2010年2月期刊俱乐部:模式化和结构化接口的机制

欢迎加入2010年2月期刊俱乐部!这个月，我期待着一场关于结构化和模式化界面的力学的热烈讨论，在这些界面中，几何图形被用来定制粘附性。这一领域的许多工作都受到了各种动物和昆虫的启发，这些动物和昆虫的脚上覆盖着小结构(通常是有层次的，最后大小达亚微米)，这使它们能够强烈地附着在广泛的表面上。最著名的例子是Tokay壁虎(Gekko壁虎)，它们的黏附力远大于自身重量，并能迅速在足部与一系列光滑或粗糙的表面之间形成和分离黏附接触。在这个月的期刊俱乐部中，我不想专门深入研究Gecko粘附的机制，而是想重点介绍几篇通过结构化接口的建模和实验工作来阐明模式化接口粘附的基本机制的论文。

在大部分工作中所考虑的基本问题是两个弹性体的粘附，其中一个具有图案或结构的表面。表面的图案可能由破坏裂纹扩展但不改变柔度的浅槽组成，或者，更常见的是，可能是同时改变接触面积和柔度的纤原性或高纵横比结构的阵列。结构表面通常是聚合物(E~1-10兆帕)，通常与更坚硬的平面玻璃、硅或蓝宝石表面接触(E~70-400兆帕)。粘附通常是非特异性的(例如，范德华力)，两个物体在室温接触后粘附在一起。由于结构的存在而引起的附着力增强通常是通过接触探针附着力测试来测量的，在该测试中，球体或平面冲头与表面接触，然后在测量力时从表面收回。

我建议的前两篇论文是MRS简报上的简短综述论文。这些论文是一个快速阅读，并给出了工程结构界面的基本力学和一些实验测量的很好的概述。如果你这个月只有30分钟的时间来参加日记俱乐部，我建议你从这些开始。

E. Chan C. Greiner E. Arzt和A.J. Crosby夫人公告， 32, pp. 496-502 (2007)
本文回顾了由于图案增强附着力的基础知识，并回顾了该领域的一些关键实验测量。作者特别讨论了结构在界面处的纵横比的作用，并指出高纵横比结构有多个好处:(1)这种特征降低了柔度，反过来通过弹性调节允许更大的接触来提高对粗糙表面的附着力;(2)这种特征减少了沿界面的应力集中，有效地“钝化”裂纹。作者还回顾了一系列实验测量，并指出选择一个量来描述粘附性并不简单，经常使用多个值，包括分离力、接触强度和有效的粘附功(见论文中的表1)。


A.贾戈塔，C.-Y。新泽西州玻璃制造商Hui和T. Tang，夫人公告， 32, pp. 492-95 (2007)
本文讨论了仿生和仿生纤维界面的基本力学概念。作者列举了一些在控制纤维界面粘附中起作用的关键力学现象(见论文中的表1)。具体来说，他们注意到纤维界面可以比平面更强，因为这些特征可以(1)阻止和钝化裂纹，(2)在裂纹尖端附近的材料中产生更均匀的载荷分担，(3)增加失效时的能量耗散。此外，他们还指出，由于应力集中较低，高展弦比特征通常会导致较高的粘附性，但高展弦比特征也更容易发生屈曲和侧向塌陷，这不利于粘附性。

上面的两篇论文提供了该领域的广阔视角，并介绍了结构化接口行为中的一些关键概念。下面给出的两篇论文是最近的报告，它们强调了结构化接口的一些附加问题和独特特性。

A.V. Spuskanyuk, R.M. McMeeking, V.S. Deshpande和E. Arzt，Acta Biomaterialia， 4, pp. 1669-76 (2008)
纤维界面中结构尖端的形状可以强烈地影响粘附性。壁虎脚趾末端的结构终止于锅铲，许多研究人员已经制造了由蘑菇形状或薄膜末端支柱组成的结构化界面。终端结构的存在比支柱尺寸大，大大增加了工程纤维界面的设计空间。本文采用有限元分析方法研究了蘑菇形柱和简单冲孔柱的应力分布。这项工作的一个关键发现是，由于蘑菇形结构的边缘应力较低，蘑菇形柱对边缘缺陷的敏感程度远低于冲孔形柱。

M.墨菲，B. Aksak和M. Sitti，小， 5, pp. 170-5 (2009)
这最后一篇论文提供了一个复杂工程结构化接口的示例。采用一种独特的制造方法(见文中图6)实现了具有蘑菇尖的角柱阵列。实验表明，这种复杂的结构可以用于创建基于所施加的载荷的不同响应的界面。例如，在本文的图4中，作者表明，他们的系统的粘附力可以通过应用于分离实验的剪切位移的方向来控制。

这四篇论文提供了一个活跃且不断发展的领域的研究样本。请随意提出其他参考文献，并就此处涉及的任何主题发起讨论。