高分子/碳纳米管仿壁虎干胶的设计准则开题报告

全文总字数：5922字

1. 研究目的与意义（文献综述）

我们日常生活中粘附无处不在，而在这其中起着重要作用的便是干胶材料。自从Autumn等人[1]揭示了壁虎“飞檐走壁”的神奇能力是源于其脚掌刚毛与接触表面之间的范德华力累加的结果，人们便展开了大量对仿壁虎干胶材料的研究[2]。至今，国内外关于仿壁虎刚毛阵列的制备在向更加简单、经济的方向发展，而结构也越加地精细，它们具有与壁虎类似的理想特性，例如粘附力大、对形貌和材质适应性强、对接触表面无损伤、自清洁、可反复使用等[3]。由于这些优异的性能，干胶材料的需求日益提升。截至目前，干胶材料已广泛应用于医疗卫生、包装、电子机械和航天航空领域中。仿壁虎干胶材料主要有两种：高分子基粘附材料和碳纳米管阵列粘附材料[4]。高分子基粘附材料多采用聚氨酯、聚乙烯、聚酰亚胺、硅橡胶等有机高分子制成[5]。由于高分子材料的结构可设计性强，故高分子仿壁虎干胶可以设计为不同结构，从而有针对性的提高其粘附性能。但因其具有较低的弹性模量，使制备得到的高分子基粘附材料的刚毛容易倒塌，并且其刚毛之间容易粘连对阵列结构形成破坏，因此很难制备出具有大径长比的阵列结构[6]。2009年Davies等人[7]利用聚酰亚胺（PA）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）制备不同尺寸蘑菇状纤维阵列。其中蘑菇状顶端（顶端厚度、高度分别为1μm、10μm）的PDMS阵列在玻璃表面的粘附强度最高可达21.9N/cm2，可初步表明，蘑菇状顶端厚度越小的阵列，其粘附强度越高。2012年Sameoto等人继续探究蘑菇尖端的粘附增强机制，通过测试不同尺寸蘑菇状纤维阵列在不同压力下粘附强度的变化，发现纤维柱直径为10μm且蘑菇状顶端直径＜27μm时范德华力起主导作用，排除了吸盘效应。2018年Hensel等人，保持所有其他尺寸不变，分别制造了厚度为1μm和5μm的PDMS蘑菇状纤维阵列（图1b），结果显示顶端厚度1μm相比5μm的干胶的粘附力高出4倍。2011年Carbone等人[8]分析了蘑菇状纤维表面的应力分布情况，如果顶端直径和厚度合适则界面应力分布均匀，无峰值和应力奇异点。故通过尺寸参数的调节，蘑菇状纤维消除应力奇异点和稳定界面缺陷方面的能力优于圆柱纤维。2016年Balijepalli等人[9]发现随着蘑菇状顶端直径的增大和厚度的减小，粘附强度增加。因此，宽而薄的蘑菇状顶端能提高原纤维的粘附强度，这与上文的研究结果相符。以上理论分析说明形状结构和尺寸设计对提高粘附强度有着重要的意义，为进一步的研究提供了新的见解。相比于高分子材料，以“自下而上”方法制备的碳纳米管可以得到具有很大长径比的阵列结构。目前，碳纳米管的制备方法有多种，主要包括：电弧放电法、激光蒸发法和化学气相沉积法。通过化学气相沉积法制备的垂直排列碳纳米管阵列结构可控，粘附性能优良，微米级的碳纳米管束和纳米级的单根碳纳米管层级结构与壁虎脚掌的刚毛束、绒毛匙突具有尺度、结构相似性，因此非常适合制备高强度的可逆的纤维粘附材料[10]。Qu等人[11] 制备了具有顶端缠绕结构的垂直定向多壁碳纳米管阵列，具有明显的各向异性，它的法向粘附力只有10 N/cm2，而切向粘附力达到了100N/cm2（图2），是壁虎脚掌粘附力的10倍。Ge等人[12]在硅基底上制备图形化的碳纳米管阵列，将合成的碳纳米管图案转移到柔性胶带(3M透明胶带)上后，切向粘附力达到了36 N/cm2 ，而且在粘/脱附循环测试中，碳纳米管仿壁虎胶带比普通的3M胶带展现出更加优异的稳定性，可以在1000次粘/脱附循环中保持粘附强度稳定（图3）。Sethi等人[13]探究了图案化的垂直排列多壁碳纳米管阵列的自清洁性能，他们得到的碳纳米管结构表面显示出超疏水性(静态接触角155±30°)。通过水洗和微振动接触等清洁方法，发现图案化的仿壁虎胶带，在云母表面上的切向钻附强度可恢复至原来的60~90%。Xu等人[14]制备了在较大温度范围内（-196℃~1033℃）具有恒定粘弹性的结构化碳纳米管材料。随后他们又设计了一种具有束状顶部节点的垂直排列双壁碳纳米管阵列（图4），结果显示其在一定温度范围内（-190.7℃~1033℃）具有温度增强的粘附特性，粘附强度提高了6倍以上，高达143 N/cm2[15]。Chen等人[16]研究了填充密度和表面粗糙度对垂直排列碳纳米管阵列粘附特性的影响。在较小填充密度范围内(5%-30%)，其粘附强度随着密度增加而增大；但是在较高的填充密度(70%)下，其粘附力几乎完全丧失。而增加阵列的表面粗糙度会增强法向的粘附力，但会削弱剪切方向的粘附力。Rong等人[17]将碳纳米管阵列转移到聚合物阵列顶端，得到了具有双层分级结构的粘附材料。该粘附材料由微米级尺寸的聚合物阵列和纳米尺寸的碳纳米管阵列分级构成。两种仿壁虎干胶各有优势，高分子仿壁虎干胶的结构可设计性强、循环使用性能好；而碳纳米管仿壁虎干胶具有更强的粘附力和更好的力学性能和热、电性能，能赋予干胶更多功能。基于两种材料的干胶各有优点，可利用各自的优势应用于合适的领域中。故本课题从壁虎粘附系统的优势出发，基于高分子和碳纳米管仿壁虎干胶的性能特点，分别综述了高分子仿壁虎干胶和碳纳米管仿壁虎干胶的设计准则。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容 壁虎在自然界几乎所有表面上都呈现出非常牢靠的粘附力，研究发现壁虎脚掌复杂的分级结构保证了此等优异的粘附性能。。受壁虎脚掌粘附系统的启发，仿壁虎干胶主要设计为纤维阵列结构，其粘附性能与纤维阵列的结构密切相关。目前，高分子和碳纳米管(CNT)两种材料是用来制备仿壁虎干胶的两大材料。本文从干胶结构单元的设计、接触形状/形式的设计和整体结构的设计三个方面，分别对高分子和碳纳米管仿壁虎干胶的设计准则进行综述。2.2 研究目标（1）掌握制备高分子纤维阵列和碳纳米管纤维阵列的基本原理和方法。（2）从干胶结构单元的设计、接触形状/形式的设计和整体结构的设计三个方面，综述高分子和碳纳米管仿壁虎干胶的设计准则。（3）总结和对比两种仿壁虎干胶设计准则的异同之处。2.3 技术方案（1）阅读研究壁虎粘附系统的相关文献，整理出壁虎粘附的粘附机制、粘附模型和脱附模型，更好的理解壁虎粘附的来源。（2）基于壁虎粘附系统的粘附机制，从干胶结构单元的设计（纤维的直径、长径比和密度）、接触形状的设计（蘑菇状和不对称形状）和整体结构的设计（倾斜结构、分级结构）三个方面，整理总结高分子仿壁虎干胶的设计准则。（3）从干胶结构单元的设计（纤维直径、高度和密度）、接触形式的设计（点接触、线接触和纳米互锁）和整体结构的设计（分级结构和图案化）三个方面，来整理总结碳纳米管仿壁虎干胶的设计准则。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅壁虎粘附系统相关文献资料，完成英文翻译。

明确研究内容，了解研究的背景与基础，设计出行文思路，并完成开题报告。

第4－6周：按行文思路，阅读高分子仿壁虎干胶的相关文献，并进行整理与总结出干胶设计准则。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]AUTUMN K, SITTI M, LIANG Y C A, et al. Evidence for van der waals adhesion in gecko setae [J]. Proceedings Of the National Academy Of Sciences Of the United States Of America,2002,99(19):12252-12256.[2]SAMEOTO D, MENON C. Recent advances in the fabrication and adhesion testing of biomimetic dry adhesives [J]. Smart Materials and Structures,2010,19(10).[3]BOESEL L F, GREINER C, ARZT E, et al. Gecko-inspired surfaces: A path to strong and reversible dry adhesives [J]. Adv Mater,2010,22(19):2125-2137.[4]HU S, XIA Z, DAI L. Advanced gecko-foot-mimetic dry adhesives based on carbon nanotubes [J]. Nanoscale,2013,5(2):475-486.[5]MURPHY M P, AKSAK B, SITTI M. Gecko-inspired directional and controllable adhesion [J]. Small,2009,5(2):170-175.[6]CHEUNG E, SITTI M. Enhancing adhesion of biologically inspired polymer microfibers with a viscous oil coating [J]. Journal Of Adhesion,2011,87(6):547-557.[7]DAVIES J, HAQ S, HAWKE T, et al. A practical approach to the development of a synthetic gecko tape [J]. International Journal Of Adhesion And Adhesives,2009,29(4):380-390.[8]CARBONE G, PIERRO E, GORB S N. Origin of the superior adhesive performance of mushroom-shaped microstructured surfaces [J]. Soft Matter,2011,7(12).[9]BALIJEPALLI R G, BEGLEY M R, FLECK N A, et al. Numerical simulation of the edge stress singularity and the adhesion strength for compliant mushroom fibrils adhered to rigid substrates [J]. International Journal of Solids and Structures,2016,85-86160-171.[10]MARTíN-PALMA R J, LI Y, ZHANG H, et al. 2013. Adhesion performance of gecko-inspired flexible carbon nanotubes dry adhesive [M], Bioinspiration, Biomimetics, and Bioreplication 2013.[11]QU L T, DAI L M, STONE M, et al. Carbon nanotube arrays with strong shear binding-on and easy normal lifting-off [J]. Science,2008,322(5899):238-242.[12]GE L, SETHI S, CI L, et al. Carbon nanotube-based synthetic gecko tapes [J]. Proceedings Of the National Academy Of Sciences Of the United States Of America,2007,104(26):10792-10795.[13]SETHI S, GE L, CI L, et al. Gecko-inspired carbon nanotube-based self-cleaning adhesives [J]. Nano Letters,2008,8(3):822-825.[14]XU M, FUTABA D N, YUMURA M, et al. Carbon nanotubes with temperature-invariant creep and creep-recovery from -190 to 970 degrees c [J]. Adv Mater,2011,23(32):3686-3691.[15]XU M, DU F, GANGULI S, et al. Carbon nanotube dry adhesives with temperature-enhanced adhesion over a large temperature range [J]. Nat Commun,2016,713450.[16]CHEN B G, ZHONG G F, OPPENHEIMER P G, et al. Influence of packing density and surface roughness of vertically-aligned carbon nanotubes on adhesive properties of gecko-inspired mimetics [J]. Acs Applied Materials Interfaces,2015,7(6):3626-3632.[17]RONG Z X, ZHOU Y M, CHEN B A, et al. Bio-inspired hierarchical polymer fiber-carbon nanotube adhesives [J]. Advanced Materials,2014,26(9):1456-1461.