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摘 要

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，这种优异的粘附性能引起了科研工作者的注意，研究发现壁虎脚掌复杂的分级结构（薄片-刚毛-分叉-刮刀）保证了此等优异的粘附性能。分级结构使得壁虎脚掌与目标表面之间紧密接触，脚掌末端与目标表面之间产生了范德华力，因此获得了可靠的粘附力。受壁虎粘附系统的启发，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。材料、单根纤维的尺寸参数和整个纤维阵列的结构通过影响干胶与目标表面的接触面积，最终影响干胶的粘附性能，结构参数与粘附性能之间的关系可凝练为干胶设计准则，这可为之后干胶的设计提供指导。本文对仿壁虎干胶的设计准则进行了全面的综述。首先，介绍了壁虎粘附系统的粘附机制以及基于壁虎粘附所建立的粘/脱附模型。然后，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了综述。

关键词：壁虎粘附；高分子；碳纳米管；仿壁虎干胶；设计准则

Abstract

Gecko have a reliable adhesive ability on almost all surfaces in nature, and this excellent adhesion has attracted the attention of researchers, who have found that the complex hierarchical structure of gecko feet (lamellae-setae-branches-spatulae) ensures such excellent adhesion. The hierarchical structure makes the gecko's feet closely contact with the target surface, so as to obtain a reliable adhesion force. Inspired by the gecko adhesion system, the gecko-inspired dry adhesive is mainly designed as a fiber array structure, and its adhesion is closely related to the structure of the fiber array.

At present, polymer and carbon nanotube (CNT) materials have been developed to create gecko-inspired dry adhesives. The material, the structural parameters of the single fiber and the overall structure of the fiber array affect the adhesion property through affecting the contact area. The relationship between structural parameters and adhesive property can be condensed into the design criterion of dry adhesive, which can offer guidance for the subsequent design of dry adhesive. This paper reviews the design criterion of imitation gecko dry adhesive. Firstly, the research progress of gecko adhesion system from adhesion mechanism to gecko adhesion/detachment model is introduced. Then, the design of polymer and carbon nanotube gecko-inspired dry adhesive are comprehensively reviewed according to the three aspects: the design of dry adhesive structural unit, the design of contact shape/form and the design of overall structure.

Key Words：gecko adhesion；polymer；carbon nanotube；gecko-inspired dry adhesive; design criteria

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 壁虎粘附的研究概况 2

1.2.1 壁虎刚毛的粘附机制 2

1.2.2 壁虎刚毛的粘附模型 2

1.2.3 壁虎刚毛的脱附模型 5

1.3 仿壁虎干胶的研究概况 6

1.3.1 高分子仿壁虎干胶 6

1.3.2 碳纳米管仿壁虎干胶 7

第2章 高分子仿壁虎干胶的设计准则 8

2.1 干胶结构单元的尺寸参数设计 8

2.2 干胶接触形状的设计 11

2.3 干胶整体结构的设计 13

第3章 碳纳米管仿壁虎干胶的设计准则 15

3.1 干胶结构单元的尺寸参数设计 15

3.2 干胶接触形式的设计 17

3.3 干胶整体结构的设计 18

第4章 两种干胶材料的对比与总结 22

4.1 两种干胶设计准则的差异性 22

4.2 仿壁虎干胶设计准则的总结 22

参考文献 25

致 谢 28

绪论

引言

粘附材料是现代生活与科技的重要组成部分，可以可靠地将两个不同的对象彼此连接。传统的粘附材料（如化学胶水和压敏胶(PSA)等）存在易污染、耐久性和可逆性差等问题，不能满足高精尖领域的需求。因此，设计出一种强粘附、易脱附，具有一定功能性的粘附材料，有重要的意义。

自然界中生物的强粘附/易脱附特性，启发了仿生粘附材料的设计。壁虎、昆虫和树蛙等生物均具有动态的粘/脱附能力，能够在任意表面上自由移动。其中壁虎的质量最大，是所有爬行动物和昆虫中粘附性能最好的生物。壁虎的粘附具有以下特征：（1）表面适应性；（2）高粘附力/预压力比（高粘附系数）；（3）各向异性粘附；（4）自清洁性。由于这些优异的特性，人们对壁虎的结构和粘附机制展开了大量的研究。

直到二十世纪50年代电子显微镜的出现，人们才探究到壁虎优异的粘附性能得益于其脚掌上复杂的分级结构。壁虎脚掌上有成千成万个具有相似取向的刚毛组成刚毛阵列（图1.1(c)），刚毛的平均直径为~5 μm，平均长度为~110 μm，由β-角质蛋白（杨氏模量大约是1~3 Gpa）组成^[1]；每根刚毛分裂为数百个纳米级的分叉（图1.1(e)），每个分叉又具有许多刮刀状的末端结构。刮刀的顶端宽为0.2~0.3 μm，长为~0.5 μm，厚度为~0.01 μm。由于这种结构，壁虎可以与各种表面紧密接触，从而表现出优异的粘附能力^[2]。

图1.1 壁虎粘附系统的层次结构：(a)攀爬垂直玻璃表面的托卡壁虎的腹面视图；(b)壁虎脚掌腹面视图；(c)壁虎刚毛阵列；(d)单个壁虎刚毛的低温SEM图像；(e)单个壁虎刚毛的数百个刮刀状顶端^[1]

近二十年来，壁虎粘附系统的研究逐渐升温，使得仿壁虎干胶成为重要的研究课题。受壁虎粘附系统的启发，仿壁虎干胶可以分为基于高分子的干胶和基于碳纳米管的干胶。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^[3]。综合来说，仿壁虎干胶循环使用性能好、粘附强度高、耐久性好，其粘附性能要优于传统的粘附材料，是一种环境友好的粘附材料。

壁虎粘附的研究概况

壁虎刚毛的粘附机制

一个半世纪以来，研究人员致力于探究壁虎刚毛强粘附力的粘附机制。他们提出了几种假设来解释这种优异的粘附性能，如纳米互锁、静电相互作用、真空吸附、毛细力和范德华力等。这些假设大多被实验所被排除，其中范德华力^[4]和毛细力^[5]被认定为壁虎的主要粘附机制。

2000年，Autumn等人^[6]使用微机电力系统测试了单个壁虎刚毛的粘附力，测得的最大剪切粘附力为~200 μN。通过计算，单个壁虎脚掌的粘附强度远高于1 atm，该结果表明粘附的主要来源不是真空吸附。同时所测得的粘附力在范德华力的计算范围内，初步证明范德华力是主要粘附机制。随后，他们选择亲水的SiO₂表面和疏水的GaAs表面作为目标表面，在宏观（脚掌）和微观（刚毛）尺度下分别测量了粘附力^[4]。结果如图1.2所示，壁虎脚掌和刚毛在两个表面上具有相当粘附力，进一步排除了毛细力的主导作用，证明了范德华力是壁虎粘附的主要来源。

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