界面粘附
關(guān)注創(chuàng)建者：Linlie 創(chuàng)建時間：2022-06-09
界面粘附的實例教程
介紹
隨著觸摸屏的普及和基于電粘附的表面觸覺設(shè)備的商業(yè)化，捕捉手指
-設(shè)備界面內(nèi)的多物理現(xiàn)象及其交互的建模工具對于設(shè)計以較低成本實現(xiàn)更高性能和可靠性的設(shè)備至關(guān)重要。雖然電粘附已成功證明通過摩擦調(diào)制改變觸覺感知的能力，但手指-設(shè)備界面中的電粘附機制仍不清楚，部分原因是復(fù)雜的界面物理，包括接觸變形、毛細(xì)管形成、電場及其復(fù)雜的耦合尚未全面解決的影響。
摘要
最近，
德克薩斯農(nóng)工大學(xué)
Yuan Ma
博士
和
M. Cynthia Hipwell
教授
團(tuán)隊
提出了
一個多物理場模型，用于預(yù)測納米級手指-表面觸覺相互作用的摩擦力
。將納米級多物理現(xiàn)象結(jié)合起來研究納米紋理和表面能在觸摸界面中的影響。以宏觀摩擦力測量作為驗證，該模型進(jìn)
一步用于提出具有最大電粘附效應(yīng)和最小相對濕度和用戶排汗率敏感度的紋理。
該模型可以指導(dǎo)未來基于電粘附的表面觸覺設(shè)備和其他基于觸摸的人機界面的性能改進(jìn)
。相關(guān)論文以題為
Nanotexture Shape and Surface Energy Impact on Electroadhesive Human–Machine Interface Performance
發(fā)表在《
Advanced
Materials
》上。
主圖
圖1
納米結(jié)構(gòu)形狀和表面能對電粘附性能影響的示意圖。
a) 兩種紋理玻璃（樣品 A 和樣品 B）上的觸覺和摩擦示意圖，有和沒有疏水涂層，由皮膚和不同高度和不同表面能的納米粗糙之間的毛細(xì)管力引起。
展開 首先，仿生界面粘附是課題組目前主要的研究方向；其次，課題組里的老師同學(xué)們經(jīng)常會粘在一起討論課題；最后，課題組里的老師和同學(xué)們會把自己的課題跟自己粘在一起，時時處處談?wù)撟约旱恼n題，隨時可能解決課題中遇到的難題。
課題組主要從事仿生多尺度粘附可控界面材料的研究，揭示自然界中特殊的界面粘附現(xiàn)象與機制，設(shè)計與制備仿生多尺度界面材料，探索其在醫(yī)療健康、能源、環(huán)境、信息等領(lǐng)域的應(yīng)用。希望經(jīng)過課題組的努力，可以在仿生界面粘附方向上做出我們自己的特色，與國內(nèi)外同行一同在這一領(lǐng)域展開研究。
在研究道路上，什么是激發(fā)您內(nèi)心堅持與前進(jìn)的動力，成就感來自于什么？
回復(fù)：興趣與責(zé)任。讀研究生的時候主要是興趣，可以說是興趣驅(qū)動的創(chuàng)新性基礎(chǔ)研究。自2010年回國以來，自己帶領(lǐng)課題組一步步走來，感覺責(zé)任占的比重越來越大，最終興趣與責(zé)任并存。成就感主要是可以了解我們所處的這個世界，揭示自然的奧秘，發(fā)展有用的知識、材料和技術(shù)。
希望未來加入課題組的學(xué)生具備什么樣的品質(zhì)特征？
回復(fù)：好奇心以及敢于質(zhì)疑的勇氣。我希望未來加入課題組的學(xué)生對神奇的大自然充滿好奇心，渴望探求奇特現(xiàn)象背后的科學(xué)奧秘。另外，就是對書本上已有知識與規(guī)律要敢于提出自己的質(zhì)疑。隨著科技的發(fā)展，新發(fā)現(xiàn)、新材料與新技術(shù)一定會給書本上的知識帶來挑戰(zhàn)，不能死抱著書本上的“舊知識”不放，不敢提出自己的見解?？v觀整個科學(xué)發(fā)展史，革命性新技術(shù)的誕生往往是對“舊知識”的顛覆。
展開 圖4 含有不同含量、不同比表面積SiO2的85PLA/15EVA共混物的缺口沖擊強度
圖5 含有不同含量、不同比表面積SiO2的85PLA/15EVA共混物的拉伸性能:(a) 屈服強度和 (b) 楊氏模量
圖6給出了PLA/EVA共混物中界面選擇性分布SiO2的增韌機理。由于PLA與EVA部分相容，鏈段擴散不足以在界面處實現(xiàn)高密度的鏈纏結(jié)，導(dǎo)致界面粘附較差。因此，在PLA/EVA二元共混物和85PLA/15EVA/A380納米復(fù)合材料中，界面處容易引發(fā)不穩(wěn)定的裂紋，并沿界面面快速擴展(圖6a)，導(dǎo)致增韌效果較弱。SiO2可以吸附大量的PLA和EVA分子鏈(圖3)，作為物理交聯(lián)點增加鏈纏結(jié)密度，使PLA和EVA界面粘附增強，起到“橋梁作用”。界面處的SiO2 “橋”可以有效地防止裂紋的產(chǎn)生和擴展(圖6b)。另外，在受到外力作用下，界面分布的部分SiO2可以地被拉伸或拔出，而當(dāng)界面粘附力足夠強時，還有極少數(shù)的SiO2會發(fā)生斷裂(圖6b)。界面分布的SiO2的上述行為都促進(jìn)了PLA基體強烈的塑性變形和大量的能量耗散，從而大大提高了其沖擊韌性。SiO2納米粒子對分子鏈的吸附能力和界面處形成的鏈纏結(jié)密度隨其比表面積的增加而明顯增加(圖3)，因此，在同樣分布在界面的情況下，比表面積越高的增韌效率越好。
圖6 界面裂紋擴展機理示意圖：(a) 85PLA/15EVA、85PLA/15EVA/A380和(b) 85PLA/15EVA/A200、85PLA/15EVA/A50
該論文即將于Chinese Journal of Polymer Science印刷出版，張婷婷碩士研究生為本論文的第一作者，共同通訊作者為四川大學(xué)高分子學(xué)院的傅強教授和修昊博士。
展開 受此啟發(fā)，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員付俊團(tuán)隊發(fā)展了一種新策略，利用基底對凝膠形變的約束，積累彈性能，并利用界面不穩(wěn)定性實現(xiàn)能量的爆發(fā)性釋放，驅(qū)動水凝膠實現(xiàn)可控跳躍。
研究人員制備了粘土交聯(lián)和增強的溫敏雙層水凝膠（圖1a），通過調(diào)控材料配比，可調(diào)控各層的臨界相容溫度（LCST）（圖1b）。在反復(fù)升溫和降溫過程中，雙層凝膠因各層的溶脹/消溶脹性質(zhì)差異而發(fā)生可逆變形、卷曲（圖1c）。在此過程中，因溶脹程度差異而導(dǎo)致凝膠內(nèi)產(chǎn)生的彈性能得以緩慢釋放。
圖1 （a）雙層水凝膠的結(jié)構(gòu)示意圖，（b）凝膠各層平衡溶脹率隨溫度變化曲線，（c）雙層水凝膠可逆彎曲/伸展圖像
研究發(fā)現(xiàn)，納米復(fù)合凝膠在多種金屬基底上具有較強的粘附性，與鑄鐵、鋁、不銹鋼、銅基板之間的粘附能可分別達(dá)到17.6、12.8、12.8、7.6 J/m2（圖2）。將凝膠粘附在鋁基板上，可承受較大的拉力。在拉伸過程中，隨著凝膠發(fā)生形變，內(nèi)部不斷積累彈性能；當(dāng)凝膠內(nèi)積累的彈性能高于界面粘附能時，凝膠瞬間滑脫，并在40ms內(nèi)回彈（圖3）。
圖2 （a-b）納米復(fù)合水凝膠從鑄鐵、鋁、不銹鋼、銅基底上90°剝離的單位寬度力-位移曲線，（c）平均粘附能
圖3 納米復(fù)合水凝膠在鋁基板上的粘附與拉伸-回彈
研究人員巧妙地將溫度響應(yīng)行為與界面粘附特性結(jié)合，設(shè)計制作了具有棘齒結(jié)構(gòu)的金屬導(dǎo)軌，利用凝膠與金屬之間的黏附作用，通過棘齒結(jié)構(gòu)約束凝膠的形變。在升溫過程中，凝膠發(fā)生不對稱收縮，產(chǎn)生彎曲傾向；而導(dǎo)軌的棘齒結(jié)構(gòu)阻礙凝膠彎曲變形，凝膠內(nèi)部彈性能逐漸積累。當(dāng)彈性能超越界面黏附能，凝膠瞬間脫離導(dǎo)軌，彈性能快速釋放，驅(qū)動凝膠跳躍（圖4）。
展開 受此啟發(fā)，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員付俊團(tuán)隊發(fā)展了一種新策略，利用基底對凝膠形變的約束，積累彈性能，并利用界面不穩(wěn)定性實現(xiàn)能量的爆發(fā)性釋放，驅(qū)動水凝膠實現(xiàn)可控跳躍。
研究人員制備了粘土交聯(lián)和增強的溫敏雙層水凝膠（圖1a），通過調(diào)控材料配比，可調(diào)控各層的臨界相容溫度（LCST）（圖1b）。在反復(fù)升溫和降溫過程中，雙層凝膠因各層的溶脹/消溶脹性質(zhì)差異而發(fā)生可逆變形、卷曲（圖1c）。在此過程中，因溶脹程度差異而導(dǎo)致凝膠內(nèi)產(chǎn)生的彈性能得以緩慢釋放。
圖1 （a）雙層水凝膠的結(jié)構(gòu)示意圖，（b）凝膠各層平衡溶脹率隨溫度變化曲線，（c）雙層水凝膠可逆彎曲/伸展圖像
研究發(fā)現(xiàn)，納米復(fù)合凝膠在多種金屬基底上具有較強的粘附性，與鑄鐵、鋁、不銹鋼、銅基板之間的粘附能可分別達(dá)到17.6、12.8、12.8、7.6 J/m2（圖2）。將凝膠粘附在鋁基板上，可承受較大的拉力。在拉伸過程中，隨著凝膠發(fā)生形變，內(nèi)部不斷積累彈性能；當(dāng)凝膠內(nèi)積累的彈性能高于界面粘附能時，凝膠瞬間滑脫，并在40ms內(nèi)回彈（圖3）。
圖2 （a-b）納米復(fù)合水凝膠從鑄鐵、鋁、不銹鋼、銅基底上90°剝離的單位寬度力-位移曲線，（c）平均粘附能
圖3 納米復(fù)合水凝膠在鋁基板上的粘附與拉伸-回彈
研究人員巧妙地將溫度響應(yīng)行為與界面粘附特性結(jié)合，設(shè)計制作了具有棘齒結(jié)構(gòu)的金屬導(dǎo)軌，利用凝膠與金屬之間的黏附作用，通過棘齒結(jié)構(gòu)約束凝膠的形變。在升溫過程中，凝膠發(fā)生不對稱收縮，產(chǎn)生彎曲傾向；而導(dǎo)軌的棘齒結(jié)構(gòu)阻礙凝膠彎曲變形，凝膠內(nèi)部彈性能逐漸積累。當(dāng)彈性能超越界面黏附能，凝膠瞬間脫離導(dǎo)軌，彈性能快速釋放，驅(qū)動凝膠跳躍（圖4）。
展開 
界面粘附的最新內(nèi)容
在膠粘劑測試的微觀方面，特別是在剪切模量測試中，最重要的是接頭中應(yīng)力分布的均勻性以及膠粘劑/被粘物界面的粘附性。過去常假設(shè)加載接頭中的應(yīng)力均勻分布。如今，得益于有限元分析，這種假設(shè)被認(rèn)為不可信。這種新方法的其中一個影響，在ASTM D5656試驗中，表現(xiàn)為引入了剪切模量計算的修正因子，以考慮應(yīng)力分布的非均勻性。使用這些修正的主要問題是它們尚未被標(biāo)準(zhǔn)委員會正式批準(zhǔn)，因此其使用可能受到質(zhì)疑。
(a)照片顯示STC-2膜在各種襯底上具有優(yōu)異的自粘性,(b)自粘STC-2膜修復(fù)底物的照片,(c)照片和SAXS圖像顯示拉伸后界面的良好粘附性,(d)自粘STC-2膜與襯底界面的SEM圖像,(e)環(huán)氧漿料、STC-2、W-SPU及3。1:圖中為STC-2從基材上剝離(f) STC-2接觸分離1000次后的附著力(I-III:測試過程照片),(g)不同試樣的摩擦系數(shù)。
考慮到纖維的表面處理，它是用于提高基體和纖維以及其他組分之間的粘附和界面結(jié)合的重要過程[53] 。合成纖維具有優(yōu)良的機械性能，通常用作纖維增強聚合物的增強材料，但天然纖維也具有獨特的性能，可能有利于某些應(yīng)用中的復(fù)合材料。天然纖維密度較低，可以阻尼振動，并表現(xiàn)出鈍性斷裂行為 [54] 。表面處理的一種方法是對玄武巖纖維進(jìn)行鹽水處理，這增加了纖維的粗糙度和剪切強度。
混雜復(fù)合材料的性能取決于多種因素;這些因素包括纖維載荷、纖維的排列和取向、纖維的分散、纖維尺寸以及纖維與聚合物基體或基體之間的界面粘附?；旌峡梢酝ㄟ^結(jié)合合成纖維和合成纖維、合成纖維和天然纖維、天然纖維和天然纖維以及在增強聚合物復(fù)合材料中加入納米填料（如納米粘土、碳納米管、石墨片和金屬氧化物納米顆粒）來實現(xiàn)。
復(fù)合材料加工：
聚合物復(fù)合材料有許多加工技術(shù)。
當(dāng)填充物比聚乳酸更硬更強時，聚乳酸填充長絲的機械性能明顯低于基于填充物貢獻(xiàn)的理論預(yù)期的最大值，我們將這一缺陷主要歸因于聚乳酸和填充物之間的孔隙和不完善的界面粘附。
未填充和填充的SPs在增材制造中的現(xiàn)有和可能的應(yīng)用包括愛好、原型制作、教育、家具、醫(yī)藥/保健、建筑、施工、消費品、汽車和藝術(shù)。
傳統(tǒng)的熱接觸方法有幾個局限性，如TCR高，界面粘附性低，對外部壓力的要求高，以及光學(xué)透明度低。
另外，該類粘合劑具有一定的化學(xué)穩(wěn)定性和固化可控性，可通過涂覆/打印等方式實現(xiàn)更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計和界面強粘附。該策略豐富了高性能聚合物凝膠研究內(nèi)容，也為理解和發(fā)展界面高效粘接提供了參考路線。
同時，所制備的納米纖維膜在濕度誘導(dǎo)下還可實現(xiàn)在木片、塑料、紙片等界面的粘附，其黏附牢度與商用雙面膠相當(dāng)（圖2）。
圖2 不同濕度環(huán)境處理下（a）絲蛋白/石墨烯離子導(dǎo)體納米纖維膜的力學(xué)性結(jié)構(gòu)變化能與（b）內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化；（c，d）所制備的納米纖維膜的黏附性能。
此外，在斷裂表面上沒有發(fā)現(xiàn)間隙、空隙或拔出裂紋，這表明mCNC和NBR基體之間的界面粘附很強。因此，拉伸強度和韌性的同時增加也應(yīng)歸因于mCNC和NBR基質(zhì)之間相容性的改善。
西南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院碩士研究生蔣茂萍、華南理工大學(xué)Jia-hao Zhang為該成果的共同第一作者，西南大學(xué)黃進(jìn)教授和甘霖副教授、華南理工大學(xué)陳玉坤教授課題組曹黎明博士為通訊作者。
雖然電粘附已成功證明通過摩擦調(diào)制改變觸覺感知的能力，但手指-設(shè)備界面中的電粘附機制仍不清楚，部分原因是復(fù)雜的界面物理，包括接觸變形、毛細(xì)管形成、電場及其復(fù)雜的耦合尚未全面解決的影響。
摘要
最近，
德克薩斯農(nóng)工大學(xué)
Yuan Ma
博士
和
M.
