西安交大邵金友、田洪淼团队《Adv. Funct. Mater.》：开发出适用于低温的电热变刚度粘附结构

2023-12-04 来源：高分子科技

壁虎、蜘蛛等动物可以在具有不同形貌的竖直/负表面上自由攀爬，表现出卓越的攀爬能力。受这些动物的生物粘附性能的启发，仿生干粘附结构被开发并在近二十年内取得诸多进展，在攀爬机器人、抓取和操作机器人、自粘附柔性电子器件等方面被广泛应用。尽管针对极端环境（低压、高温、强辐射）的干粘附结构取得了一些实质性进展，但在低温环境（太空和极地）中的强粘附性能却很少实现。开发具有优异低温粘附性能的干粘附结构仍然是其工程应用的挑战性难题。

基于变刚度的电热干粘附结构

近期，西安交通大学邵金友、田洪淼团队提出了一种基于变刚度的电热干粘附结构（EDA）。不同于传统的由硅橡胶制备的粘附结构，该粘附结构由炭黑参杂的硅橡胶通过模塑工艺制备而成。基于粘附材料的电热效应，其自身温度和刚度可以通过控制外加电压来调节，这赋予了电热粘附结构在软状态和硬状态之间可逆切换的能力。根据软接触-硬抓取的粘附策略（即在软状态下接触，在硬状态下抓取），所提出的电热干粘附结构在低至-90℃的温度下表现出1063 kPa的卓越粘附性能。当粘附结构在低温环境中接近目标表面时，结构刚度调整为软状态（施加电压），以实现目标表面的共形接触；在拾取目标物体时切换到硬状态（移除电压），以实现目标表面的高强度附着，如图1所示。所提出的电热干粘附结构在-90℃下的粘附强度超过1 MPa，是相同情况下传统硅橡胶粘附结构粘附性能的3个数量级。相关研究成果以“Electrothermal Dry Adhesives with High Adhesion Under Low Temperatures Based on Tunable Stiffness”为题发表《Advanced Functional Materials》上，西安交通大学张晋瑜博士为论文的第一作者。

图1 基于变刚度的电热粘附结构设计思路

电热干粘附结构的电热性能

粘附结构通过电压调控，实现在低温环境中粘附结构自身温度和弹性模量的控制，完成软状态和硬状态之间的可逆切换。基于粘附材料的电热效应，在4.8W的低加热功率下，粘附结构温度即可超过软/硬状态转变温度（-60℃），如图2所示。优异的电热性能赋予了粘附结构在软状态和硬状态之间可逆切换的能力，为实现低温强粘附性能奠定了基础。

图2 电热粘附结构的电热性能

刚度调控下的粘附增强机制及低温粘附性能

研究团队建立了基于cohesive单元的力学模型，探究了刚度调控下的表面粘附增强机制，如图3所示。在接触期间，软状态的蘑菇形微结构可以产生足够的形变，以实现目标表面的共形接触；在分离期间，高弹性模量有利于产生更平坦的界面应力分布，硬状态的蘑菇形微结构和目标表面之间的界面裂纹从接触区域中心产生并迅速向四周扩展，直至整个界面完全分离。相比于纯软的蘑菇形结构和纯硬的蘑菇形结构，软-硬状态的（即软接触-硬分离）蘑菇形结构表现出最优的粘附性能。基于上述所提出的软接触-硬抓取的粘附策略，软-硬状态的电热干粘附结构在-60℃ ~ -90℃下的粘附性能超过770 kPa，是相同情况下传统硅橡胶粘附结构粘附性能的两个数量级以上，如图4所示。此外，相比于已报道的各种硅橡胶基的粘附结构和水凝胶基粘附材料，所提出的电热粘附结构在低温粘附性能和最低操作温度方面都表现出显著优势。

图3 电热粘附结构的粘附增强机制

图4 电热粘附结构的低温粘附性能

粘附操纵展示

研究团队将电热粘附结构集成到高低温试验设备中，成功实现了在-90℃低温下对各种材质物体的抓取操作，如图5所示。粘附结构仅在接触期间需要供能，随后转变为无功耗的硬状态，相比于持续加热的方式极大地减小了电能消耗。

图5基于变刚度的电热粘附结构的物体操纵展示

小结

邵金友、田洪淼团队长期致力于微纳结构界面仿生粘附相关研究，已经在界面粘附机制、仿生粘附结构制备、智能机器人开发等领域做出大量创新性工作。本研究所提出的基于变刚度的电热粘附结构，利用粘附材料的电热效应实现软状态和硬状态之间的可逆切换，将仿生干粘附结构的低温粘附性能提升至兆帕级别，并将其可工作温度拓展至-90℃。本研究有望促进仿生干粘附在低温环境（太空、极地等）中的应用，例如在轨抓取、制冷技术中的低温操作等。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202309800

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（责任编辑：xu）

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