仿荷花花苞微织构硅胶材料的力学及摩擦学行为研究

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近些年,科技得到了迅猛地发展,诸多领域对机器人柔性需求的增加已是大势所趋,传统的刚性部件由于自身的局限性限制了其应用。基于此,由可承受大应变的柔性材料制成的软体机器人受到了极大地关注。软体材料与外界物体之间的摩擦学行为是软体机器人在多种环境下工作的重要保障。表面织构技术已经成为研究现代摩擦学的一种重要手段。因此,本文以荷花花苞为模板,以Ecoflex硅橡胶为原材料,制备了带有荷花花瓣表面微织构的试样,并对试样的力学及摩擦学行为进行研究,具体研究工作如下:(1)以Ecoflex 00-30为原材料,自然界植物荷花花瓣表面的微织构为模板,采用模板法在硅胶表面制备了带有荷花花苞表面微织构的试样。利用光学显微镜对样品表面形貌进行表征,发现所复制的微织构尺寸在20μm-50μm间。利用角接触测量仪,对所制备的织构化Ecoflex试样进行测量,测得接触角为152.4°,呈超疏水特性。利用拉伸试验机,对微织构Ecoflex试样进行单轴拉伸试验,结果显示有微织构Ecoflex材料的应变范围比无微织构材料的应变大。(2)基于UG(Unigraphics)与COMSOL Multiphysics多物理场耦合软件,对微织构PDMS试样进行摩擦学仿真,并对仿真数据进行归纳,绘制成表进行分析。(3)基于软织构/硬试件对偶件,对仿生荷花花苞微织构Ecoflex试样进行三种润滑介质状态的摩擦学试验。从理论角度对不同润滑工况下不同厚度的荷花织构样品的摩擦学机理进行探索。(4)基于软织构/软试件对偶件,进行了三种润滑介质状态下对仿生荷花花苞微织构Ecoflex试样的摩擦学试验。发现水润滑工况下,由于弹性形变等因素,导致2 mm厚度的仿生荷花花苞微织构试样由增摩向减摩转化,而3 mm厚的荷花微试样由减摩向增摩转化。研究工作将为软体机器人在多环境下的服役性能改善提供实验参考。
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