李 陽(yáng)，王春慧，陳善廣，Stanislav N.GORB，戴振東

(1.南京航空航天大學(xué)仿生結(jié)構(gòu)與材料防護(hù)研究所,南京210016；2.中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100094；3.Zoological Institute,Department of Functional Morphology and Biomechanics,Kiel University,Kiel D-24118,Germany；4.江蘇省仿生功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京210016)

1 引言

空間微重力環(huán)境使得地面上簡(jiǎn)單的固體間穩(wěn)定接觸和摩擦驅(qū)動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)變得極為困難,微重力環(huán)境下對(duì)物品進(jìn)行有效固定、提升航天員的作業(yè)能力及效率依然面臨較大的技術(shù)挑戰(zhàn)［1］。實(shí)現(xiàn)固體間吸附的現(xiàn)有技術(shù)——真空吸附、濕黏附等,無(wú)法適用于航天環(huán)境；磁吸附原理可行,但質(zhì)量大,航天應(yīng)用成本高,且磁場(chǎng)可能影響航天器上其他儀器工作。因此實(shí)現(xiàn)空間微重力環(huán)境下的穩(wěn)定黏附、對(duì)物品進(jìn)行有效固定、協(xié)助航天員高效工作,已成為載人航天所面臨的共性關(guān)鍵問(wèn)題之一。壁虎能夠在不同表面甚至是天花板上穩(wěn)定黏附運(yùn)動(dòng),其杰出的黏附-脫附爬行能力似乎不依賴(lài)于重力。研究表明［2-4］壁虎腳趾腹面密布的微納米層級(jí)結(jié)構(gòu)剛毛,以其末端納米級(jí)匙突結(jié)構(gòu)與表面接觸產(chǎn)生微弱范德華力(Van der Waals,VdW)并匯聚成宏觀黏附力,賦予壁虎優(yōu)異黏附爬行能力。因此,研制基于范德華力作用機(jī)制、模仿壁虎微納層級(jí)結(jié)構(gòu)剛毛的仿生黏附材料,有望在空間微重力環(huán)境下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定黏附。

仿生黏附材料面向載人航天的應(yīng)用已在國(guó)外受到高度關(guān)注,NASA從2008年開(kāi)始已嘗試將仿壁虎黏附技術(shù)應(yīng)用于空間在軌服務(wù)［5-6］,并于2013年開(kāi)始做初步地面試驗(yàn),用黏附聯(lián)接機(jī)構(gòu)替代傳統(tǒng)的剛性聯(lián)接機(jī)構(gòu)。國(guó)內(nèi)在仿生黏附用于載人航天的研究則相對(duì)缺乏,實(shí)際上,仿生黏附材料面向載人航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景：如仿壁虎機(jī)器人在航天器表面的黏附爬行,可做檢測(cè)和維修平臺(tái)；輔助航天員在失重環(huán)境中的行走、定位；對(duì)尺寸較小的零部件、太空培育用的種子進(jìn)行固定等。仿生黏附材料可能為航天員提供一種類(lèi)似地球環(huán)境下簡(jiǎn)單、可多次重復(fù)的黏附、固定能力,有望提高航天員作業(yè)效率。

基于“接觸分形原理”［7］,微納米尺度的剛毛陣列成為構(gòu)建仿生黏附材料的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；聚合物［8-10］和垂直定向排列碳納米管陣列(Vertical A-ligned Carbon Nanotube array,VACNT)［11-13］被廣泛用于發(fā)展微納米結(jié)構(gòu)仿生黏附材料。聚合物材料來(lái)源廣泛、易成型,Autumn等［4］和 MetinSitti等［10］使用原子力顯微鏡探針(AFM)輔助制備多孔納米模具,從而獲得聚合物剛毛,并使用AFM探針對(duì)剛毛法向脫附力進(jìn)行測(cè)試(～200 nN)。Davis等［14］使用頂端為蘑菇狀的聚二甲基硅氧烷纖維結(jié)構(gòu)使黏附強(qiáng)度達(dá)219 kPa。

碳納米管具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和機(jī)械性能(楊氏模量超過(guò)1 TPa,最大強(qiáng)度 63 GPa)［15-16］,在極端環(huán)境條件下仍能保持良好的耐久性,適合于制備高強(qiáng)度、可重復(fù)使用的纖維黏附材料。Zhao［13］測(cè)試VACNT與玻璃界面宏觀黏附性能,在125 N/cm2預(yù)壓力下得到11.7 N/cm2的法向黏附強(qiáng)度。 Dai［17］制備的層級(jí) VACNT 在125 N/cm2預(yù)壓下與玻璃界面的切向黏附強(qiáng)度可達(dá)100 N/cm2,是目前VACNT所達(dá)到的最大黏附強(qiáng)度。制備具有微納米剛毛陣列結(jié)構(gòu)的仿生黏附材料已有良好的試驗(yàn)基礎(chǔ),但目前研究還主要圍繞制備工藝的優(yōu)化展開(kāi),對(duì)其黏附力測(cè)試也多使用探針?lè)ǎ?0］或懸掛重物法［17］,這與仿生黏附材料在實(shí)際應(yīng)用時(shí)的黏附過(guò)程存在較大差距,同時(shí)面向載人航天需求的應(yīng)用討論還比較缺乏。

本文分別制備具有仿壁虎剛毛結(jié)構(gòu)的聚乙烯基硅氧烷(polyvinylsiloxane,PVS)高分子聚合物和VACNT仿生黏附材料,表征其微納米結(jié)構(gòu)、測(cè)試其黏附性能,并對(duì)其黏附行為特點(diǎn)進(jìn)行分析對(duì)比。然后根據(jù)載人航天對(duì)種子、工具等小型部件的黏附固定和航天員輔助作業(yè)仿生黏附手套的應(yīng)用需求,在地面重力環(huán)境下驗(yàn)證仿生黏附材料對(duì)上述待黏附材料的黏附固定效果,為仿生黏附材料面向載人航天的應(yīng)用奠定初步試驗(yàn)基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 仿生黏附材料制備

2.1.1 PVS高分子聚合物陣列的制備

高分子聚合物纖維陣列參照S.N.Gorb制備［18］：首先將多孔模板放置于光滑平整的玻璃基底上,然后在室溫條件下將雙組份PVS澆注于多孔模具中。在模具上表面覆蓋另一個(gè)平面,用于擠出間隙里多余的聚合物,纖維陣列高度由模具上下兩個(gè)平面的間距決定。當(dāng)聚合物固化以后從模具剝離后,所得纖維狀聚合物陣列的彈性模量可達(dá) 3 MPa［19］。

2.1.2 垂直定向排列碳納米管陣列制備

使用電子束沉積系統(tǒng)(E-Beam 500,聯(lián)科融陽(yáng)科技有限公司,北京)在單晶硅片上沉積催化劑薄膜作為VACNT生長(zhǎng)基底。本試驗(yàn)使用單晶硅片厚度為500±25 μm,其表面預(yù)先沉積有一層SiO2薄膜(厚度約500 nm),電阻率 ＜0.0015 Ω·m。在單晶硅片上依次沉積20 nm Al2O3和2 nm Fe作為催化劑薄膜。

垂直定向排列碳納米管陣列［20］使用化學(xué)氣相沉積管式爐系統(tǒng)(Nano-Tytan 160,TYSTAR,美國(guó))制備。將生長(zhǎng)基底在凈化工作臺(tái)內(nèi)切割為所需要的尺寸(5 mm×5 mm),置于管式爐內(nèi)。使用氬氣(Ar)為載氣,乙烯(C2H4)為碳源,氫氣(H2)為還原性氣體。在氬氣保護(hù)下將體系升溫至750℃后通入氫氣進(jìn)行催化劑預(yù)處理,將生長(zhǎng)基底表面的氧化鐵還原形成納米尺度的鐵催化劑顆粒。隨后通入碳源氣體乙烯開(kāi)始進(jìn)行沉積生長(zhǎng),沉積過(guò)程中的氣體流量比 H2∶C2H4∶Ar＝20%∶9%∶71%。 反應(yīng)壓力為100 torr,沉積時(shí)間為40 min。

2.2 仿生黏附材料黏附性能測(cè)試

通過(guò)場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM,ZEISS SIGMA,德國(guó))觀察仿生黏附材料的微觀形貌。通過(guò)黏附-脫附行為測(cè)試平臺(tái)(IBSS-2,神源生智能科技,南京)測(cè)試仿生黏附材料的黏附行為,如圖1所示,該測(cè)試平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)二維力的精確測(cè)試。將仿生黏附材料底面固定于上試樣臺(tái)表面,選擇載玻片表面為黏附測(cè)試界面,固定于下試樣臺(tái),并保證與仿生黏附材料表面平行。通過(guò)機(jī)電系統(tǒng)控制上試樣臺(tái)實(shí)現(xiàn)仿生黏附材料沿不同的黏附-脫附運(yùn)動(dòng)軌跡(法向黏附-法向脫附、法向黏附-切向脫附),使測(cè)試樣品表面與載玻片表面接觸并發(fā)生黏附-脫附過(guò)程,由二維力傳感器記錄力反饋信號(hào),經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后得到力數(shù)據(jù),用于計(jì)算對(duì)應(yīng)黏附強(qiáng)度。測(cè)試樣品大小均為5 mm×5 mm,試驗(yàn)在室溫(25℃)、大氣環(huán)境下進(jìn)行,相對(duì)濕度為50%～60%。每次試驗(yàn)前用無(wú)水乙醇清洗載玻片表面并自然風(fēng)干。

法向黏附-法向脫附：待測(cè)樣品沿法向與載玻片表面接觸后產(chǎn)生接觸預(yù)壓力(200 mN)后穩(wěn)定約5 s,再次沿法向勻速施加至最大預(yù)壓力后穩(wěn)定約5 s。隨后沿法向進(jìn)行脫附,預(yù)壓力完全卸載(0 N)后繼續(xù)沿法向返回,此時(shí)PVS與玻璃表面產(chǎn)生法向黏附力,法向黏附力隨脫附過(guò)程逐漸增大,到達(dá)臨界值后發(fā)生瞬時(shí)脫附,接觸界面發(fā)生分離,界面作用力回歸零點(diǎn),產(chǎn)生最大法向黏附力。

法向黏附-切向脫附：待測(cè)樣品預(yù)壓過(guò)程與法向脫附相同,施加最大預(yù)壓力后沿法向進(jìn)行脫附至預(yù)壓力完全卸載(0 N),隨后沿接觸面水平滑移,此時(shí)待測(cè)樣品與玻璃表面產(chǎn)生切向黏附力,切向黏附力隨滑移過(guò)程線(xiàn)性增大,到達(dá)臨界值后開(kāi)始緩慢減弱,隨后發(fā)生切向滑脫,并伴隨有法向脫附,此時(shí)接觸界面分離,界面作用力歸零。切向滑移過(guò)程中產(chǎn)生的最大切向力則視為其切向黏附力。

2.3 面向載人航天應(yīng)用的地面初步探索試驗(yàn)

本文根據(jù)載人航天對(duì)種子、工具、零部件的黏附固定和航天員輔助作業(yè)仿生黏附手套的需求,在地面環(huán)境下對(duì)兩種仿生黏附材料的黏附應(yīng)用進(jìn)行了初步探索試驗(yàn)。選取了五種可能用于太空育種的生菜種子和兩種不同尺度的糧食顆粒為黏附對(duì)象,其幾何參數(shù)如表1所示。此外還測(cè)定了仿生黏附材料對(duì)空間站常用零部件和工具［21］(R＆MAs)的黏附固定效果。 所選取零配件包括：防松動(dòng)螺母、六角螺母、內(nèi)六角螺栓、十字頭螺栓、墊片、止動(dòng)墊圈；小型工具有尺子、夾子、文具等。

表1 黏附對(duì)象尺寸Table 1 Parameters of experimental samples

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 仿生黏附材料結(jié)構(gòu)形貌表征

PVS高分子聚合物仿生黏附材料如圖2(a)所示,掃描電子顯微鏡觀察結(jié)果顯示其微觀結(jié)構(gòu)是具有蘑菇狀頂端的纖維陣列(圖2(b,c)),剛毛長(zhǎng)50 ～60 μm,底端直徑約40 μm,中間直徑約35 μm,縮頸區(qū)直徑約20 μm,頂端圓盤(pán)直徑約40 μm,厚度約2 μm。由于材料主成分為聚乙烯硅氧烷,其彈性模量達(dá)3 MPa,剝離時(shí)的黏著能1.4 J/m2［19］,這種剛毛微結(jié)構(gòu)使之具有較低的剛度、對(duì)接觸面更好的順應(yīng)性、較大的接觸面積和較好的抗污能力。

VACNT仿生黏附材料如圖3(a)所示,碳納米管生長(zhǎng)于多晶硅硬質(zhì)基底上,陣列宏觀尺寸由基底尺寸決定。掃描電子顯微鏡觀察結(jié)果顯示碳納米管沿垂直于基底方向密集定向排列(圖3(b)),長(zhǎng)度約 70 ～100 μm、直徑約 10 ～20 nm。VACNT頂端雜亂無(wú)序分布,有卷曲和纏繞,形成一定團(tuán)簇結(jié)構(gòu)；VACNT的側(cè)面微觀形貌主體呈現(xiàn)垂直定向排列,高度均勻,碳管間有一定交聯(lián)。該微觀結(jié)構(gòu)有利于VACNT在黏附時(shí)與不同粗糙度的接觸面產(chǎn)生足夠?qū)嶋H接觸,提高對(duì)表面的順應(yīng)性及黏附強(qiáng)度［17］。

3.2 黏附材料黏附強(qiáng)度

3.2.1 PVS仿生黏附材料黏附性能

PVS仿生黏附材料法向黏附性能如圖4(a)所示：5 mm×5 mm PVS樣品在3 N(強(qiáng)度約12 N/cm2)預(yù)壓力作用下產(chǎn)生法向黏附力約5.34 N(21.36 N/cm2)。黏壓比μ*為1.78(黏壓比是黏附強(qiáng)度與預(yù)壓力的比值,其值越大,單位預(yù)壓力下產(chǎn)生的黏附強(qiáng)度越大［22］),盡管遠(yuǎn)小于壁虎剛毛黏附體系的黏壓比(約50),但已經(jīng)超過(guò)現(xiàn)階段仿生黏附材料的平均黏壓比(約1)［17］。圖4(b)所示為同一PVS測(cè)試試樣在相同預(yù)壓力(12 N/cm2)下連續(xù)進(jìn)行十次法向黏附-法向脫附測(cè)試,黏附強(qiáng)度稍有下降,并在首次測(cè)試后能夠保持相對(duì)穩(wěn)定的法向黏附強(qiáng)度(約18 N/cm2),說(shuō)明PVS仿生黏附材料具有相對(duì)穩(wěn)定的法向可重復(fù)黏附特性。

PVS仿生黏附材料切向黏附性能如圖5(a)所示：5 mm×5 mm PVS樣品在3 N(12 N/cm2)預(yù)壓力作用下產(chǎn)生切向黏附力約0.89N(3.56 N/cm2),滑脫過(guò)程中產(chǎn)生的最大法向黏附力約0.62 N(2.46 N/cm2)。切向黏附的黏壓比μ*為0.3。如圖5(b)所示,同一PVS測(cè)試試樣在相同預(yù)壓力(12 N/cm2)下連續(xù)進(jìn)行十次切向黏附-法向脫附測(cè)試,切向黏附強(qiáng)度基本保持穩(wěn)定,而對(duì)應(yīng)的滑脫過(guò)程中產(chǎn)生的最大法向黏附力則有一定的波動(dòng)。

綜上所述,PVS仿生黏附材料具有優(yōu)異的法向黏附性能：在相同預(yù)壓力(12 N/cm2)下,其產(chǎn)生的法向黏附強(qiáng)度(21.36 N/cm2)遠(yuǎn)大于切向黏附強(qiáng)度(3.56 N/cm2)。這是由于蘑菇狀頂端在黏附過(guò)程中發(fā)揮主要作用［18］,在法向預(yù)壓力作用下,蘑菇狀頂端與玻璃界面能夠產(chǎn)生良好的黏附接觸,此時(shí)每一個(gè)蘑菇狀頂端作為一個(gè)黏附器件。當(dāng)沿法向脫附時(shí),剛毛受到垂直方向外加力,沿纖維桿徑均勻作用于蘑菇狀頂端,使蘑菇狀頂端的接觸區(qū)域中部逐漸形成一個(gè)空隙,并且隨著外力作用增大,空隙逐漸向接觸區(qū)域邊緣擴(kuò)散直至蘑菇狀頂端完全分離［23］。聚合物剛毛陣列與接觸面發(fā)生脫附需要外力將其全部頂端與接觸面沿法向完全分離,因此所需要的脫附力較大。當(dāng)脫附力增加至足夠大時(shí),頂端與接觸界面能夠產(chǎn)生顯著的瞬時(shí)脫附；當(dāng)沿切向脫附時(shí),剛毛受到不對(duì)稱(chēng)的外加力,切向力在一個(gè)方向上沿纖維桿徑作用于蘑菇狀頂端,此時(shí)在接觸界面形成的空隙沿一個(gè)方向擴(kuò)散至邊緣,使蘑菇狀頂端與接觸界面發(fā)生分離,從而釋放內(nèi)部壓力缺陷。由于空隙沿一個(gè)方向擴(kuò)散至邊緣,蘑菇狀頂端沿外力作用方向依次脫附,所以切向黏附力在達(dá)到最大值后緩慢減弱,并沒(méi)有像法向脫附一樣產(chǎn)生瞬時(shí)脫附。此外,PVS仿生黏附材料具有良好的可重復(fù)實(shí)用性,其黏附性能在多次重復(fù)使用后仍能保持穩(wěn)定強(qiáng)度,因此具有良好的應(yīng)用潛力。

3.2.2 VACNT仿生黏附材料黏附性能

圖6(a)為VACNT沿法向黏附-脫附測(cè)試軌跡示意圖,當(dāng)VACNT頂面與載玻片表面開(kāi)始接觸時(shí),法向壓力逐漸增大,加載至最大法向預(yù)壓力4.5 N(18 N/cm2)的過(guò)程中,加載曲線(xiàn)斜率有所不同,加載初期加載速率較大,隨后繼續(xù)加壓加載速率則放緩,這可能是由于隨著加載進(jìn)行,碳納米管陣列在外壓力作用下逐漸堆積,碳管間的相互作用力產(chǎn)生抵抗預(yù)壓力效果增強(qiáng)。最大預(yù)壓力保持約5 s后,開(kāi)始沿反方向卸載直至壓力歸零,此時(shí)繼續(xù)沿法向移動(dòng),由于VACNT與載玻片表面發(fā)生黏附,產(chǎn)生最大黏附力達(dá) 0.47N(1.87 N/cm2)時(shí),接觸界面發(fā)生瞬時(shí)脫附。VACNT法向黏附強(qiáng)度為1.87 N/cm2,黏壓比約0.1。圖6(b)所示,對(duì)單個(gè)VACNT進(jìn)行多次重復(fù)法向黏附-脫附測(cè)試后,法向黏附強(qiáng)度由1.87 N/cm2降至1.44 N/cm2。

圖7 (a)為VACNT沿法向黏附-切向脫附測(cè)試軌跡示意圖,在法向預(yù)壓力4.5 N(18 N/cm2)作用下切向黏附力達(dá)到極大值3.96 N(15.84 N/cm2,切向黏壓比達(dá)0.88),并出現(xiàn)一段穩(wěn)定黏附狀態(tài)(黏-滑狀態(tài)),切向黏附力保持平穩(wěn),隨后發(fā)生瞬時(shí)滑脫,沿法向產(chǎn)生瞬時(shí)法向黏附強(qiáng)度(3.38 N/cm2),切向作用力回復(fù)到零值。圖7(b)表明對(duì)單個(gè)VACNT進(jìn)行多次重復(fù)切向黏附-脫附測(cè)試后,VACNT切向黏附強(qiáng)度并沒(méi)有一直衰減,反而在第一次黏附后切向黏附強(qiáng)度增加(由12.5 N/cm2到15 N/cm2),隨后保持穩(wěn)定,但在重復(fù)黏附到第八次后產(chǎn)生下降。

綜上所述,VACNT仿生黏附材料具有優(yōu)異的切向黏附性能：在相同預(yù)壓力(18 N/cm2)下,其產(chǎn)生的切向黏附強(qiáng)度(15.84 N/cm2)遠(yuǎn)大于法向黏附強(qiáng)度(1.87 N/cm2)。這是由于VACNT黏附主要依靠面接觸［24］,由于沿切向產(chǎn)生較大的位移和較高的切向黏附作用力,VACNT頂面發(fā)生明顯的傾斜,頂層碳納米管沿切向方向的傾斜使其與載玻片表面的接觸面積顯著增大,因此切向黏附強(qiáng)度遠(yuǎn)高于法向黏附強(qiáng)度。圖7(a)所示,經(jīng)切向平移后VACNT產(chǎn)生的瞬時(shí)法向黏附強(qiáng)度大于圖6(a)所示的法向黏附強(qiáng)度,也進(jìn)一步說(shuō)明平移過(guò)程有助于碳納米管沿平移方向傾斜產(chǎn)生更多的面接觸,從而增大黏附強(qiáng)度。相比PVS仿生黏附材料的切向黏附力在達(dá)到最大值后便開(kāi)始緩慢減弱(圖5(a)),VACNT的切向黏附力在達(dá)到最大值后產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的平臺(tái)期,隨后發(fā)生瞬時(shí)滑脫,說(shuō)明VACNT與接觸界面的分離是同時(shí)且瞬時(shí)的,而PVS由于具有良好的粘彈性而產(chǎn)生逐漸剝離。

3.3 仿生黏附材料黏附種子和糧食

針對(duì)引言中所探討的仿生黏附材料在太空育種以及空間站中常用零部件的黏附固定需求,首先在地面環(huán)境下進(jìn)行相關(guān)黏附應(yīng)用測(cè)試與討論。

選用PVS高分子聚合物仿生黏附材料和VACNT仿生黏附材料尺寸均為5 mm×5 mm。將黏附材料黏附面與待黏附樣品表面接觸,施加一定預(yù)壓力(約5 N/cm2),黏附結(jié)果如圖8所示。將測(cè)試結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn),VACNT和PVS對(duì)不同品種的生菜種子和糧食顆粒均能產(chǎn)生有效黏附固定。其中PVS所黏附的種子與糧食顆粒的數(shù)量和牢固度優(yōu)于VACNT；施加輕微震動(dòng),兩種黏附材料均能使生菜種子保持黏附,但小米顆粒有少量脫落；綠豆從PVS表面脫落較多,從VACNT表面全部脫落。

已有研究表明,剛毛狀仿生材料的黏附強(qiáng)度與實(shí)際接觸面積成正比［25-26］。從幾何結(jié)構(gòu)上來(lái)看,小米與綠豆曲率大,而生菜種子的表面相對(duì)平整,因此生菜種子與黏附剛毛陣列單位接觸面積更大、黏附力更大。以紫羅馬生菜種子和綠豆顆粒為例,在顯微鏡下觀察到其與PVS表面實(shí)際接觸區(qū)域具有明顯的差異(圖9)。相比生菜種子,具有較大曲率半徑的小米和綠豆則更容易與黏附表面發(fā)生脫落。這是因?yàn)槠滟|(zhì)量遠(yuǎn)大于生菜種子,重力產(chǎn)生的滾動(dòng)力矩較大,同時(shí)實(shí)際接觸面積較小,即黏附力較小所致。

生菜種子與綠豆顆粒分別與VACNT和PVS接觸示意如圖10所示,由于PVS聚合物材料剛毛頂端為蘑菇狀的圓盤(pán)(圖2),能夠與被黏附物體表面產(chǎn)生更多的面接觸(圖10(a)),而VACNT頂端為納米級(jí)纖維管狀結(jié)構(gòu)(圖3),與被黏附物體表面更多為點(diǎn)接觸或線(xiàn)接觸(圖10(b)),實(shí)際接觸面積相比PVS要低,因此小米顆粒和綠豆顆粒更容易與VACNT發(fā)生脫落。

3.4 PVS高分子聚合物仿生黏附材料初步黏附應(yīng)用

目前限于工藝約束,大尺寸的VACNT仿生材料還未實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定制備［27］。生長(zhǎng)于硬質(zhì)硅基底上的VACNT,也需要轉(zhuǎn)移到柔性基底,才能具有較好的黏附性能［28］。同時(shí)3.2節(jié)試驗(yàn)結(jié)果也表明,目前VACNT仿生黏附材料的法向黏附強(qiáng)度還比較小,因此選用PVS黏附材料測(cè)試對(duì)零部件和小工具的黏附效果。PVS材料的尺寸為10 cm×13 cm,材料背面具有一層雙面膠,可以貼附于有機(jī)玻璃板上構(gòu)成一塊PVS黏附板。

圖11 為空間站常用到的零部件(包括防松動(dòng)螺母、六角螺母、內(nèi)六角螺栓、十字頭螺栓、墊片、止動(dòng)墊圈)與PVS的黏附情況。將所有測(cè)試零部件預(yù)壓到PVS黏附板后進(jìn)行旋轉(zhuǎn),零部件從0°(水平面)到180°(天花板面)全過(guò)程均能夠穩(wěn)定黏附,圖中左側(cè)自由懸掛的螺釘表示重力方向?？梢?jiàn)PVS能夠保障上述零部件克服重力而被穩(wěn)定固定在表面,因此在微重力環(huán)境下,其黏附能力能夠更加穩(wěn)固。

用PVS聚合物材料良好的柔韌性和基底背膠的特點(diǎn),與健身手套結(jié)合,制得有黏附功能的仿生手套(圖12)。仿生黏附手套可輕易的拾取各種小型工具,對(duì)提升航天員的作業(yè)能力及效率具有重要幫助。

4 結(jié)論

1)本文通過(guò)模板法制備的PVS高分子聚合物仿生黏附材料,其纖維陣列具有蘑菇狀頂端結(jié)構(gòu)；通過(guò)化學(xué)氣相沉積法制備的VACNT仿生黏附材料,具有主體垂直定向排列、頂端雜亂分布的納米纖維結(jié)構(gòu)。

2)黏附性能測(cè)試結(jié)果表明PVS仿生黏附材料具有高法向黏附強(qiáng)度和低切向黏附強(qiáng)度以及穩(wěn)定的法向、切向可重復(fù)黏附特性,法向黏附性能優(yōu)于切向黏附性能可能與其蘑菇狀頂端在黏附中發(fā)揮主要作用有關(guān)。VACNT仿生黏附材料則具有高切向黏附強(qiáng)度和低法向黏附強(qiáng)度,切向可重復(fù)黏附特性顯著,切向黏附性能優(yōu)于法向黏附性能,這是由VACNT黏附主要依靠側(cè)面接觸決定。

3)地面初步探索性試驗(yàn)表明,仿生黏附技術(shù)在載人航天中具有廣闊的應(yīng)用前景。VACNT和PVS聚合物剛毛材料,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)蔬菜種子、糧食顆粒、常用零部件及小工具的黏附固定,可望提高航天員在空間微重力環(huán)境下的作業(yè)能力及效率。

目前PVS聚合物剛毛和VACNT的黏附性能各具優(yōu)劣,如何使其黏附性能更加均衡或者如何結(jié)合兩者使其各自發(fā)揮優(yōu)勢(shì),是未來(lái)仿生黏附材料需要研究的重要方向,同時(shí)現(xiàn)有測(cè)試在地面環(huán)境下完成,僅從受力角度看,較微重力環(huán)境更加嚴(yán)苛。但對(duì)空間站艙外高低溫交變、原子氧、紫外線(xiàn)、帶電粒子輻射等嚴(yán)酷環(huán)境及其協(xié)同效應(yīng)下黏附材料性能的演變還缺乏研究,模擬空間環(huán)境下的性能測(cè)試和在軌實(shí)際測(cè)試將是仿生黏附材料空間應(yīng)用未來(lái)必須開(kāi)展的研究方向之一。