KMS Lanzhou Institute of Chemical Physics，Chinese Academy of Sciences
| 增材制造仿生各向异性摩擦表界面与器件研究 | |
| Alternative Title | 无 |
| 姬忠莹 | |
| Thesis Advisor | 王晓龙 |
| 2019-05-27 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 工学博士 |
| Department | 固体润滑国家重点实验室 |
| Degree Discipline | 材料学 |
| Keyword | 摩擦各向异性 仿生取向结构表界面 3D打印 执行器件 增材制造 Frictional anisotropy Biomimetic surfaces/interfaces with topographically oriented structures 3D printing Actuation devices Additive manufacturing |
| Abstract | 基于表界面取向结构的各向异性摩擦广泛存在于自然界中，其在自然生物的运动、捕食、繁衍等行为中扮演着重要角色。因此，研究仿生表界面摩擦各向异性，对于理解生物表界面摩擦机制、发展仿生材料与器件并拓展其在工程领域的应用，具有十分重要的意义。本论文以各向异性摩擦表界面为主线，首先综述了仿生各向异性摩擦表界面的研究进展，然后选取了生物界典型的勾状倒刺结构为研究和仿生对象，借助光固化增材制造（亦称3D打印）在自由设计和快速制造方面的独特优势，构筑了一系列的仿生取向结构表界面，并系统研究了自然和仿生表界面的摩擦各向异性行为及其与仿生表界面构筑材料软硬度密切相关的摩擦自适应性；同时，从材料设计的角度出发，将智能响应材料引入到仿生表界面中实现了其各向异性摩擦行为调控，并以此为基础，发展了一系列基于各向异性摩擦表界面的智能控制和执行器件，实现了定向驱动、远程光控释放以及器件往返移动等功能。主要研究内容和结论如下： 1.3D打印仿生取向结构表界面及其摩擦各向异性行为研究。受马面鱼鱼皮的勾状倒刺微结构启发，采用数字光处理3D打印技术制备了具有高度一致的取向结构表界面，并系统研究了马面鱼鱼皮及3D打印仿生表界面的摩擦各向异性行为。为更好的模仿马面鱼鱼皮硬结构-软基底的结合方式，将3D打印的勾状倒刺结构嵌入到柔弹性的聚二甲基硅氧烷（PDMS）中，制备了软硬复合仿生表界面，系统研究了表界面结构的倾斜角度、支撑层的曲率、微结构的密度、PDMS基底厚度、以及摩擦对偶的粗糙度对软硬复合表界面摩擦学产生的影响。结果表明，相对于直接打印构筑的全硬质结构表界面，软硬复合的仿生表界面具有更低的摩擦力以及更接近于马面鱼鱼皮的摩擦曲线，表明软硬复合取向结构表界面在各向异性摩擦学方面独特的优势。 2.3D打印仿生取向结构表界面摩擦自适应性研究。为利用3D打印技术一步制备软结构-软基底的仿生表界面，首先发展了一种具有高机械强度与高回弹性的3D打印柔弹性墨水，其固化后的抗拉强度14.1MPa，断裂伸长率245.0%，在拉伸200%、恢复时间为30min时，能够恢复到初始状态的90.85%。利用该柔弹性树脂构筑了软结构-软基底的仿生取向结构表界面，并与硬结构-软基底的软硬复合表界面进行对比，系统研究了仿生取向结构表界面的摩擦自适应性行为。结果表明，软硬复合的表界面图案在低载荷和高载荷的情况下，其摩擦各向异性均会消失；而软结构-软基底组合的表界面图案只有在合适的载荷下，其摩擦各向异性才会消失。 3.3D打印仿生取向结构表界面的各向异性摩擦行为调控。在仿生表界面的基底或结构/基底中引入光热Fe3O4纳米颗粒，构筑了具有光热响应性能的仿生取向结构表界面，并对其摩擦调控行为进行了系统研究。利用先3D打印再转移复制的方法，将仿生表界面的基底变成含有Fe3O4纳米颗粒的热塑性聚乳酸（PLA@Fe3O4），在近红外（NIR）光照下，Fe3O4纳米颗粒的光热效应使PLA@Fe3O4基底软化，从而使得仿生表界面由硬结构-硬基底转换为硬结构-软基底。相对应的，其摩擦力也能够随着基底的软化而快速的降低，从而实现NIR光控下的高低摩擦力的快速转换。另外，使用含有Fe3O4纳米颗粒的形状记忆聚合物（SMPs@Fe3O4）来构筑仿生表界面的取向结构，在NIR光照软化后的表界面能够降低摩擦力。同时，基于结构取向转变后的表界面在温度升高后，取向结构能够恢复到初始状态，从而获得截然不同的摩擦力，实现SMPs@Fe3O4复合表界面在温度、NIR光照下的摩擦调控。 4.基于仿生各向异性摩擦表界面的3D打印功能器件研究。利用仿生表界面取向结构产生的摩擦各向异性，在外部刺激下，表界面图案能够产生定向的驱动与螺旋。同时，在仿生表界面摩擦调控的基础上，不仅能够实现摩擦表界面的快速驱动（~19.7mms-1），而且在NIR光照条件下，实现了对器件的实时制动或降速，以及光控下的往返运动，表现出了一定的智能性。另外，基于3D打印水凝胶器件的复杂变形行为，探索了由水凝胶构成的取向结构表界面在仿麦芒定向驱动方面的应用。 |
| Other Abstract | 无 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/25302 |
| Collection | 中国科学院兰州化学物理研究所 |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 姬忠莹. 增材制造仿生各向异性摩擦表界面与器件研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2019. |
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