科研动态|我院科研人员在曲面褶皱微纳摩擦领域取得新进展
2019-05-08 17:31:41

表面图案化往往赋予材料独特的力学、物理及化学性能,因此成为了微纳材料/器件制备的一种重要手段。对于平面型硬膜/软基体系,通过对称失稳而自发形成的表面褶皱(wrinkling)已成为了高效、便捷的表面图案化方法之一,可实现对其功能性的宽域调控,并逐步得到了广泛的应用。相比之下,如何人为地控制曲面型膜(壳)/基(核)体系的表面褶皱目前仍然是国际上该领域的难题。由于曲面图案表面在生物医学和机器人工程等诸多领域得到了越来越多的应用,例如生物医学上的药物吸附和细胞吸附,以及机器人工程上的末端执行器等,在这些应用中足够的表面微纳摩擦力是保证其功能性能得以实现的必要前提,所以曲面体系的表面褶皱图案化及其摩擦特性的研究具有重要的理论与实际意义。

 

针对上述问题,西安交大金属材料强度国家重点实验室孙军教授团队博士研究生原浩植、青年教师吴凯博士和刘刚教授等人采用溅射方法在聚二甲基硅氧烷(PDMS) 微球上制备了金属薄膜褶皱表面,建立了系统的金属褶皱图案相图(包括凹坑型dimple、迷宫型labyrinth和人字型herringbone三种形貌,见左图),发现了褶皱尺寸与微球曲率之间的幂律关系,从而实现了基于微球曲率半径和薄膜厚度耦合调控的金属表面褶皱形貌与尺寸的精确控制。研究结果进一步发现,曲面型膜(壳)/基(核)体系的表面微纳摩擦性能强烈地依赖于褶皱的尺寸、形貌和取向(右上图)。其中迷宫型褶皱表面(右下图红色曲线)的摩擦性能具有各向同性,而人字型褶皱表面(右下图蓝色曲线)的摩擦则表现出明显的各向异性,并对褶皱取向敏感。该研究工作实现了曲面体系上表面褶皱的可控制备,揭示了褶皱特性/参量对表面微纳摩擦性能的影响,为曲面体系褶皱表面的摩擦学设计提供了重要的理论指导。

该研究成果日前以《曲率控制的褶皱表面及其摩擦性能》(Curvature-Controlled Wrinkling Surfaces for Friction)为题在国际著名学术期刊《先进材料》(Advanced Materials, IF=21.95)上发表,西安交通大学为该论文的唯一作者单位。

该研究工作得到了国家自然科学基金和“111”引智计划项目的资助。

文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201900933

 

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