向自然学习,通过模拟和移植生物体的各种神奇功能,诸如自身特殊的结构,各种器官的功能、体内物理和化学的过程、能量的供给、信息的加工、记忆与传递等,自古以来就是人类发明创造的灵感源泉。自然界动植物表皮经过35亿多年的“自然演化”,形成了许多形状奇妙、功能丰富、性能优异的表层微纳结构,如荷叶表面乳突结构的自清洁效应、鲨鱼表皮肋状结构的降阻特性、飞蛾眼睛纳米结构的增透效应,为我们解决实际的工程问题提供了广阔的思路。潮湿环境下调节接触副间的摩擦和黏附是表面设计的一个重大需求。本文以树蛙、蝾螈、石蛙等两栖动物脚掌表面特殊的湿黏附行为背景,研究固/液/固系统在接触与黏附行为中的力学特性,并通过在PDMS表面制备出不同参数的仿生微结构,以此来探究其对界面湿黏附的作用机制。本文首先针对本课题的研究特点与需求,设计、搭建了一台新型表面微观力学测试系统。在此基础之上,研究了湿黏附系统中夹层液膜的坍塌机制,提出相应的调控策略;测试和分析了界面润湿性与基体粘弹性对界面接触与脱附动态行为的影响;随后在PDMS表面仿生制备了不同参数的微结构,研究其柔软度、形状、几何尺度对表面或界面的润湿性能和黏附性能的影响,并阐述其内在作用机理;最后基于磁流体液桥提出了一种外部磁场激励的可逆或可控湿黏附系统。主要结论归纳如下:⑴所搭建装置的测控程序代码采用Labview进行模块化编写,图形化显示功能界面,可操作性较强。系统的黏附与摩擦学测试的力学分辨率分别为1.018×10-2μN与1.876×10-2μN,量程为μN～N;在100 m N载荷下,测头倾斜角≤(6.4×10-4)o,切向位移≤0.28μm;移动平台的行程为20 mm,位置精度0.001μm,达到了设计指标,具备了进行黏附、摩擦、压痕等科学试验的能力。⑵研究发现玻璃测头与PDMS接触区域的水膜很不稳定,极易倒塌,形成固/固直接接触行为。加入一定量SDS分子可以在固/固界面间生成双电子层排斥势,有效降低水膜的不稳定性,抑制其坍塌现象,减少湿黏附系统中的直接接触作用,且含量越高效果越明显。⑶柔性材料内部的粘弹性耗散抑制了界面动态接触与脱附过程中材料的弹性响应。压印测试中,力与深度呈现线性关系,由JKR模式转向Hertz模式;脱附行为显现明显的“粘-裂”现象,产生的黏附力远大于JKR理论值。水和乙醇溶液会降低测头与PDMS表面的接触面积,缩小脱附过程中的“粘着”范围,削弱干黏附的强度。⑷在完全润湿状下,由界面“紧密接触”引起的短程力和长程的毛细力共同作用着湿黏附力。六边形柱状阵列的“排水效应”可以增加表面湿黏附作用,且增加微结构的柔软度可以有效地提高短程作用项。不润湿状态下,界面间的“直接接触力”主导了湿黏附作用。六边形微结构的引入降低了界面接触面积,增加了疏水作用,不利于表面黏附作用。在部分润湿状态下,湿黏附力主要为毛细作用力,六边形微结构能够增加固液接触面积,增强毛细作用力。⑸在水润湿状态下,四边凸起与凹坑阵列表现类似,均可以增加表面静态接触角,且几何尺度越小,表面疏水性越强。小尺度下,表面微结构诱发形成的水膜隔绝了测头与基体的接触,毛细作用主导了系统的黏附力,其值较小;大尺度下的微结构表面易发生去湿行为,黏附作用取决于界面间“直接接触力”。对于硅油润湿状态,开放式凸起阵列通过沟槽作用增加了表面润湿性能且表现出尺度依赖性,而封闭式凹坑阵列由于棱形边缘阻碍效应,降低了表面润湿性能,其几何尺度对表面润湿性几乎没有影响;四边凸起阵列表面的黏附力随着尺度的增大而增加,凹坑阵列的黏附力随着尺度的收缩而增加。⑹外加的磁铁激励在磁流体液桥内产生了磁场强度分布差异,它可以有效地调节液桥的湿黏附力。本文中,随着所加磁铁直径的变化,系统毛细力呈现出先减小后增大现象,展现出了一种可转换的黏附行为。在磁场激励状态下,液桥体积的增加会减少毛细黏附的强度,但在无磁场激励的状态下,液桥体积的变化对毛细作用无明显影响。