微纳米复合材料研究所在探究粘附材料动态粘附方面取得重要进展

聚合物粘附材料能与各种材料的基底产生范德华力，在生物工程，传感器等领域有重要应用。过去几十年，人们对粘附材料的粘附性能进行了广泛研究，特别是在动态粘附领域，拉拔速度对粘附性能有显著影响。评价粘附性能的参数主要分为两类：力指标（如拉脱力和粘附功）和持粘指标（如分层时间和粘附冲量）。在粘性材料领域，拉脱力随拉拔速度的变化会导致其他相关粘附参数的变化。目前主流的粘性材料设计和应用主要考虑拉脱力和粘附功，但在无重力空间环境等条件下，粘附冲量更值得关注。

近期，中国科学技术大学微纳米复合材料研究所张忠教授团队，在研究粘附材料动态粘附方面，提出了一种新的理论框架。研究旨在系统地探究不同截面的弹性体在动态粘附过程中的粘附参数响应，重点关注四个关键性能参数：拉脱力、粘附功、分层时间和粘附冲量。通过提出力位移曲线的相似性假设，建立了这些粘附参数与拉拔速度之间的幂率关系，阐明了它们的动态响应特性，并通过实验验证了理论的可行性和普适性。研究使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）弹性体样品和玻璃基底进行分层实验。实验中，PDMS弹性体样品在不同拉拔速度下从玻璃基底上分层，通过分析力-时间曲线和力-位移曲线，得到了拉脱力、分层时间、粘附冲量和粘附功等参数。研究结果表明四种粘附性能参数与拉拔速度都满足幂率关系，拉脱力和粘附功随拉拔速度的增加而增大，而分层时间和粘附冲量则随拉伸速度的增加而减小。这表明在动态条件下，力指标和持粘指标之间存在竞争关系。之后基于粘附冲量与拉拔速度的幂率关系，估计了无重力环境下粘附机械爪碰撞捕获目标物体的最大允许速度。本研究为优化粘性材料在动态条件下的应用策略和工程设计提供了理论支持，同时为无重力环境下碰撞粘附的最大速度预测提供了理论依据，对空间捕获技术等领域具有重要意义。相关研究以”Dynamic adhesion response of elastomers with square and circular cross-sections”为题，发表在固体力学领域著名期刊Engineering Fracture Mechanics上。

本研究首先从实验出发，对于不同厚度、不同截面形状（圆形和方形）的PDMS弹性体样品，在不同拉拔速度vpull下进行分层实验，如图1所示获取其力-位移曲线和力-时间曲线，定义并测量了拉脱力Pc、分层时间Tc、粘附冲量Iad和粘附功Wad这四个粘附性能参数。Gent-Schulz定律作为唯象模型广泛用于动态粘附分析，认为在分层过程中裂纹尖端处发生显著能量耗散，而弹性体其他部分的能量耗散可以忽略不计。所以粘附材料整体依然可以视为线弹性体，从而在粘附力达到拉脱极限前，弹性体伸长量δ正比于粘附力P，且力位移曲线斜率不随拉拔速度增大而增大。所以对于同一样品，如图2所示，其不同拉拔速度下的下的负力值部分的力位移曲线是相似的。