磁場(chǎng)力及膜曲率對(duì)磁敏感薄膜-基底界面黏附性能的影響與調(diào)控1)

韓明杰 彭志龍 姚 寅 張 博 陳少華

*(北京理工大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院,北京 100081)

?(北京理工大學(xué)輕量化多功能復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)

引言

界面普遍存在于各種材料、結(jié)構(gòu)和器件中,界面的力學(xué)性能直接影響著整體機(jī)構(gòu)或裝備的服役壽命和性能[1-2].界面黏附作為界面力學(xué)的前沿領(lǐng)域,由于在諸多領(lǐng)域的重要應(yīng)用一直吸引著研究人員的廣泛興趣.例如,在軍民領(lǐng)域均有迫切需求的新型攀爬裝置、微/納機(jī)電系統(tǒng)、柔性電子及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等.界面黏附性能的調(diào)控是實(shí)現(xiàn)上述領(lǐng)域的關(guān)鍵.因此,如何實(shí)現(xiàn)界面強(qiáng)黏附和易脫黏交替的可逆黏附功能,進(jìn)而設(shè)計(jì)出具有可逆黏附性質(zhì)的功能化表面一直是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界普遍關(guān)注的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題.

事實(shí)上,自然界一類爬行生物超強(qiáng)的黏附爬行能力很早就吸引了研究人員的廣泛關(guān)注[3],例如壁虎、蜘蛛、螞蟻、竹節(jié)蟲(chóng)等.該類生物不僅具有超強(qiáng)的黏附能力,而且能從墻壁上隨意脫黏,其天然的可逆黏附功能為科研人員研究界面黏附性能的調(diào)控提供了絕妙創(chuàng)新靈感.該類生物超強(qiáng)的黏附能力主要依賴于其精細(xì)黏附系統(tǒng)結(jié)構(gòu),黏附系統(tǒng)按照與物體表面接觸情況可分為兩類[4]:一類是毛發(fā)狀結(jié)構(gòu),例如壁虎、蜘蛛等腳掌具有多分級(jí)多纖維狀絨毛;一類為表面光滑結(jié)構(gòu),例如蚱蜢、竹節(jié)蟲(chóng)等腳掌為光滑表面.為了揭示壁虎等生物的黏附機(jī)理,研究人員開(kāi)展了大量的實(shí)驗(yàn)[3,5-7]、理論[8-10]及數(shù)值模擬工作[11-13].盡管不同生物的黏附系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同,實(shí)驗(yàn)已證實(shí)其主要黏附機(jī)理為范德華力[3,5]和毛細(xì)力[14-15].Chen等[16-17]以黏附接觸力學(xué)為基礎(chǔ),理論研究了壁虎黏附系統(tǒng)整體表現(xiàn)的各向異性和梯度特性,從宏觀上揭示了壁虎實(shí)現(xiàn)可逆黏附的機(jī)理.Gao 等[18]將壁虎最小黏附單元當(dāng)做柱狀纖維,理論發(fā)現(xiàn)了在微尺度領(lǐng)域與宏觀界面斷裂不同的缺陷不敏感現(xiàn)象.Artz等[19]和Varenberg 等[20]發(fā)現(xiàn)將一個(gè)大尺寸纖維細(xì)分成多個(gè)細(xì)小纖維,能明顯增強(qiáng)界面黏附性能.Peng等[11,21-23]注意到壁虎最小鏟狀黏附纖維的真實(shí)形狀類似于有限尺寸的納米薄膜,系統(tǒng)研究了仿生納米薄膜的黏附性能及主要影響因素,進(jìn)而揭示了壁虎可逆黏附的微觀力學(xué)機(jī)理.

受壁虎類生物黏附機(jī)理和黏附系統(tǒng)結(jié)構(gòu)啟發(fā),研究人員仿生制備了多種纖維陣列表面研究其黏附行為.Geim 等[24]研究了仿生壁虎足部的毛發(fā)結(jié)構(gòu),利用電子束微影和氧離子干刻蝕法制備了高彈聚酰亞胺纖維陣列,每平方厘米面積可負(fù)重3 N.Glassmaker 等[25-26]利用多孔硅模板制備PDMS 多纖維結(jié)構(gòu),并對(duì)其進(jìn)行接觸力學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其理論模型.Peressadko 和Gorb[27]用聚乙烯硅氧烷(polyvinylsiloxane,PVS)制備出仿壁虎腳的多纖維結(jié)構(gòu),并比較了該結(jié)構(gòu)與塊體材料在光滑玻璃上黏附性能,結(jié)果表明多纖維結(jié)構(gòu)能顯著提高界面黏附性能.del Campo等[28]實(shí)驗(yàn)比較了不同末端形狀纖維的黏附性能,發(fā)現(xiàn)蘑菇型纖維黏附力最強(qiáng),其次是鏟狀纖維.Greiner等[29]利用含有多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的模板制備出PDMS 二級(jí)纖維結(jié)構(gòu),首次從實(shí)驗(yàn)角度研究了多級(jí)纖維結(jié)構(gòu)對(duì)黏附的影響.Lee 等[30]和Jeong 等[31]實(shí)驗(yàn)研究了傾斜纖維陣列在基底上的黏附行為,發(fā)現(xiàn)界面切向黏附力具有方向依賴性.Murphy 等[32]利用多步制備的方法仿生制備出末端為蘑菇形狀的傾斜多級(jí)纖維結(jié)構(gòu).盡管目前在仿生黏附功能表面實(shí)驗(yàn)研究方面已取得了顯著進(jìn)展,但現(xiàn)有研究多關(guān)注于如何增強(qiáng)界面黏附,對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)界面可逆黏附的問(wèn)題,由于受實(shí)驗(yàn)技術(shù)的限制一直是研究的難點(diǎn).盡管如此,研究人員發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)改變界面實(shí)際接觸面積來(lái)調(diào)控界面黏附性能[33],目前通常采用兩種方法改變黏附表面接觸面積:一種制備楔形纖維陣列表面,在加載過(guò)程中(loading-drag-pull),楔形纖維彎曲大變形增大與基底的實(shí)際接觸面積可提高界面黏附力.當(dāng)外力撤去后楔形纖維恢復(fù)初始狀態(tài)實(shí)現(xiàn)界面輕松脫黏[34-36].研究人員通過(guò)研究楔形纖維陣列的黏附性能期望未來(lái)能設(shè)計(jì)新型攀爬或抓取裝置甚至在太空環(huán)境中應(yīng)用[37].此外,研究人員發(fā)現(xiàn)通過(guò)合理地引入外場(chǎng)(例如溫度場(chǎng)[38-39]、電場(chǎng)[40-41]、磁場(chǎng)[42-43]等)能有效改變纖維陣列表面形貌或材料性質(zhì),進(jìn)而改變界面有效接觸面積來(lái)調(diào)控界面黏附性能.其中,由于磁場(chǎng)在實(shí)驗(yàn)中易于實(shí)現(xiàn)成為研究人員普遍采取的一種方式.Drotlef 等[42]和Gillies 等[43]實(shí)驗(yàn)制備了含磁顆粒的纖維陣列表面,發(fā)現(xiàn)在外磁場(chǎng)作用下纖維能發(fā)生較大的彎曲變形,進(jìn)而改變與基底表面的界面接觸狀態(tài),實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)調(diào)控纖維陣列表面的界面黏附強(qiáng)度.

盡管仿壁虎多纖維陣列結(jié)構(gòu)相比于平表面能產(chǎn)生更強(qiáng)的黏附力[27],但是多纖維陣列結(jié)構(gòu)的黏附性能嚴(yán)重依賴于材料和幾何性質(zhì)(纖維尺寸必須為微米甚至納米尺度、大長(zhǎng)細(xì)比、較高的面密度等)[44],制備技術(shù)和過(guò)程復(fù)雜(要求高端精細(xì)的微納制造設(shè)備),成本較高且制備的樣品尺寸較小,嚴(yán)重制約了在實(shí)際工程的應(yīng)用.與壁虎多纖維黏附系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同,螞蟻、竹節(jié)蟲(chóng)、蚜蟲(chóng)等生物依靠較為平滑的爪墊同樣能在物體表面實(shí)現(xiàn)高效的可逆黏附功能[7,45-46],該類生物依靠往其囊狀中墊內(nèi)充放液體實(shí)現(xiàn)中墊的擴(kuò)張和收縮進(jìn)而改變中墊與物體表面的接觸形貌實(shí)現(xiàn)可逆黏附.仿生該類生物的平表面黏附結(jié)構(gòu),Carlson等[47]和Dening 等[48]實(shí)驗(yàn)制備了球狀薄膜結(jié)構(gòu),通過(guò)往其內(nèi)部充放氣體仿生生物中墊的擴(kuò)張和收縮,實(shí)現(xiàn)了仿生薄膜界面黏附性能調(diào)控.基于該黏附原理,Li 等[49]設(shè)計(jì)了一種仿生薄膜機(jī)械抓手,通過(guò)薄膜內(nèi)氣壓的控制實(shí)現(xiàn)了不同大小和形狀物體的拾取與釋放.受蚜蟲(chóng)黏附中墊啟發(fā),Linghu 等[50]實(shí)驗(yàn)制備了仿生薄膜結(jié)構(gòu)并將其固定于一空腔端部,通過(guò)往薄膜上方堆放磁顆粒,在磁場(chǎng)作用下薄膜變形為具有一定曲率的結(jié)構(gòu),且薄膜變形大小可以通過(guò)改變磁場(chǎng)強(qiáng)度任意控制,實(shí)現(xiàn)了薄膜與基底界面黏附性能的磁場(chǎng)調(diào)控,并將其應(yīng)用于轉(zhuǎn)印.Xie 和Xiao[51]利用形狀記憶聚合材料制備了具有初始曲率的薄膜結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)外界溫度的變化可實(shí)現(xiàn)薄膜與基底點(diǎn)接觸和面接觸等不同的接觸狀態(tài),通過(guò)界面接觸構(gòu)型的改變來(lái)調(diào)控界面黏附性能.

由以上研究可以看出,無(wú)論對(duì)于仿生多纖維陣列表面還是仿生無(wú)初始曲率的薄膜結(jié)構(gòu)均可以通過(guò)改變接觸構(gòu)型實(shí)現(xiàn)界面強(qiáng)黏附和易脫黏的調(diào)控.目前對(duì)于仿生多纖維陣列表面已有系統(tǒng)研究,但由于微尺度纖維陣列表面制備工藝復(fù)雜限制了在實(shí)際工程的應(yīng)用.仿生無(wú)初始曲率的薄膜結(jié)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)中易于制備,但對(duì)于其界面附性能調(diào)控的研究目前僅局限于通過(guò)不同方法發(fā)現(xiàn)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.外場(chǎng)尤其是磁場(chǎng)作為一種調(diào)控仿生薄膜與基底界面接觸形貌的簡(jiǎn)單方法目前還鮮有研究[50-51],而且磁場(chǎng)調(diào)控仿生薄膜界面可逆黏附的機(jī)理仍不清楚.

針對(duì)以上問(wèn)題,本文提出了一種磁場(chǎng)調(diào)控仿生薄膜界面黏附性能的方法,通過(guò)引入磁感應(yīng)薄膜的初始曲率,當(dāng)薄膜與基底完全接觸時(shí),無(wú)磁場(chǎng)作用下薄膜內(nèi)儲(chǔ)存的彎曲應(yīng)變能將克服界面能,甚至使薄膜發(fā)生自發(fā)脫黏;當(dāng)施加磁場(chǎng)時(shí),作用在磁感應(yīng)薄膜上的磁場(chǎng)力能阻止薄膜初始變形的恢復(fù),抑制儲(chǔ)存在其內(nèi)部彎曲能的釋放,實(shí)現(xiàn)界面強(qiáng)黏附.進(jìn)一步基于能量原理,理論揭示了磁場(chǎng)和薄膜初始構(gòu)型調(diào)控界面黏附性能的機(jī)理,并基于該機(jī)理設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易的黏附機(jī)械裝置.本文結(jié)果不僅提供了一種實(shí)現(xiàn)調(diào)控薄膜界面黏附性能的方法,而且對(duì)設(shè)計(jì)新型可逆黏附的功能表面提供了理論基礎(chǔ).

1 實(shí)驗(yàn)樣品制備及界面黏附性能測(cè)試

本文采用聚二甲基硅氧烷聚合物(PDMS,Sylgard 184,美國(guó)道康寧公司) 制備磁感應(yīng)薄膜,首先將PDMS 基液與固化劑以質(zhì)量比10:1 進(jìn)行充分混合后置于真空箱中30 min 去除其中的氣泡.然后將平均直徑為50 μm 的羰基鐵粉(CIP,河北樂(lè)伯金屬材料科技有限公司)以1:2 的質(zhì)量比添加到PDMS預(yù)聚液中,隨后將Fe/PDMS 混合液放置于行星式離心真空攪拌機(jī)(Thinky Planetary Vacuum Mixer ARV-310)中以1000 r/min 的速度攪拌6 min,使羰基鐵粉在PDMS 液體中均勻分布并將混合液中的多余氣泡充分排出.利用刮膜器進(jìn)行磁感應(yīng)平薄膜制備,設(shè)置薄膜厚度為1.5 mm,寬度為17.5 mm,并將其置于真空干燥箱中(45°C)保持8 h 使Fe/PDMS 混合液完全固化.為了得到含有初始曲率的磁敏感薄膜,將制備的含有鐵粉的PDMS 薄膜與預(yù)先準(zhǔn)備的具有不同等曲率的聚氯乙烯(PVC)薄膜利用壓敏膠黏結(jié)在一起.為了增強(qiáng)薄膜與基底表面的界面黏附力,PVC 薄膜與玻璃基底接觸的一面同樣涂了一層壓敏膠,如圖1所示.

圖1 (a)具有初始曲率的磁敏感薄膜示意圖;(b)實(shí)驗(yàn)制備的含有初始曲率的磁敏感薄膜Fig.1 (a)Schematic of magnetic sensitive film with initial curvature;(b)Magnetic sensitive film with initial curvature fabricated in experiment

目前研究人員已發(fā)展多種方法表征薄膜/基底系統(tǒng)的界面黏附性能,其中撕脫法(peel-test) 由于操作簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)中易于實(shí)現(xiàn)成為被廣泛采用的一種方法[52-53].本文同樣采用薄膜撕脫實(shí)驗(yàn)(撕脫角為90°)來(lái)表征界面黏附性能,使用專門配備撕脫夾具的材料試驗(yàn)機(jī)(Instron 2367) 進(jìn)行撕脫實(shí)驗(yàn)(見(jiàn)圖2),采用位移加載模式,加載速率為0.2 mm/s,傳感器量程為5 N (美國(guó)Transducer Techniques,GSO-500,精度為5 mN).基底采用光滑的玻璃表面.為了研究磁場(chǎng)對(duì)磁敏感薄膜界面黏附性能的影響,使用長(zhǎng)方形永磁體(10 cm×10 cm×4 cm)引入磁場(chǎng)作用,將永磁體置于玻璃基底下方,薄膜處的磁場(chǎng)強(qiáng)度可以通過(guò)調(diào)節(jié)永磁體與玻璃基底的距離改變[54],由于永磁體尺寸遠(yuǎn)大于薄膜尺寸,薄膜距離永磁體相同高度處磁場(chǎng)強(qiáng)度可近似認(rèn)為均勻分布.

圖2 磁場(chǎng)作用下薄膜撕脫實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Experimental set-up of peel-test with the action of magnetic field

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 初始曲率對(duì)薄膜界面黏附性能的影響

為了研究薄膜初始曲率對(duì)界面黏附性能的影響,制備了厚度相同曲率分別為ρ=1/60 mm-1,1/45 mm-1,1/20 mm-1及無(wú)曲率(ρ=0) 的磁感應(yīng)薄膜,首先通過(guò)相同的預(yù)壓力使具有不同初始曲率的磁敏感薄膜與基底完全接觸,分別在有磁場(chǎng)(永磁體與玻璃基底距離為零) 和無(wú)磁場(chǎng)作用下開(kāi)展薄膜撕脫實(shí)驗(yàn).圖3(a) 所示為典型的薄膜撕脫力-位移曲線,每條曲線測(cè)量3 次取平均值.由圖3(a)可以看出,當(dāng)撕脫位移較小時(shí),撕脫力隨撕脫位移的增大而增大,當(dāng)撕脫位移增大到一定臨界值時(shí),撕脫力達(dá)到最大值并保持不變,此時(shí)薄膜進(jìn)入穩(wěn)態(tài)撕脫階段.本實(shí)驗(yàn)采用穩(wěn)態(tài)撕脫力表征薄膜與基底的界面黏附強(qiáng)度.無(wú)論有磁場(chǎng)作用還是無(wú)磁場(chǎng)作用下,薄膜與基底的穩(wěn)態(tài)撕脫力均隨著薄膜初始曲率的增大而減小;當(dāng)薄膜曲率一定時(shí),磁場(chǎng)作用下界面黏附強(qiáng)度明顯大于無(wú)磁場(chǎng)作用時(shí)界面黏附強(qiáng)度,如圖3(b)所示.這是因?yàn)榕c平薄膜相比,具有一定初始曲率的薄膜在預(yù)壓力作用下與基底完全接觸時(shí),薄膜內(nèi)儲(chǔ)存一定的彎曲應(yīng)變能,當(dāng)薄膜與基底脫黏時(shí),薄膜內(nèi)彎曲應(yīng)變能的釋放將克服界面黏附能,使界面更易脫黏.隨著曲率的增大,薄膜內(nèi)儲(chǔ)存的彎曲能增大,因此界面黏附力隨之減小.當(dāng)薄膜曲率一定時(shí),磁場(chǎng)的作用提供了額外磁場(chǎng)力作用于磁敏感薄膜,磁場(chǎng)力與撕脫力方向相反.因此,磁場(chǎng)作用下薄膜撕脫力始終大于無(wú)磁場(chǎng)作用時(shí)的撕脫力.

圖3 初始曲率對(duì)薄膜在無(wú)磁場(chǎng)和有磁場(chǎng)作用下界面黏附性能的影響Fig.3 Effect of the initial curvature on the interfacial adhesion with and without magnetic field

由圖3 可知,對(duì)于無(wú)初始曲率的薄膜與玻璃基底接觸時(shí),盡管磁場(chǎng)作用能進(jìn)一步增強(qiáng)界面黏附作用,但當(dāng)無(wú)磁場(chǎng)作用時(shí),平薄膜界面依然具有較強(qiáng)的黏附力(約為0.45 N).因此,對(duì)于無(wú)初始曲率的薄膜,僅通過(guò)磁場(chǎng)力的變化難以實(shí)現(xiàn)界面可逆黏附功能.當(dāng)薄膜引入初始曲率后,薄膜與基底完全接觸時(shí),薄膜內(nèi)儲(chǔ)存的彎曲應(yīng)變能將克服界面能,使界面黏附作用減弱,例如,當(dāng)薄膜曲率ρ=1/20 mm-1時(shí),無(wú)磁場(chǎng)作用下界面黏附力為0.04 N,為平薄膜黏附力的1/11.如果薄膜曲率進(jìn)一步增大,使薄膜內(nèi)儲(chǔ)存的彎曲應(yīng)變能大于界面能,此時(shí)薄膜將從基底上自發(fā)脫黏.當(dāng)施加外界磁場(chǎng)(永磁體與玻璃基底距離為零) 后,磁場(chǎng)將對(duì)磁感應(yīng)薄膜產(chǎn)生額外的磁場(chǎng)力,磁場(chǎng)力將抑制薄膜內(nèi)彎曲應(yīng)變能的釋放,使界面依然保持較強(qiáng)的黏附力,例如,薄膜曲率ρ=1/20 mm-1時(shí),在上述磁場(chǎng)作用下界面黏附力為0.3 N,與無(wú)磁場(chǎng)作用時(shí)無(wú)初始曲率的薄膜黏附力相當(dāng).由以上結(jié)果可知,可以通過(guò)外界磁場(chǎng)和薄膜初始曲率的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)界面黏附性能的調(diào)控,以及界面的黏附可逆.

2.2 彎曲剛度對(duì)薄膜界面黏附性能的影響

對(duì)于寬度相同的薄膜,彎曲剛度依賴于薄膜楊氏模量和厚度,本實(shí)驗(yàn)通過(guò)增大薄膜厚度來(lái)改變其彎曲剛度.分別制備了厚度為1.6 mm,1.7 mm 和1.8 mm 的無(wú)初始曲率的薄膜和具有初始曲率(ρ=1/60 mm-1) 薄膜,并測(cè)量了有磁場(chǎng)和無(wú)磁場(chǎng)作用下的薄膜的界面黏附性能,如圖4 所示.結(jié)果表明,與無(wú)初始曲率的薄膜不同,具有初始曲率薄膜的穩(wěn)態(tài)撕脫力無(wú)論在有磁場(chǎng)作用還是無(wú)磁場(chǎng)作用下均隨薄膜厚度的增大而減小.這是由于隨著薄膜厚度的增大薄膜彎曲剛度增大,當(dāng)薄膜與基底完全接觸時(shí),薄膜內(nèi)儲(chǔ)存的彎曲應(yīng)變能也隨著薄膜厚度的增大而增大,因此更易克服界面作用使薄膜脫黏.而對(duì)于無(wú)初始曲率的薄膜,無(wú)論有磁場(chǎng)作用還是無(wú)磁場(chǎng)作用下,薄膜穩(wěn)態(tài)階段的撕脫力隨著薄膜彎曲剛度(厚度)的增大基本保持不變,這是因?yàn)楫?dāng)薄膜進(jìn)入穩(wěn)態(tài)撕脫階段,薄膜構(gòu)型保持不變,在90°撕脫角下,撕脫力做功基本完全用于克服界面能,此時(shí)穩(wěn)態(tài)撕脫力大小等于界面黏附能[55].對(duì)于不同彎曲剛度的薄膜,界面作用完全相同,因此穩(wěn)態(tài)撕脫力基本保持不變.

圖4 彎曲剛度對(duì)平薄膜和具有初始曲率薄膜在無(wú)磁場(chǎng)和有磁場(chǎng)作用下界面黏附性能的影響.本實(shí)驗(yàn)通過(guò)變化薄膜厚度改變其彎曲剛度Fig.4 Effects of bending stiffness on the interfacial adhesion with and without magnetic field.Various bending stiffness is achieved by changing the film’s thickness in the present experiment

2.3 磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)薄膜界面黏附性能的影響

薄膜處磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化可以通過(guò)改變永磁體與玻璃基底的距離(距離越大磁場(chǎng)越弱) 實(shí)現(xiàn)[54].圖5 所示為當(dāng)薄膜厚度(1.7 mm) 和初始曲率(ρ=1/60 mm-1) 一定時(shí),界面黏附力隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化關(guān)系.由圖5 可以看出,薄膜的界面黏附力隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大.磁場(chǎng)強(qiáng)度越大,意味著施加在磁感應(yīng)薄膜上的額外磁場(chǎng)力越強(qiáng),由于磁場(chǎng)力與撕脫力方向相反,因此界面黏附力隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大.

圖5 磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)薄膜界面黏附性能的影響Fig.5 Effect of the magnetic strength on the interfacial adhesion

3 理論分析

3.1 理論模型

由以上實(shí)驗(yàn)可知,具有初始曲率的磁感應(yīng)薄膜與基底完全接觸時(shí),由于薄膜內(nèi)彎曲應(yīng)變能的存在將減弱界面相互作用,而通過(guò)施加外界磁場(chǎng)又能增強(qiáng)界面黏附.因此,可以通過(guò)合理控制外界磁場(chǎng)和薄膜初始構(gòu)型,實(shí)現(xiàn)薄膜界面黏附性能的調(diào)控.但目前對(duì)于磁場(chǎng)和薄膜初始構(gòu)型如何調(diào)控界面黏附性能仍缺乏相應(yīng)的理論研究.本文基于能量原理,對(duì)外界磁場(chǎng)和薄膜初始曲率的共同作用如何調(diào)控界面黏附性能的機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)理論分析.如圖6(a)所示,具有初始等曲率ρ 的磁感應(yīng)薄膜,長(zhǎng)度為L(zhǎng),厚度為h,楊氏模量為E.首先通過(guò)一定的預(yù)壓力使薄膜與基底完全接觸(圖6(b)),撤去預(yù)壓力,在薄膜右端施加豎直方向的撕脫力F,磁場(chǎng)作用下薄膜受到的磁場(chǎng)力用分布載荷q表示,如圖6(c)所示,由于實(shí)驗(yàn)中永磁體尺寸遠(yuǎn)大于薄膜尺寸,假設(shè)薄膜與永磁體距離不變時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度均勻分布,磁場(chǎng)力q僅隨薄膜與永磁體距離的變化而改變.隨著撕脫力F的增大,薄膜逐漸從基底上脫黏.分別引入直角坐標(biāo)系(x,y)和曲線坐標(biāo)系(s,θ),并使它們的原點(diǎn)o重合位于薄膜最左端,如圖6(d)所示,兩個(gè)坐標(biāo)系的關(guān)系滿足dx/ds=cos θ,dy/ds=sin θ.s為弧長(zhǎng),θ 為薄膜中性層任意點(diǎn)處切線與x軸的夾角.假設(shè)薄膜長(zhǎng)度L足夠長(zhǎng),使薄膜始終能進(jìn)入穩(wěn)態(tài)撕脫階段.已有研究表明,對(duì)于薄膜在90°撕脫時(shí),薄膜的拉伸變形可以忽略[55-56],因此本理論僅考慮了薄膜撕脫過(guò)程中的彎曲變形.在薄膜撕脫過(guò)程中任意時(shí)刻,系統(tǒng)總勢(shì)能為

圖6 磁場(chǎng)作用下磁敏感薄膜與剛性基底黏附的撕脫理論模型Fig.6 Theoretical model of a magnetic sensitive film peeling from a rigid substrate under the action the magnetic field

式(1)右側(cè)第一項(xiàng)表示薄膜彎曲應(yīng)變能,D=Eh3/12為薄膜彎曲剛度;第二項(xiàng)為等效的界面相互作用勢(shì),對(duì)于平薄膜與基底間的相互作用勢(shì),Needleman[57]提出了指數(shù)型函數(shù)形式

其中,Δγ 為平薄膜的界面黏附能,Tc為界面最大黏附強(qiáng)度.對(duì)于具有初始曲率的薄膜與基底完全黏附時(shí),薄膜內(nèi)儲(chǔ)存的彎曲能(Dρ2/2)將能克服界面黏附能.引入等效黏附能概念[22],Δγeff=Δγ-Dρ2/2,表征具有初始曲率的彎曲薄膜與基底的黏附作用.因此,式(2)可變形為

第三項(xiàng)表示磁場(chǎng)力勢(shì),對(duì)于永磁體在任意位置產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度可表示為[58-59],H(y)=A1/(d+y)3,其中A1表示磁場(chǎng)強(qiáng)度的常數(shù),d為永磁體與基底的距離.假設(shè)磁顆粒在薄膜內(nèi)均勻分布,薄膜受到磁場(chǎng)力可表示為[60]

其中,A=A1Br,Br為薄膜內(nèi)磁顆粒的剩磁.第四項(xiàng)為外力勢(shì);最后兩項(xiàng)為由于x和y與s和θ 的幾何關(guān)系額外引入項(xiàng),λ1和λ2為拉格朗日乘子.

通過(guò)系統(tǒng)的總勢(shì)能對(duì)θ 一階變分等于零,使系統(tǒng)總勢(shì)能最小,可得

結(jié)合相應(yīng)的邊界條件θ(0)=0,θ′(0)=0,θ′(L)=0,得到

式(6) 為在外界撕脫力作用下薄膜達(dá)到平衡的控制方程,式(7) 為邊界條件.上述方程組屬于典型的非線性常微分方程的邊值問(wèn)題,可以通過(guò)數(shù)值方法(例如打靶法)求解.

3.2 理論結(jié)果與討論

通過(guò)求解式(6),可以得到具有不同初始曲率的薄膜在有磁場(chǎng)(A/(L2Δγ)=15) 和無(wú)磁場(chǎng)(A=0)作用下的典型撕脫力-位移曲線,其他參數(shù)取值為L(zhǎng)/h=250,Eh/Δγ=5000,Tch/Δγ=3/50,如圖7(a)所示.可以看出理論結(jié)果與本文實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象定性一致,在薄膜撕脫的初始階段,撕脫力隨著撕脫位移的增大逐漸增大;當(dāng)薄膜進(jìn)入穩(wěn)態(tài)撕脫階段后,撕脫力保持不變.薄膜穩(wěn)態(tài)階段的撕脫力隨薄膜初始曲率的變化關(guān)系如圖7(b)所示.結(jié)果表明,無(wú)論在有磁場(chǎng)還是無(wú)磁場(chǎng)時(shí)薄膜穩(wěn)態(tài)階段的撕脫力均隨著薄膜初始曲率的增大而減小.當(dāng)初始曲率一定時(shí),磁場(chǎng)作用下的界面黏附力始終大于無(wú)磁場(chǎng)時(shí)的黏附力,與實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致.特別地,在無(wú)磁場(chǎng)作用下當(dāng)薄膜初始曲率增大到一臨界尺寸時(shí),界面黏附力趨于零,說(shuō)明此時(shí)薄膜將能從基底上發(fā)生自發(fā)脫黏.薄膜發(fā)生自發(fā)脫黏的臨界曲率可以通過(guò)薄膜內(nèi)儲(chǔ)存的彎曲應(yīng)變能等于界面黏附能,即Δγeff=Δγ-=0,得到ρcr=當(dāng)時(shí),說(shuō)明薄膜與基底完全接觸時(shí)儲(chǔ)存在薄膜內(nèi)部的彎曲應(yīng)變能始終大于界面黏附能,此時(shí)不需要施加外界撕脫力薄膜將從基底上自發(fā)脫黏;當(dāng)ρ ＜時(shí),雖然薄膜內(nèi)儲(chǔ)存的彎曲能不能完全克服界面能,與無(wú)初始曲率的平薄膜相比仍能一定程度地減弱界面作用,通過(guò)施加較小的撕脫力就能使界面脫黏.當(dāng)施加外界磁場(chǎng)后,盡管界面黏附力也隨著薄膜初始曲率的增大而減弱,但磁場(chǎng)作用能抑制薄膜內(nèi)彎曲應(yīng)變能的釋放.由圖7(b)可知,當(dāng)薄膜初始曲率增大到使薄膜在無(wú)磁場(chǎng)時(shí)自發(fā)脫黏的臨界尺寸時(shí),磁場(chǎng)作用下的界面黏附力依然和無(wú)磁場(chǎng)平薄膜的界面黏附力相當(dāng),表明此時(shí)界面依然具有較強(qiáng)的黏附作用.理論結(jié)果同樣說(shuō)明依靠外界磁場(chǎng)和薄膜初始構(gòu)型的共同作用可以調(diào)控界面的黏附性能,甚至實(shí)現(xiàn)薄膜的界面可逆黏附.

圖7 具有不同初始曲率的薄膜在無(wú)磁場(chǎng)和有磁場(chǎng)作用下撕脫性能的理論結(jié)果Fig.7 Theoretical results of the peeling performance of a film with initial curvature with and without the magnetic field

圖8 表示薄膜彎曲剛度在有磁場(chǎng)(A/(L2Δγ)=15) 和無(wú)磁場(chǎng)(A=0) 時(shí)對(duì)界面黏附性能的影響,其他參數(shù)取值為L(zhǎng)/h=250,ρh=2/45,Tch/Δγ=3/50.結(jié)果表明,對(duì)于具有初始曲率(ρh=2/45)的薄膜彎曲剛度對(duì)撕脫力的影響與薄膜初始曲率的影響類似,穩(wěn)態(tài)階段的撕脫力隨著彎曲剛度的增大而減小.這是因?yàn)楫?dāng)薄膜與基底完全接觸時(shí),其內(nèi)部?jī)?chǔ)存的彎曲應(yīng)變能正比于薄膜彎曲剛度和曲率的平方,彎曲剛度越大,儲(chǔ)存的彎曲應(yīng)變能越大,界面更易脫黏.同樣當(dāng)彎曲剛度增大到某一臨界值(Dcr=2Δγ/ρ2)時(shí),無(wú)磁場(chǎng)時(shí)的撕脫力趨于零,薄膜將發(fā)生自發(fā)脫黏,但此時(shí)磁場(chǎng)作用下的界面黏附力依然顯著.然而對(duì)于無(wú)曲率的平薄膜,彎曲剛度僅影響薄膜初始脫黏階段的界面黏附力,當(dāng)薄膜達(dá)到穩(wěn)態(tài)撕脫階段后,界面黏附力不隨薄膜彎曲剛度的變化而改變,與上述實(shí)驗(yàn)及已有理論結(jié)果一致[55].當(dāng)薄膜其他參數(shù)一定時(shí),磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)界面黏附力的影響規(guī)律如圖9 所示.隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大界面黏附力基本成線性增大.由式(4)可知,磁場(chǎng)強(qiáng)度越大,施加在磁感應(yīng)薄膜上的額外磁場(chǎng)力q也越大,相當(dāng)于增強(qiáng)了界面作用,因此界面撕脫力也隨之增大,與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致.

圖8 彎曲剛度對(duì)薄膜在無(wú)磁場(chǎng)和有磁場(chǎng)作用時(shí)撕脫性能影響的理論結(jié)果Fig.8 Theoretical results of the effect of bending stiffness on the peeling behavior of a film with and without magnetic field

圖9 磁場(chǎng)強(qiáng)度影響薄膜撕脫力的理論結(jié)果Fig.9 Theoretical results of the effect of magnetic strength on the peeling force

4 一種簡(jiǎn)易機(jī)械抓手的設(shè)計(jì)

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了外界磁場(chǎng)和薄膜初始曲率的共同作用能實(shí)現(xiàn)對(duì)界面黏附性能的調(diào)控,并理論揭示了磁場(chǎng)和薄膜初始曲率影響界面黏附性能的機(jī)理.界面黏附性能的調(diào)控對(duì)制備新型智能黏附材料[24]、轉(zhuǎn)印[50]及設(shè)計(jì)黏附抓取裝置實(shí)現(xiàn)物體的拾取和釋放[49]具有重要意義.基于上述機(jī)理,本文進(jìn)一步設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易機(jī)械抓手,采用上述實(shí)驗(yàn)同樣方法制備了初始曲率為1/15 mm-1的磁感應(yīng)薄膜,尺寸為弧長(zhǎng)3.5 cm,寬度1.2 cm,在薄膜凹面一側(cè)中心處連接一桿件方便施加外力(圖10(a)),被抓取的物體選用直徑3 英寸(1 英寸=2.54 cm) 的硅片(質(zhì)量5.6 g).當(dāng)沒(méi)有磁場(chǎng)作用時(shí),通過(guò)一定的預(yù)壓力使該薄膜與硅片完全接觸(圖10(b)),撤去預(yù)壓力后,薄膜內(nèi)儲(chǔ)存的彎曲彈性能釋放能完全克服界面能,薄膜從硅片表面自發(fā)脫黏,如圖10(c) 所示.當(dāng)將硅片放置于永磁體上時(shí),使該薄膜從上方逐漸與硅片靠近,隨著薄膜與硅片距離的減小,薄膜處的磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng),作用在薄膜上的磁場(chǎng)力也隨之增大.因此在薄膜靠近硅片過(guò)程中,其曲率逐漸減小,當(dāng)薄膜與硅片接觸時(shí),薄膜基本趨于平薄膜狀態(tài),如圖10(d)～圖10(f)所示,表明此時(shí)作用在薄膜上的磁場(chǎng)力基本能完全抵抗薄膜內(nèi)彎曲應(yīng)變能的釋放,使其黏附性能類似于無(wú)初始曲率的薄膜的黏附.磁場(chǎng)作用下,當(dāng)薄膜與硅片接觸時(shí),同樣施加相同的預(yù)壓力使界面充分接觸,然后撤去預(yù)壓力.通過(guò)連桿向反方向提升薄膜,發(fā)現(xiàn)硅片從永磁體上被拾取與薄膜黏結(jié)在一起(圖10(g)).隨著薄膜提升距離(與永磁體的距離) 的增大,薄膜處的磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減弱,作用在薄膜上磁場(chǎng)力減小,當(dāng)磁場(chǎng)力不足以抑制薄膜內(nèi)彎曲應(yīng)變能的釋放時(shí),薄膜與硅片間界面開(kāi)始脫黏(圖10(h)),隨著薄膜提升距離的進(jìn)一步增大,硅片與薄膜間的界面黏附力不足以克服硅片自身重力,此時(shí)硅片完全從薄膜上脫落(圖10(i)).

圖10 (a)黏附機(jī)械抓手;(b)通過(guò)預(yù)壓力使薄膜與硅片完全接觸;(c)撤去預(yù)壓力后無(wú)磁場(chǎng)時(shí)薄膜從硅片基底上自發(fā)脫黏;(d)～(f)磁場(chǎng)作用下薄膜靠近硅片過(guò)程中曲率逐漸減小;(g)硅片被拾取;(h)薄膜與硅片界面開(kāi)始脫黏;(i)硅片從薄膜上完全釋放Fig.10 (a)Adhesively mechanical gripper;(b)film completely contact with the silicon substrate through a preload;(c)film detaches from the substrate spontaneously without the action of magnetic field after removing the preload;(d)～(f)curvature of the film decreases with decreasing the separation between the film and substrate with the action of magnetic field;(g)gripping the silicon substrate;(h)initial detachment of the interface;(i)complete detachment of the silicon from the film

該部分設(shè)計(jì)并制備了一種簡(jiǎn)易的黏附機(jī)械抓手,通過(guò)外加磁場(chǎng)和薄膜初始曲率的共同作用,能夠?qū)崿F(xiàn)磁場(chǎng)作用下物體的拾取,當(dāng)磁場(chǎng)減弱或無(wú)磁場(chǎng)時(shí)能夠在特定的位置釋放該物體.因此可以通過(guò)調(diào)控磁場(chǎng)變化連續(xù)實(shí)現(xiàn)物體的抓取、搬運(yùn)和釋放等功能.根據(jù)本文的實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果,界面等效黏附性能依賴于薄膜的初始構(gòu)型、幾何性質(zhì)、材料性質(zhì)和外界磁場(chǎng)強(qiáng)度等因素的影響,后續(xù)工作可進(jìn)一步研究不同質(zhì)量、不同形狀、不同尺寸物體的黏附抓取裝置設(shè)計(jì).

值得注意的是,本文實(shí)現(xiàn)的是對(duì)宏觀物體的操控.當(dāng)被操控物體尺寸減小到微米尺度,特別是納米尺度時(shí),物體的質(zhì)量基本可以忽略.由接觸力學(xué)可知,即使無(wú)外界磁場(chǎng)作用時(shí),具有初始曲率的薄膜與物體接觸時(shí),由于分子間相互作用,界面仍然會(huì)產(chǎn)生一定的接觸面積,具有相當(dāng)?shù)慕缑骛じ搅κ箖晌矬w吸引在一起.因此,對(duì)于微納尺度物體可能難以通過(guò)本文方法進(jìn)行操控.

5 結(jié)論

本文提出了一種外加磁場(chǎng)和初始薄膜曲率協(xié)同調(diào)控界面黏附性能的方法.首先實(shí)驗(yàn)制備了具有初始等曲率的磁敏感薄膜,通過(guò)撕脫實(shí)驗(yàn)研究了薄膜初始曲率、彎曲剛度和外界磁場(chǎng)強(qiáng)度等因素對(duì)界面黏附性能的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn):無(wú)論有無(wú)磁場(chǎng)作用,薄膜-基底界面黏附力均隨薄膜初始曲率的增大而減小;當(dāng)薄膜初始曲率一定時(shí),磁場(chǎng)作用下的界面黏附力始終大于無(wú)磁場(chǎng)時(shí)的黏附力,并且界面黏附力隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大.與零曲率平薄膜的情況不同,具有初始膜曲率的界面穩(wěn)態(tài)撕脫力隨膜彎曲剛度的增大而減小,而零曲率薄膜的穩(wěn)態(tài)撕脫力與膜彎曲剛度無(wú)關(guān).進(jìn)一步建立了磁場(chǎng)作用下初始曲率薄膜-基底界面撕脫理論模型,基于勢(shì)能最小原理,揭示了磁場(chǎng)和薄膜初始曲率對(duì)界面黏附性能的影響機(jī)制,主要是薄膜彎曲能、磁場(chǎng)勢(shì)能、界面黏附能相互競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果.理論預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致且表明:可通過(guò)合理設(shè)計(jì)薄膜初始曲率實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)作用下界面黏附性能的調(diào)控.最終設(shè)計(jì)了一種磁場(chǎng)與薄膜初始曲率協(xié)同作用的簡(jiǎn)易抓取裝置,能實(shí)現(xiàn)物體的連續(xù)拾取、搬運(yùn)和釋放功能.