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西安交大邵金友、田洪淼團隊《Adv. Funct. Mater.》：開發(fā)出適用于低溫的電熱變剛度粘附結構
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/負表面上自由攀爬，表現出卓越的攀爬能力。受這些動物的生物粘附性能的啟發(fā)，仿生干粘附結構被開發(fā)并在近二十年內取得諸多進展，在攀爬機器人、抓取和操作機器人、自粘附柔性電子器件等方面被廣泛應用。盡管針對極端環(huán)境（低壓、高溫、強輻射）的干粘附結構取得了一些實質性進展，但在低溫環(huán)境（太空和極地）中的強粘附性能卻很少實現。開發(fā)具有優(yōu)異低溫粘附性能的干粘附結構仍然是其工程應用的挑戰(zhàn)性難題。


基于變剛度的電熱干粘附結構


  近期，西安交通大學邵金友、田洪淼團隊提出了一種基于變剛度的電熱干粘附結構（EDA）。不同于傳統的由硅橡膠制備的粘附結構，該粘附結構由炭黑參雜的硅橡膠通過模塑工藝制備而成。基于粘附材料的電熱效應，其自身溫度和剛度可以通過控制外加電壓來調節(jié)，這賦予了電熱粘附結構在軟狀態(tài)和硬狀態(tài)之間可逆切換的能力。根據軟接觸-硬抓取的粘附策略（即在軟狀態(tài)下接觸，在硬狀態(tài)下抓。，所提出的電熱干粘附結構在低至-90℃的溫度下表現出1063 kPa的卓越粘附性能。當粘附結構在低溫環(huán)境中接近目標表面時，結構剛度調整為軟狀態(tài)（施加電壓），以實現目標表面的共形接觸；在拾取目標物體時切換到硬狀態(tài)（移除電壓），以實現目標表面的高強度附著，如圖1所示。所提出的電熱干粘附結構在-90℃下的粘附強度超過1 MPa，是相同情況下傳統硅橡膠粘附結構粘附性能的3個數量級。相關研究成果以“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構設計思路


電熱干粘附結構的電熱性能


  粘附結構通過電壓調控，實現在低溫環(huán)境中粘附結構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，在4.8W的低加熱功率下，粘附結構溫度即可超過軟/硬狀態(tài)轉變溫度（-60℃），如圖2所示。優(yōu)異的電熱性能賦予了粘附結構在軟狀態(tài)和硬狀態(tài)之間可逆切換的能力，為實現低溫強粘附性能奠定了基礎。 


圖2 電熱粘附結構的電熱性能


剛度調控下的粘附增強機制及低溫粘附性能


  研究團隊建立了基于cohesive單元的力學模型，探究了剛度調控下的表面粘附增強機制，如圖3所示。在接觸期間，軟狀態(tài)的蘑菇形微結構可以產生足夠的形變，以實現目標表面的共形接觸；在分離期間，高彈性模量有利于產生更平坦的界面應力分布，硬狀態(tài)的蘑菇形微結構和目標表面之間的界面裂紋從接觸區(qū)域中心產生并迅速向四周擴展，直至整個界面完全分離。相比于純軟的蘑菇形結構和純硬的蘑菇形結構，軟-硬狀態(tài)的（即軟接觸-硬分離）蘑菇形結構表現出最優(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)的電熱干粘附結構在-60℃ ~ -90℃下的粘附性能超過770 kPa，是相同情況下傳統硅橡膠粘附結構粘附性能的兩個數量級以上，如圖4所示。此外，相比于已報道的各種硅橡膠基的粘附結構和水凝膠基粘附材料，所提出的電熱粘附結構在低溫粘附性能和最低操作溫度方面都表現出顯著優(yōu)勢。 


圖3 電熱粘附結構的粘附增強機制


圖4 電熱粘附結構的低溫粘附性能


粘附操縱展示


  研究團隊將電熱粘附結構集成到高低溫試驗設備中，成功實現了在-90℃低溫下對各種材質物體的抓取操作，如圖5所示。粘附結構僅在接觸期間需要供能，隨后轉變?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構的物體操縱展示


小結


  邵金友、田洪淼團隊長期致力于微納結構界面仿生粘附相關研究，已經在界面粘附機制、仿生粘附結構制備、智能機器人開發(fā)等領域做出大量創(chuàng)新性工作。本研究所提出的基于變剛度的電熱粘附結構，利用粘附材料的電熱效應實現軟狀態(tài)和硬狀態(tài)之間的可逆切換，將仿生干粘附結構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℃。本研究有望促進仿生干粘附在低溫環(huán)境（太空、極地等）中的應用，例如在軌抓取、制冷技術中的低溫操作等。


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

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（責任編輯：xu）
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