出的電熱粘附結(jié)構(gòu)在低溫粘附性能和最低操作溫度方面都表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。 


圖3 電熱粘附結(jié)構(gòu)的粘附增強(qiáng)機(jī)制


圖4 電熱粘附結(jié)構(gòu)的低溫粘附性能


粘附操縱展示


  研究團(tuán)隊(duì)將電熱粘附結(jié)構(gòu)集成到高低溫試驗(yàn)設(shè)備中，成功實(shí)現(xiàn)了在-90℃低溫下對各種材質(zhì)物體的抓取操作，如圖5所示。粘附結(jié)構(gòu)僅在接觸期間需要供能，隨后轉(zhuǎn)變?yōu)闊o功耗的硬狀態(tài)，相比于持續(xù)加熱的方式極大地減小了電能消耗。 


圖5基于變剛度的電熱粘附結(jié)構(gòu)的物體操縱展示


小結(jié)


  邵金友、田洪淼團(tuán)隊(duì)長期致力于微納結(jié)構(gòu)界面仿生粘附相關(guān)研究，已經(jīng)在界面粘附機(jī)制、仿生粘附結(jié)構(gòu)制備、智能機(jī)器人開發(fā)等領(lǐng)域做出大量創(chuàng)新性工作。本研究所提出的基于變剛度的電熱粘附結(jié)構(gòu)，利用粘附材料的電熱效應(yīng)實(shí)現(xiàn)軟狀態(tài)和硬狀態(tài)之間的可逆切換，將仿生干粘附結(jié)構(gòu)的低溫粘附性能提升至兆帕級別，并將其可工作溫度拓展至-90℃。本研究有望促進(jìn)仿生干粘附在低溫環(huán)境（太空、極地等）中的應(yīng)用，例如在軌抓取、制冷技術(shù)中的低溫操作等。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202309800

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