相对湿度对材料表面粘附力影响的研究

利用自制微摩擦及粘附力测试装置考察了在微载荷条件下,相对湿度对Si(100)材料表面粘附力的影响,分析了在大气环境中水分子的毛细作用力和范德华力对粘附力的贡献,并以BET吸附模型为基础推导出考虑湿度影响的粘附力计算公式.结果表明:在微载荷条件下,相对湿度对材料表面的粘附力影响十分显著,随着相对湿度升高粘附力增加,特别是相对湿度RH在40%～80%之间时,粘附力变化最为显著;当相对湿度RH小于20%时,范德华力大于水的毛细作用力且占主导地位;当相对湿度RH大于20%后,水分子的毛细作用力不断增加,同时范德华力因水膜的存在而降低,水的毛细作用力占主导地位.     

工程粗糙表面粘着磨损的分形学研究

建立了分形接触模型,并在Ａｒｃｈａｒｄ粘着磨损理论基础上,结合磨损过程中剪切应力对实际接触表面的影响,建立了弹、塑性接触条件下的粘着磨损分形模型,通过试验得出了磨损体积损失与分形参数的关系,为降低磨损与加工成本及确定表面最佳分形维数提供了实验依据．     

表面力仪及固体表面微观接触机理的实验研究

利用以等色序条纹技术为核心的表面力仪,使２个分子级光滑的圆柱状云母表面在一定载荷下接触,测量其接触区尺寸和接触表面和变形情况。在两表面间使用不同介质以进行有粘着接触和无粘着接触２种条件下的实验,并将测量结果与Ｈｅｒｔｚ理论（无粘着接触）和ＪＫＲ理论（有粘着接触）进行对比。发现在无粘着接触条件下的试验结果与Ｈｅｒｔｚ理论相吻合;而在有粘着接触条件下则测量到了ＪＫＲ理论所预言的“颈缩”现象。     

粗糙度对4种聚氨酯弹性体粘着性能的影响

采用生物摩擦磨损试验台测定了4种聚氨酯的弹性模量,研究了表面粗糙度和法向力对粘着力的影响．结果表明：4种聚氨酯的弹性模量在55～1206kPa之间,粘着力由高到低的排序同其弹性模量排序相反,弹性模量较低的试样的饱和粘着力达到15kPa,且表面粗糙度对粘着力的影响不明显;弹性模量较大的试样的粘着力仅为1．5kPa,随弹性模量增加,表面粗糙度的影响增大;试样之间的接触形式同粘着力密切关系,相当于单个凸峰接触的蓝宝石球对聚氨酯试样的粘着力不受法向力的影响,而在平面接触情况下粘着力先随法向力增加而增大,当法向力超过一定(10～15kPa)值后,粘着力增加趋缓并达到饱和值．     

表面力仪的改进及超薄膜流变特性的实验研究

在对原表面力仪进行较大改进的基础上 ,以 5 0 0 SN基础油和十六烷为研究对象 ,进行了超薄膜流变特性的实验研究 .结果表明 :在超薄膜润滑条件下 ,5 0 0 SN和十六烷均表现出明显的非牛顿剪切响应 ,即剪切稀释现象 ;摩擦力幅值随剪切速度的增大急剧上升到最大值 ,然后下降至某一固定值附近并产生波动 ;剪切挤压下的临界膜厚小于静态挤压的临界膜厚 ,剪切运动对吸附层有序结构产生破坏作用     

包含表面效应及Casimir力的纳米阵列弯曲变形分析

研究了包含表面效应及 Casimir 力的纳米阵列弯曲行为。通过表面能模型引入表面效应,基于 Euler-Bernoulli 梁模型,运用最小势能原理推导了控制纳米阵列弯曲变形的一组基本方程并进行了数值求解,主要计算分析了纳米梁根数 N=7、N=20、N=50的纳米阵列。结果表明：在表面效应和 Casimir 力作用下,纳米阵列的弯曲变形量较小,不足以使纳米阵列相互粘附;与阵列始末两端的纳米梁变形相比,纳米阵列中间部分纳米梁的变形可忽略不计。因此,对于包含数量较多纳米梁的纳米阵列,仅需要关注阵列始末两端的纳米梁变形即可。本研究结果对纳米阵列及以纳米阵列为元件的纳米器件的设计和使用具有一定的指导意义。     

弹性屈曲临界力测试方法的理论及实验研究

本文研讨了测定弹性屈曲临界力值的一个静力法和一个动力法.对于前者,论证了Southwell 图解法的广泛适用性;后者的要点是分别测定荷载作用前后结构的自振频率并据之推算弹性屈曲临界力.     

预紧力对G50动态拉伸实验结果的影响研究

螺纹连接是动态拉伸实验中常用的连接方式,试样与波导杆之间连接的松紧程度会对测试结果产生显著影响。在传统分离式霍普金森拉杆的基础上,设计了试样预紧力施加装置,利用改进后的分离式霍普金森拉杆开展了G50材料动态拉伸力学性能实验,并研究了预紧力大小对测试结果的影响。结果表明：未施加预紧力时,在加载初期,波的弥散效应使得透射波出现剧烈振荡,通过应力应变曲线无法有效获取试样的屈服应力等信息。随着预紧力的增加,波的弥散效应得到改善,透射波振荡逐渐减弱,当预紧力达到临界值后,透射波振荡基本消失,通过处理入射波、反射波和透射波能获得较为光滑的应力应变曲线以及材料屈服应力及应变硬化等信息。     

螺栓预紧力对交叉滚子导轨副振动特性影响的实验研究

为了探究交叉滚子导轨间隙螺栓预紧力对双晶单色器关键部件交叉滚子导轨副振动特性的影响规律,开展了不同预紧力下交叉滚子导轨副的正弦扫频试验和随机振动试验,对其振动响应特征进行研究,得到了预紧力对扫频共振峰和低频的振动传递系数的影响规律。此外,本文在对结构进行仿真分析时建立了表征螺栓预紧效果的简化模型,对交叉滚子导轨副的动力学特性参数进行了模型表征。结果表明：交叉滚子导轨副的共振频率随着螺栓预紧力增大而逐渐升高,最终趋于稳定;导轨在低螺栓预紧力情况下存在低频的振动稳定性问题,一定的预紧力可以抑制低频振动失稳所诱发的振动放大现象。     

力-热耦合作用下钛膜的破坏行为实验研究

金属薄膜/聚合物基底(尤其是温度敏感型的聚合物)结构在外力和加热影响下的力学性能变化直接影响到器件的功能和使用寿命。通过光学显微镜原位观察钛膜/有机玻璃基底结构在力-热(20~44℃)耦合作用下的薄膜表、界面响应。在外部轴向压力作用下,薄膜会发生垂直于加载方向的屈曲。保持试件的加载端边界位移不变,对其进行加热,薄膜会出现垂直于屈曲方向的横向裂纹。通过分析发现薄膜产生横向裂纹的原因为:力-热耦合作用促使聚合物基底在非加载端方向的拉应变增大。在不同长度的薄膜裂纹段上,较长裂纹段中心部位上受到基底传递的拉应力较大,产生再次断裂的可能性较高。     

Adhesion model of side contact for an extensible elastic fiber

For accurately predicted adhesion laws of fibrillar structures contribute to the rational design of high-performance biomimetic adhesives, an adhesion model is proposed to study the directional adhesion behavior of an extensible elastic fiber that contacts a rigid smooth surface with its side surface under the coupling effect of normal and shear forces, based on the extensible Euler Bernoulli beam theory and the surface energy concept. The deformed configuration of the fiber is obtained analytically, and on the basis of this result, the detachment mode and the normal pull-off force of the fiber for a given shear force are predicted directly. It is also found that, due to the extensibility of the fiber, there exists a maximum normal pull-off force (MNPF) when an optimal shear force is applied. The MNPF will be enhanced by increasing the axial stiffness, and reduced by increasing the bending stiffness. In addition, generating an optimal pre-tension in the adhered part of the fiber will maximize the MNPF. The derived adhesion law is expected to contribute to the optimal design and applications of single-level fibrillar adhesives.     

CONCAVE BIOLOGICAL SURFACES FOR STRONG WET ADHESION

Plant leaves, insects and geckos are masters of adhesion or anti-adhesion by smartly designed refined surface structures with micro- and nano- ＇technologies＇. Understanding the basic principles in the design of the unique surface structures is of great importance in the manufacture or synthesis of micro- and nano- devices in MEMS or NEMS. This study is right inspired by this effort, focusing on the mechanics of wet adhesion between fibers having concave tips and a flat substrate via capillary forces. We show that the concave surface can effectively enhance the wet adhesion by reducing the effective contact angle of the fiber, firmly pinning the liquid bridge at its circumferential edge. A critical contact angle is identified below which the adhesion strength can achieve its maximum, being insensitive to the contact angle between the fiber and liquid. The analytical expression for the critical angle is derived. Then a tentative design for the profile of concave surfaces is proposed, considering the effects of chamfering size, deformation and buckling, etc. The effect of liquid volume on the wet adhesion of multiple-fiber system is also discussed.     

原子力显微镜形貌测量偏差的机理分析及修正方法

原子力显微镜有多种成像模式,其中轻敲模式是最为常用的扫描方式.轻敲模式能获取样品表面形貌的高度信息和相位信息,其中相位信息具有更多的价值,如能反映样品的表面能、弹性、亲疏水性等.依据振动力学理论,相位与振动系统的能量耗散有关.探针样品间的能量耗散对于理解轻敲模式下原子力显微镜的成像机理至关重要,样品特性和测量环境会影响能量耗散.本文在不考虑毛细力影响下,基于JKR接触模型,给出了探针样品相互作用下的加卸载曲线,结合原子力显微镜力曲线实验,给出了探针-样品分离失稳点的位置,从而计算一个完整接触分离过程的能量耗散,进而讨论考虑表面粗糙度对能量耗散的影响.在轻敲模式下考虑毛细力影响,通过特征时间对比,证明挤出效应是液桥生成的主导因素,在等容条件下,用数值方法计算了不同相对湿度对能量耗散的影响.通过一维振子模型,简要说明原子力显微镜相位像与样品表面能、杨氏模量、表面粗糙度、相对湿度之间的关系.分析表明,表面粗糙度和环境湿度均会引起相位的变化,进而认为它们是引起赝像的因素.     

Regulation of Cell Adhesion Free Energy by External Sliding Forces

Cells experience a variety of forces and external velocities in vivo. While a number of continuum based models have addressed cell substrate interactions in these dynamic environments, a molecular picture of adhesion under external sliding forces and velocities is lacking. Using a molecular thermodynamic model, that incorporates entropic and steric repulsions, molecular conformations and constraints, penetrable substrates and explicit binding interactions, we study the effect of external sliding velocities on cell adhesion. We map the free energy landscapes under a broad range of external forces, binding energies and receptor surface coverages. Our calculations predict the regimes where free energy landscapes become resistant to external forces. Our model shows good agreement with experimental studies and lays out a scalable framework for analyzing and quantifying a broad spectrum of in vivo and in vitro adhesion studies.