CN116787881A - 一种三明治夹层结构仿生摩擦垫及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三明治夹层结构仿生摩擦垫，包括平面基底、中间支撑层、末端接触层，所述中间支撑层连接平面基底与末端接触层，所述中间支撑层为非对称线性阵列。还包括三明治夹层结构仿生摩擦垫的制备方法。该三明治夹层结构仿生摩擦垫减小了结构法向上的刚度，使其能在较小预压力下实现形变，降低了结构的表面刚度，增大界面之间的有效接触面积，进而增大切向摩擦，本发明设计的一种三明治夹层结构仿生摩擦垫能够有效满足一类低功率实现切向高摩擦的应用场景需求。
Description
技术领域
本发明属于摩擦垫技术领域，具体涉及一种夹层结构仿生摩擦垫及其制备方法。
背景技术
自然界中几种附着系统的效率和多功能性，例如壁虎、甲虫、蜘蛛或蜗牛，一直是材料科学家和工程师的灵感来源：在许多情况下，它们在各种光滑和粗糙表面具有出色的运动和黏附能力，这是由于它们的接触器官上的图案化微纳米结构。
美国专利US009340708B2通过模仿树蛙，在大支柱阵列设置微小凸起，制得增摩材料。该发明产品可以获得较大黏附力与切向摩擦力，但其可变形材料的选择与微小凸起结构的设计，使得制得产品较易磨损，不具有多次使用的能力，性价比较低。美国专利US008524092B2设计了有哑铃状的支柱阵列组成的干黏附材料，该材料可达到较大切向摩擦，且结构刚度较小，即结构发生形变所需的法向压力较小，可在低预压力下实现切向高摩擦。但该结构自清洁能力较差，污损后性能下降较多，能运用的场所有限。为此，学者们提出了多层级仿生摩擦垫的想法。
多层级的仿生摩擦垫是一项受自然设计原理启发的技术创新。它的灵感来自于在壁虎和其他攀爬动物身上观察到的黏性。壁虎脚上有数百万根被称为刚毛的细小毛发，这些毛发产生被称为范德华力的分子间力。这些力量使壁虎能够附着在光滑或垂直的表面上。这种先进的摩擦垫在其设计中融入了仿生原理，模仿壁虎脚上的层次结构，以增强其黏附力和摩擦能力，使设计产品能够附着在各种表面上。摩擦垫由多层夹层结构组成。顶层和底层由柔性和弹性材料制成，而中间层包含一系列微小的柱子。这些支柱模仿壁虎脚上的刚毛，增加了接触表面积，微观柱和接触表面之间的相互作用产生范德华力，增强了附着力。
学者Gabriela Moreira Lana设计了具有摩擦效果的薄膜封端的原纤维微结构(请参见Film-Terminated Fibrillar Microstructures with Improved Adhesion onSkin-like Surfaces，Gabriela Moreira Lana,Xuan Zhang,Christian Müller,RenéHensel,and Eduard Arzt ACS Applied Materials&Interfaces 2022 14(41),46239-46251)，此研究中的中间支撑层因其出色的完全保形接触而产生的较大干摩擦效果得到广泛关注。然而，此研究中的微结构刚性相对较大，不易实现低预压力下高摩擦。学者HamedShahsavan设计并制备了一种由弹性仿生微柱阵列和粘弹性终端薄膜组成的混合粘接结构(请参见Biologically inspired enhancement of pressure-sensitive adhesivesusing a thin film-terminated fibrillar interface，Hamed Shahsavan and BoxinZhao，Soft Matter 2012 8)。这种混合设计使材料具有强粘合性和受控的界面变形。但其较易变形，重复使用性能差，使用成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三明治夹层结构仿生摩擦垫，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种三明治夹层结构仿生摩擦垫，包括平面基底、中间支撑层、末端接触层，所述中间支撑层连接平面基底与末端接触层，所述中间支撑层为非对称线性阵列。
所述中间支撑层与末端接触层制作材料为弹性体有机高分子材料，如硅橡胶等。
所述中间支撑层可以是各种各样的具有增摩效果的结构，包括但不限于L型、S型、楔形、鼓形的阵列结构。
所述中间支撑层非直柱形结构在完全屈曲后，中间层结构互不干涉。
所述末端接触层厚度与中间支撑层厚度比值在0.4～0.7之间。
一种三明治夹层结构仿生摩擦垫的制备方法，包括以下步骤：
浇筑，向模具中加入硅橡胶；
固化脱模形成平面基底与中间支撑层；
将平面基底与中间支撑层与末端接触层粘连，固化脱模后形成摩擦垫。
本发明制得的三明治夹层结构仿生摩擦垫提供了几种潜在的应用。它可以用于机器人和自动化，使机器人能够爬墙或在具有挑战性的地形中工作。它还可以应用于需要安全抓取的行业，如制造、物流和医疗保健，用途广泛。
将本发明制备的三明治夹层结构仿生摩擦垫与相同材质相同厚度直柱形中间支撑层的普通平面无结构聚合物摩擦垫进行摩擦性能实验。实验结果表明，本发明制得的三明治夹层结构仿生摩擦垫，可以在相同预压力下获得更大摩擦力，获得低功率实现高摩擦的效果。
本发明的技术效果和优点：该三明治夹层结构仿生摩擦垫减小了结构法向上的刚度，使其能在较小预压力下实现形变，降低了结构的表面刚度，增大界面之间的有效接触面积，进而增大切向摩擦，本发明设计的一种三明治夹层结构仿生摩擦垫能够有效满足一类低功率实现切向高摩擦的应用场景需求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的实物的微观结构图；
图3为实施例二、三、四、五中不同中间层的三明治夹层结构仿生摩擦垫的示意图；
图4为实施例二、三、四、五中不同中间层的三明治夹层结构仿生摩擦垫的实物图；
图5为实例中三明治夹层结构仿生摩擦垫与平面垫的摩擦性能测试结果；
图6为本发明三明治夹层结构仿生摩擦垫的制备方法流程图。
图中：10、末端接触层；20、中间支撑层；30、平面基底。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
实施例一：
如图1所示，本实施例一提供的三明治夹层结构仿生摩擦垫由平面基底、中间支撑层、末端接触层三部分组成。中间支撑层连接平面基底与末端接触层。中间支撑层为实心L形非直柱结构，宽度为250μm，高度为838μm，间距为400μm。中间支撑层非直柱形结构在完全屈曲后，中间层结构互不干涉。平面基底厚度为200μm。末端接触层厚度为595μm。末端接触层厚度与中间支撑层厚度比值为0.7。该实施例结构材质为40A硅橡胶。
使用摩擦磨损测试仪，进行摩擦力测试。测试结果如图5所示。
由测试数据可知，在相同预压力下，40A硅橡胶无结构平面垫的摩擦性能明显小于40A硅橡胶中间支撑层为L形非直柱结构的仿生摩擦垫。这是由于，在施加法向载荷时，非对称中间支撑层的设计使中间支撑层更易发生形变，降低了表面刚度，进而保证界面之间有效的接触面积，获得较大的切向摩擦力。
实施例一中，中间支撑层为实心L形非直柱结构的三明治夹层结构仿生摩擦垫的制作方法如下图所示。包括制作一体成型的中间支撑层与平面基底、制作半固化末端接触层、贴合中间支撑层与末端接触层三步骤。
实施例二：
本实施例二提供的三明治夹层结构仿生摩擦垫，是在实施例一的基础上，改变末端接触层厚度与中间支撑层厚度的比值。中间支撑层仍为实心L形非直柱结构，且在完全屈曲后，中间层结构互不干涉。制作材料仍为40A硅橡胶。该仿生摩擦垫平面基底厚度为382μm。中间支撑层高度为872μm，宽度为250μm，间距为400μm。末端接触层厚度为204μm。末端接触层厚度与中间支撑层厚度的比值为0.4。
使用摩擦磨损测试仪，进行摩擦力测试。测试结果如图5所示。
由测试数据可知，在相同预压力下，40A硅橡胶无结构平面垫的摩擦性能明显小于40A硅橡胶中间支撑层为L形非直柱结构的仿生摩擦垫。
实施例三：
本实施例三提供的三明治夹层结构仿生摩擦垫，是在实施例二的基础上，改变中间支撑层形状。仍然保证在完全屈曲后，中间层结构互不干涉。制作材料仍为40A硅橡胶。末端接触层厚度与中间支撑层厚度的比值仍为0.4。该仿生摩擦垫平面基底厚度为382μm。中间层高度为1mm，宽度为350μm，间距为400μm。末端接触层厚度为400μm。中间支撑层为实心S形非直柱结构。
使用摩擦磨损测试仪，进行摩擦力测试。测试结果如图5所示。
由测试数据可知，在相同预压力下，40A硅橡胶无结构平面垫的摩擦性能明显小于40A硅橡胶中间支撑层为S形非直柱结构的仿生摩擦垫。
实施例四：
本实施例四提供的三明治夹层结构仿生摩擦垫，是在实施例三的基础上，改变中间支撑层形状。仍然保证在完全屈曲后，中间层结构互不干涉。制作材料仍为40A硅橡胶。末端接触层厚度与中间支撑层厚度的比值仍为0.4。该仿生摩擦垫平面基底厚度为380μm。中间层高度为700μm，宽度为620μm，间距为400μm。末端接触层厚度为281μm。中间支撑层为鼓形非直柱结构。
使用摩擦磨损测试仪，进行摩擦力测试。测试结果如图5所示。
由测试数据可知，在相同预压力下，40A硅橡胶无结构平面垫的摩擦性能明显小于40A硅橡胶中间支撑层为鼓形非直柱结构的仿生摩擦垫。
实施例五：
本实施例五提供的三明治夹层结构仿生摩擦垫，是在实施例四的基础上，改变中间支撑层形状。仍然保证在完全屈曲后，中间层结构互不干涉。制作材料仍为40A硅橡胶。末端接触层厚度与中间支撑层厚度的比值仍为0.4。该仿生摩擦垫平面基底厚度为380μm。中间层高度为1mm，上宽度为1.48mm，下宽度为430μm，间距为400μm。末端接触层厚度为400μm。中间支撑层为实心楔形非直柱结构。
使用摩擦磨损测试仪，进行摩擦力测试。测试结果如图5所示。
由测试数据可知，在相同预压力下，40A硅橡胶无结构平面垫的摩擦性能明显小于40A硅橡胶中间支撑层为鼓形非直柱结构的仿生摩擦垫。
本发明提出的一种引进的“非直柱中间支撑层”制备摩擦材料的思路，为摩擦研究与材料设计提供了一种新的方法，能更好地满足工业的要求。
一种三明治夹层结构仿生摩擦垫的制备方法，包括以下步骤：
浇筑，向模具中加入硅橡胶；
固化脱模形成平面基底30与中间支撑层20；
将平面基底30与中间支撑层20与末端接触层10粘连，固化脱模后形成摩擦垫。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (8)
1.一种三明治夹层结构仿生摩擦垫，其特征在于：包括
平面基底(30)、中间支撑层(20)、末端接触层(10)；
所述中间支撑层(20)连接平面基底(30)与末端接触层(10)；
所述中间支撑层(20)为非对称线性阵列。
2.根据权利要求1所述的一种三明治夹层结构仿生摩擦垫，其特征在于：所述中间支撑层(20)与末端接触层(10)的材料为弹性体有机高分子。
3.根据权利要求2所述的一种三明治夹层结构仿生摩擦垫，其特征在于：所述弹性体有机高分子包括硅橡胶。
4.根据权利要求1所述的一种三明治夹层结构仿生摩擦垫，其特征在于：所述平面基底(30)和中间支撑层(20)一体化成型。
5.根据权利要求1所述的一种三明治夹层结构仿生摩擦垫，其特征在于：所述中间支撑层(20)包括L型、S型、鼓形的阵列结构。
6.根据权利要求1所述的一种三明治夹层结构仿生摩擦垫，其特征在于：所述中间支撑层(20)在完全屈曲后，结构互不干涉。
7.根据权利要求1所述的一种三明治夹层结构仿生摩擦垫，其特征在于：所述末端接触层(10)厚度与中间支撑层(20)厚度比为0.4～0.7。
8.一种根据权利要求1-7任一所述的三明治夹层结构仿生摩擦垫的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
浇筑，向模具中加入硅橡胶；
固化脱模形成平面基底(30)与中间支撑层(20)；
将平面基底(30)与中间支撑层(20)与末端接触层(10)粘连，固化脱模后形成摩擦垫。
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