熊 健, 王彥斌*, 呂 陽, 姬忠瑩,3*, 張曉慧, 王曉龍,3, 李志強(qiáng)

(1. 西北民族大學(xué) 化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730030;2. 煙臺先進(jìn)材料與綠色制造山東省實(shí)驗(yàn)室，山東 煙臺 264006;3. 中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所 固體潤滑國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000;4. 西北民族大學(xué) 口腔醫(yī)學(xué)國家民委重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730030)

取向微結(jié)構(gòu)表界面是生物系統(tǒng)中廣泛存在的1種表面形態(tài)，是生物與其生活環(huán)境經(jīng)過長期進(jìn)化而形成的，是生物適者生存的1種選擇[1]. 因此，生物的表面形態(tài)也必然會衍生出相應(yīng)的功能. 如蛇在地面上蠕動行走時，其腹部鱗片與地面接觸時產(chǎn)生不同方向的摩擦力，即各向異性摩擦力，進(jìn)而推動蛇的蠕動前進(jìn)[2-3]. 鯊魚能夠在水中達(dá)到56 km/h的速度是由于其表面皮膚的盾鱗結(jié)構(gòu)，其樣貌近似于對稱的V形結(jié)構(gòu)，而正是這些不同結(jié)構(gòu)的V形溝槽表面存在著各向異性摩擦力，從而使其具有極佳的減阻效果[4-5]. 蒼耳表面毛刺尖端結(jié)構(gòu)排列具一定的取向性，而這種鉤狀物取向使其能夠附著在人或動物身上完成種子傳播與物種繁衍[6-7]. 受生物表界面形態(tài)-功能一體化的啟發(fā)，為了研究生物取向微結(jié)構(gòu)表界面的摩擦與黏附性能[8]，科研人員發(fā)展了多種仿生表界面的構(gòu)筑方法，包括模板法、激光刻蝕、納米壓印及3D打印等方法[9-12]. 然而，盡管已經(jīng)報道的仿生表界面在形態(tài)與功能取得了一定的進(jìn)展，但仍然存在著均一材料引起的仿生表界面形態(tài)功能不匹配、承載性能差以及功能性單一等缺點(diǎn)[12-13]. 事實(shí)上，已經(jīng)有研究表明，很多生物表界面是由軟硬兩部分來構(gòu)成，如蒼蠅的爪墊、蜜蜂舌頭上的剛毛和露珠草表面的鉤刺等[14-16]. 這些生物表面的軟硬分層結(jié)構(gòu)在環(huán)境自適應(yīng)性與功能性等方面表現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢[17].

本文中根據(jù)前期軟硬復(fù)合仿生表界面的研究，選擇最典型的鉤狀倒刺微結(jié)構(gòu)作為取向表界面形態(tài)，利用商用的丙烯酸類光敏樹脂和水凝膠材料，結(jié)合高精度的3D光固化打印機(jī)以及原位生長水凝膠的方法來構(gòu)筑環(huán)氧樹脂-水凝膠復(fù)合表界面. 通過對水凝膠不同時間的配位交聯(lián)，系統(tǒng)研究了不同模量下仿生表界面的各向異性摩擦行為. 本研究有望對仿生摩擦學(xué)、軟體機(jī)器人等領(lǐng)域提供一定的理論知識和技術(shù)指導(dǎo)[18-20].

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

光固化樹脂二官能度雙酚A型環(huán)氧丙烯酸酯樹脂光敏樹脂(BAEA)，三丙二醇二丙烯酸酯(TPGDA)，1,6-己二醇二丙烯酸酯(HDDA)以及光引發(fā)劑二苯基-(2,4,6-三甲基苯甲酰)氧磷(TPO)購于成都四城新材料有限公司；丙烯酰胺(AM)、丙烯酸(AA)和阻聚劑檸檬黃溶液購于上海阿拉丁生化科技股份有限公司；光引發(fā)劑苯基2,4,6-三甲基苯甲?；姿徜圎}(LAP)購于廣州貝奧吉因生物科技股份有限公司；交聯(lián)劑聚乙二醇二甲基丙烯酸酯(PEGDA)購于上海光易化工有限公司；二苯甲酮和甲醇購于上海麥克林生化科技股份有限公司；六水三氯化鐵購于北京百靈威科技有限公司；去離子水由實(shí)驗(yàn)室自制.

1.2 3D打印構(gòu)筑環(huán)氧樹脂基仿生表界面

首先用天平稱重環(huán)氧樹脂BAEA 38.0 g，活性稀釋劑HDDA 30.0 g，交聯(lián)劑TPGDA 30.0 g，光引發(fā)劑TPO 2.0 g ，置于球磨罐中然后用攪拌除泡機(jī)(Thinky Mixer ARE-310) 以3 000 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌處理7 min以達(dá)到溶液黏度均勻適合打印. 其次，如圖1所示，用SoildWorks三維軟件設(shè)計(jì)鉤狀倒刺微結(jié)構(gòu)模型并用摩方高精度3 D打印機(jī)(MicroArch S240)進(jìn)行層層打印，然后將打印好的樹脂樣品進(jìn)行2 min后固化處理. 具體的打印步驟為：首先將處理好的環(huán)氧樹脂溶液緩慢倒入料槽，分別使用刮刀和滾刀除去薄膜氣泡和鋪平薄膜與溶液. 然后利用4個光點(diǎn)定位使得打印成型平臺調(diào)平. 最后是導(dǎo)入模型并設(shè)定相關(guān)參數(shù)進(jìn)行光固化打印. 在打印過程中分為6個階段，第1階段曝光1層,曝光時間為2 s，光源曝光強(qiáng)度為150 mW，打印平臺下降距離為0 mm，打印平臺下降后停留時間0 s，打印平臺上升距離0 mm，打印平臺上升后停留時間250 s. 第2階段曝光5層，曝光時間為1.5 s，光源曝光強(qiáng)度為120 mW，打印平臺下降距離為4 mm，打印平臺下降后停留2 s，打印平臺上升距離3.975 mm，打印平臺上升后停留200 s.第3到5階段曝光層數(shù)依次為14，30及107層，最后階段(即第6階段)曝光層數(shù)為45層，其他參數(shù)不變.

Fig. 1 Schematic diagram of preparing the epoxy-hydrogel surface with soft-hard combination.圖1 環(huán)氧樹脂-水凝膠軟硬復(fù)合表界面制備原理示意圖

1.3 環(huán)氧樹脂-水凝膠復(fù)合表界面的構(gòu)筑

為了能夠使得表面微結(jié)構(gòu)能夠更好地與水凝膠結(jié)合，如圖1所示，首先用甲醇溶液和去離子水徹底清洗微結(jié)構(gòu)的表面，用氮?dú)獯凳蛊渫耆稍? 其次，將打印的微結(jié)構(gòu)樣品完全浸泡在二苯甲酮溶液(含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的乙醇)中，在室溫下溶液完全覆蓋整個樣品表面5 min. 最后，用甲醇和去離子水反復(fù)清洗表面3次，并用氮?dú)獯蹈? 用天平稱單體丙烯酰胺(AM)21.324 g，丙烯酸(AA) 3.603 g與交聯(lián)劑聚乙二醇二甲基丙烯酸酯(PEGDA) 0.373 g，光引發(fā)劑苯基2,4,6-三甲基苯甲酰基磷酸鋰鹽(LAP) 0.124 g混合并加入50 mL去離子水，然后再用膠頭滴管滴入5滴阻聚劑檸檬黃溶液并攪拌均勻使其成為水凝膠預(yù)聚體溶液，倒入裝有微結(jié)構(gòu)樣品的玻璃載具中，通入氮?dú)獠⒋娣? h左右. 此后，將打印處理后的表面微結(jié)構(gòu)樣品浸泡至水凝膠溶液中并使水凝膠溶液剛好覆蓋表面微結(jié)構(gòu). 將環(huán)氧樹脂-水凝膠溶液樣品置于光源波長為365 nm的紫外箱進(jìn)行光固化結(jié)合，在此期間與樣品表面發(fā)生共價交聯(lián)反應(yīng)，使得水凝膠材料與環(huán)氧樹脂材料結(jié)合的較為牢固. 其結(jié)合力在5 N載荷下能夠滿足相關(guān)的摩擦學(xué)測試需求，摩擦過程中沒有發(fā)生剝離現(xiàn)象.

圖2所示為復(fù)合表面水凝膠化學(xué)/物理交聯(lián)配位機(jī)理圖. 在水凝膠聚合過程中，以聚乙二醇二甲基丙烯酸酯為化學(xué)交聯(lián)劑，在室溫下通過自由基聚合制備了丙烯酸-丙烯酰胺共聚水凝膠. 由于水凝膠內(nèi)部是共價交聯(lián)且無規(guī)網(wǎng)絡(luò)，具有較低的交聯(lián)度，從而使得水凝膠本身非常柔軟且彈性大，在摩擦過程中表面容易起褶皺，無法進(jìn)行表征測試. 因此，為進(jìn)一步提升水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度，將制備樣品放入0.1 mol/L濃度的三氯化鐵溶液中浸泡，使其進(jìn)一步發(fā)生配位交聯(lián)形成物理化學(xué)雙網(wǎng)絡(luò)體進(jìn)而提升水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度. 將不同樣品分別浸泡2、4、6和8 h，浸泡完成后用大量的去離子水進(jìn)行沖洗，進(jìn)而除去樣品表面的三氯化鐵溶液，樣品待用.

Fig. 2 (a) Schematic diagram of chemical structures of hydrogel; (b) coordination mechanism of epoxy-hydrogel surface圖2 (a)水凝膠組成化學(xué)結(jié)構(gòu)式示意圖；(b)軟硬復(fù)合表界面水凝膠配位機(jī)理

1.4 測試表征

摩擦學(xué)測試采用往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)儀(Anton Paar CEM-THT07-135)，選擇的摩擦頻率為0.01 Hz，摩擦對偶為聚二甲基硅氧烷(PDMS)半球，球的直徑為6 mm. 對偶的滑動位移和滑動速度分別為8 mm和0.08 cm/s. 另外，為保證水凝膠的潤濕性狀態(tài)，在摩擦測試過程中復(fù)合表面通過手動滴水始終保證1層水膜的存在. 采用全自動3D超景深視頻顯微鏡(DVM6A)觀察其形貌特征和測量三維尺寸. 使用萬能材料試驗(yàn)機(jī)(AGS-X 500N)對不同配位時間的水凝膠樣品進(jìn)行拉伸測試，選擇拉伸速度為25 mm/min，每個樣品拉伸5次，模量為其平均值.

2 結(jié)果與討論

2.1 表面形貌

本研究中選擇具有高度取向性的鉤狀倒刺微結(jié)構(gòu)為研究對象，其模型設(shè)計(jì)尺寸的基底為20 mm×20 mm×10 mm. 仿照綠鰭魚魚皮的表面微結(jié)構(gòu)通過SolidWorks三維軟件設(shè)計(jì)其尺寸，如圖3所示，其表面微結(jié)構(gòu)的鉤狀物高度(h)大約為800 μm，每個鉤狀物間距(s)約為750 μm，其根部直徑(d)約為460 μm，鉤狀物弧度半徑(r)約為1 000 μm. 根據(jù)設(shè)計(jì)模型，利用高精度摩方3D打印機(jī)仿生構(gòu)筑表面微結(jié)構(gòu). 從超景深視頻顯微鏡可以看出，表面微結(jié)構(gòu)排列高度整齊，表明相對較為平滑，且微結(jié)構(gòu)的尖端具有明顯的取向性，展現(xiàn)出了表面各向異性摩擦的必備條件之一，如圖3(b)和(c)以及圖4(a)所示. 另外，通過表面微結(jié)構(gòu)的三維輪廓圖可以更加直觀清晰地看出，微結(jié)構(gòu)尺度與模型設(shè)計(jì)尺寸基本一致，證明了3D打印技術(shù)在仿生表面構(gòu)筑方面的優(yōu)越性[圖3(d)和(e)].

Fig. 3 (a) The 3D design and (b, c) optical micrographs of hook-like spines; (d) image of 3D profile and (e) profile curve圖3 (a)仿生表面微結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)圖；(b, c)仿生表面微結(jié)構(gòu)在光學(xué)顯微鏡下的放大圖；(d)仿生表面微結(jié)構(gòu)的三維輪廓圖和(e)剖面圖曲線

Fig. 4 Optical micrographs of biomimetic surfaces with oriented microstructure: (a) 3D printing biomimetic surface with oriented microstructures；(b) epoxy-hydrogel interface; (c) processed epoxy-hydrogel surface by iron coordination圖4 仿生取向微結(jié)構(gòu)表界面形貌的光學(xué)顯微鏡照片：(a) 3D打印仿生表界面微結(jié)構(gòu)；(b)環(huán)氧樹脂-水凝膠復(fù)合表界面；(c)環(huán)氧樹脂-水凝膠經(jīng)過鐵離子配位結(jié)合

利用3D打印技術(shù)獲得高精度表面微結(jié)構(gòu)之后，如何在其表面原位復(fù)合軟質(zhì)水凝膠是本研究的關(guān)鍵.圖4(b)所示為微結(jié)構(gòu)表面原位生長水凝膠的情況，可以看出微結(jié)構(gòu)表面已經(jīng)完全被軟質(zhì)水凝膠所覆蓋，包括倒刺之間的縫隙與尖端倒刺微結(jié)構(gòu). 這表明，前期所使用的二苯甲酮溶液和甲醇溶液對表面處理的抑氧效果非常好，能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)氧樹脂與水凝膠的軟硬復(fù)合. 圖4(c)所示為將仿生表界面浸泡的三氯化鐵溶液進(jìn)行配位交聯(lián)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水凝膠機(jī)械模量的進(jìn)一步提升[21-22]. 可以看出，浸泡三氯化鐵溶液的水凝膠宏觀上從黃色變成了棕紅色，定性地表明了水凝膠成功實(shí)現(xiàn)了配位交聯(lián). 另外，從超景深顯微鏡照片可以看出在配位交聯(lián)過程中，盡管水凝膠表面有少量的水分失去，但其依然能夠很好地錨固在環(huán)氧樹脂表面，實(shí)現(xiàn)水凝膠的雙網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)高承載與高頻率的摩擦學(xué)測試.

2.2 機(jī)械性能

為進(jìn)一步驗(yàn)證軟硬復(fù)合表界面在各向異性摩擦學(xué)方面的優(yōu)越性，采用雙酚A環(huán)氧樹脂為硬質(zhì)基底材料，水凝膠為軟質(zhì)材料，并且在樹脂模量固定的前提下，系統(tǒng)研究了水凝膠在不同配位時間下的機(jī)械性能變化. 首先，對環(huán)氧樹脂的機(jī)械性能進(jìn)行了分析，如圖5(a)所示，發(fā)現(xiàn)其斷裂伸長率為5.2%，彈性模量為13.6 MPa,表明其具有相對較高的硬度. 圖5(b)所示為水凝膠的拉伸曲線圖，可以看出隨著水凝膠配位時間的增加，其斷裂強(qiáng)度越來越高(從2.6 MPa增大至4.1 MPa)，同時其斷裂伸長率也隨之從288 %降至149 %.在浸泡時間為4~6 h時，其應(yīng)變約為浸泡2 h時的2倍.而當(dāng)水凝膠配位時間為8 h時，其斷裂伸長率最小，而斷裂強(qiáng)度和模量卻能夠達(dá)到最大值，分別為288%和4.1 MPa. 這是因?yàn)樵谒z配位交聯(lián)過程中水凝膠發(fā)生失水. 圖5(c)所示為不同浸泡時間下模量的變化趨勢，可以清晰地看出，隨著浸泡時間的增加，水凝膠的模量也幾乎呈現(xiàn)線性增加的趨勢. 簡言之，通過簡單的Fe3+溶液的浸泡，能夠?qū)崿F(xiàn)水凝膠的配位交聯(lián)且進(jìn)一步提升了水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度，為后續(xù)摩擦測試提供了良好的基礎(chǔ).

Fig. 5 Mechanical properties of epoxy resin and post-processed hydrogel: (a) tensile curve and modulus of epoxy resin;(b) stretch curve of hydrogel for different soaking time and (c) elastic modulus diagram圖5 環(huán)氧樹脂與后處理水凝膠的機(jī)械性能：(a)環(huán)氧樹脂固化后的拉伸曲線與模量；(b)水凝膠在不同浸泡時間下的拉伸曲線和(c)彈性模量圖

2.3 仿生表界面各向異性摩擦研究

將制備的環(huán)氧樹脂-水凝膠復(fù)合樣品進(jìn)行摩擦學(xué)表征測試. 根據(jù)前述內(nèi)容，本文中將各向異性摩擦力定義為對偶在不同滑動方向下的摩擦力絕對值. 基于此，將環(huán)氧樹脂-水凝膠復(fù)合樣品在三氯化鐵溶液中進(jìn)行浸泡進(jìn)而實(shí)現(xiàn)配位交聯(lián)，根據(jù)樣品浸泡時間的不同，實(shí)現(xiàn)復(fù)合樣品軟材料之間的模量差異性. 如圖6所示，研究發(fā)現(xiàn)隨著載荷的增加，各向異性摩擦力也在隨之增加. 當(dāng)載荷為5 N時，在任意的水凝膠模量下均表現(xiàn)出了最大的各向異性摩擦力. 然而，復(fù)合樣品浸泡配位6 h時，在載荷為5 N的情況下其各向異性摩擦力接近1.8 N [圖6(c)]，而在配位2、4和8 h時其各向異性摩擦力僅為0.03、0.74和0.05 N [圖6(a)、(b)和(d)]. 這表明，在環(huán)氧樹脂-水凝膠復(fù)合樣品在浸泡6 h、5 N載荷下具有最大的各向異性摩擦力.

Fig. 6 Anisotropic frictional values of epoxy-hydrogel surfaces at the coordination times of (a) 2 h,(b) 4 h, (c) 6 h and (d) 8 h with different applied loads圖6 環(huán)氧樹脂-水凝膠復(fù)合表面在配位時間為(a) 2 h、(b) 4 h、(c) 6 h以及(d) 8 h時在不同載荷下的各向異性摩擦力

為了探究摩擦力與水凝膠模量的變化，系統(tǒng)研究了復(fù)合表面在同一載荷下不同交聯(lián)配位時間下的各向異性摩擦力并列于表1中. 可以看出，在5 N載荷、配位2 h條件下，△F(定義為正向的摩擦力與負(fù)方向摩擦力的差值絕對值)相對較小(0.03 N). 這是因?yàn)榕湮粫r間較短，復(fù)合表面是以水凝膠為主導(dǎo)的低摩擦表面.當(dāng)浸泡時間為達(dá)到6 h時，水凝膠的模量相應(yīng)升高至3.65 MPa，此時獲得最大的△F(1.80 N)，此時其各向異性摩擦力最明顯. 當(dāng)交聯(lián)配位時間增加到8 h時，其彈性模量升高至4.42 MPa，但△F反而為降低至0.05 N.這是因?yàn)樵谀Σ吝^程中PDMS對偶被大面積磨損，盡管正反方向摩擦力分別升高至3.20和3.25 N，但兩者差值絕對值，即各向異性摩擦力仍然相對較低.

表1 相同載荷下水凝膠模量和各向異性摩擦力隨浸泡時間的變化Table 1 The changes of hydrogel modulus and anisotropic friction force with different immersing times at 5 N load

為進(jìn)一步證明交聯(lián)配位時間為6 h，載荷為5 N時的各向異性摩擦力最大，利用光學(xué)顯微鏡分別觀察了不同浸泡時間下的復(fù)合表面與摩擦對偶的表面形貌.如圖7(a)所示，環(huán)氧樹脂-水凝膠復(fù)合表面在1~6 N的載荷下表界面磨損痕跡相對較輕，當(dāng)載荷為5 N時，復(fù)合表面上的水凝膠存在輕微磨損，通過相對應(yīng)的摩擦對偶照片，如圖7(b)所示，可以看出隨著載荷的增加，PDMS對偶劃痕逐漸加深. 當(dāng)載荷增加到6 N時，復(fù)合表面上的鉤狀物微結(jié)構(gòu)已經(jīng)有較為嚴(yán)重的磨損，而相對應(yīng)的PDMS對偶則同樣被微結(jié)構(gòu)劃破刺穿. 這表明，當(dāng)載荷為6 N時，摩擦過程中承受載荷法向力的是復(fù)合表面中的環(huán)氧樹脂. 此時，正反方向均有較大的摩擦力，進(jìn)而導(dǎo)致各向異性摩擦力相對較小.

Fig. 7 The wear morphologies of epoxy-hydrogel and PDMS pairs that after friction tests with different loads: (a) wear micrographs of epoxy-hydrogel surfaces with different loads; (b) wear morphologies of PDMS pairs with different loads圖7 環(huán)氧樹脂-水凝膠復(fù)合表面在不同載荷下的復(fù)合表面磨損與對偶磨損圖：(a)復(fù)合表面在不同載荷下的磨損圖；(b)摩擦對偶在不同載荷下的磨損圖

綜上所述，環(huán)氧樹脂-水凝膠復(fù)合表面在交聯(lián)配位時間為6 h、載荷為5 N時具有最大的各向異性摩擦力. 究其原因，當(dāng)樣品浸泡時間較短時，三價鐵離子與羧基螯合反應(yīng)率低，進(jìn)而導(dǎo)致水凝膠模量較低. 而在低載荷下，復(fù)合樣品的微結(jié)構(gòu)表面是形成的以水凝膠為主體的超低摩擦表面，因此樣品整體摩擦力數(shù)值比較小，導(dǎo)致其各向異性摩擦力沒有體現(xiàn)出來. 當(dāng)復(fù)合樣品浸泡配位6 h時，水凝膠配位交聯(lián)程度適中，水凝膠網(wǎng)狀物中間的空隙就像1張捕魚網(wǎng)一樣被逐漸收縮拉緊，誘導(dǎo)水凝膠模量增加，從而導(dǎo)致在摩擦過程中在低載荷下水凝膠起作用，各向異性摩擦力相對較??；而在高載荷下，復(fù)合表面取向微結(jié)構(gòu)起作用，進(jìn)而獲得較大的各向異性摩擦力. 當(dāng)樣品浸泡時間增加到8 h時，隨著摩擦載荷的增加，盡管各向異性摩擦力也隨之增加，但在5 N載荷下其數(shù)值仍然相對較小(與配位6 h時相比較). 這是因?yàn)楫?dāng)復(fù)合樣品配位交聯(lián)時間過長時，水凝膠配位交聯(lián)徹底，形成了具有極為致密網(wǎng)絡(luò)的水凝膠. 雖然其模量較大，但在摩擦過程中，PDMS摩擦對偶無法摩穿微結(jié)構(gòu)表面的致密水凝膠，因此無法與取向微結(jié)構(gòu)的鉤狀倒刺結(jié)構(gòu)進(jìn)行接觸，從而導(dǎo)致各向異性摩擦力相對較小. 為進(jìn)一步觀察復(fù)合表面的各向異性摩擦力，選擇最典型的具有各向異性摩擦力最大值的配位6 h的摩擦測試曲線進(jìn)行觀察，如圖8所示. 其中，將摩擦對偶滑動方向與微結(jié)構(gòu)取向一致定義為正方向摩擦力，摩擦對偶滑動方向與微結(jié)構(gòu)取向相反定義為反方向摩擦力[圖8(a)]. 可以看出，隨著載荷的增加，復(fù)合表界面的摩擦各向異性越來越明顯. 當(dāng)載荷增加到5 N時，正方向的摩擦力為1.64 N，反取向摩擦力最大值為3.44 N，正反方向摩擦力差值可達(dá)1.80 N. 此外，可以清晰地看出正方向和反方向的摩擦曲線振幅相對平穩(wěn)[圖8(b~f)]，說明環(huán)氧樹脂-水凝膠復(fù)合表面摩擦力重復(fù)性較好. 簡而言之，通過此種軟硬復(fù)合的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)表面各向異性摩擦力在不同載荷下的動態(tài)調(diào)控，即低載荷下摩擦對偶能夠與軟質(zhì)水凝膠相接觸，復(fù)合表面不具有或具有較低的各向異性摩擦力；而在高載荷下摩擦對偶與硬質(zhì)取向微結(jié)構(gòu)相接觸，復(fù)合表面具有較大的各向異性摩擦力.

Fig. 8 (a) Schematic diagram of positive and negative friction; Frictional curves of epoxy-hydrogel surfaces under the loads of (b) 1 N, (c) 2 N, (d) 3 N, (e) 4 N and (f) 5 N圖8 (a)正反方向摩擦力示意圖；環(huán)氧樹脂-水凝膠復(fù)合表面在(b) 1 N、(c) 2 N、(d) 3 N、(e) 4 N和(f) 5 N載荷下的摩擦力曲線

3 結(jié)論

本文中以軟硬復(fù)合表面為研究對象，采用高精度3D光固化打印技術(shù)，結(jié)合水凝膠原位生長方法構(gòu)筑了仿生取向環(huán)氧樹脂-水凝膠復(fù)合表面. 在此基礎(chǔ)上，為了更好地探究其各向異性摩擦行為，將制備的復(fù)合表界面浸泡于三氯化鐵溶液中，使溶液中的三價鐵離子與水凝膠溶液中的羧基進(jìn)行螯合配位形成化學(xué)/物理雙交聯(lián)的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高水凝膠模量，支撐其完成相關(guān)的摩擦學(xué)測試. 研究結(jié)果表明，通過控制時間可以獲得不同模量的水凝膠. 在配位交聯(lián)6 h時水凝膠模量為3.6 MPa. 在5 N摩擦載荷下，此時軟硬復(fù)合表界面具有最為明顯的摩擦各向異性，正方向摩擦力為1.64 N，反方向摩擦力為3.44 N，正反方向的摩擦力差值為 1.80 N. 本研究基于環(huán)氧樹脂和水凝膠來構(gòu)筑具有軟硬復(fù)合的仿生表界面，相信可以為智能摩擦調(diào)控及軟體機(jī)器人等領(lǐng)域的發(fā)展提供技術(shù)和理論指導(dǎo).