Bio-inspired Studies on Adhesion of a Thin Film on a Rigid Substrate (eBook)

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2015 | 2015
XIII, 97 Seiten
Springer Berlin (Verlag)
978-3-662-46955-2 (ISBN)

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Bio-inspired Studies on Adhesion of a Thin Film on a Rigid Substrate - Zhilong Peng
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The thesis systematically investigates the factors which influence many animals' robust adhesion abilities and micro-reversible adhesion mechanisms, including the geometric principles of their adhesion, relative humidity, surface roughness and pre-tension. Studies exploring biological adhesion mechanisms are not only of great significance for the design of advanced adhesive materials and adhesion systems for micro-climbing robots, but also very helpful for resolving the problem of adhesion failure in MEMS/NEMS.

Parts of this book have been published in the following articles: 6
Supervisor's Foreword 7
Acknowledgments 9
Contents 10
1 Introduction 13
1.1 Progress in Surface/Interface Adhesion Mechanics 13
1.1.1 Contact Mechanics 14
1.1.1.1 Hertz Theory 14
1.1.1.2 JKR (Johnson-Kendall-Roberts) Theory 15
1.1.1.3 DMT (Derjaguin-Muller-Toporov) Theory 15
1.1.1.4 MD (Maugis-Dugdale) Theory 16
1.1.2 Biological Adhesion and Bio-inspired Adhesion 16
1.1.2.1 Experimental Studies on the Biological Adhesion 17
1.1.2.2 Theoretical Studies on the Biological Adhesion 22
1.2 Contents of the Thesis 26
References 27
2 Extension of the Two-Dimensional JKR Theory to the Case with a Large Contact Width 31
2.1 Introduction 31
2.2 Theoretical Model 31
2.2.1 Extension of the JKR Theory 34
2.2.2 Extension of the Hertz Theory 36
2.3 Conclusion 37
References 37
3 Peeling Behavior of a Bio-inspired Nanofilm with Finite Length on a Rigid Substrate 39
3.1 Introduction 39
3.2 Numerical Model 40
3.3 Numerical Results and Discussion 43
3.3.1 Effect of Adhesion Length 43
3.3.2 Effect of the Peeling Angle 45
3.3.3 Effect of Surface Roughness 46
3.3.4 Effects of Young's Modulus and Thickness of Nanofilm 47
3.3.5 Effect of Viscoelastic Behavior of the Film on the Peeling-Off Force 49
3.4 Theoretical Analysis 50
3.4.1 Effect of Adhesion Length 50
3.4.2 Comparison with Kendall's Model 52
3.5 Conclusion 53
References 53
4 Effect of Pretension on the Peeling Behavior of a Bio-inspired Nanofilm and a Hierarchical Adhesive Structure 56
4.1 Introduction 56
4.2 Effect of Pretension on the Peeling Behavior of a Nanofilm 57
4.2.1 Effect of Uniform Pretension 57
4.2.2 Effect of Nonuniform Pretension 59
4.3 Effect of Pretension on the Adhesion of Hierarchical Structure 61
4.4 Conclusion 64
References 65
5 Effects of Surface Roughness and Film Thickness on the Adhesion of a Bio-inspired Nanofilm 66
5.1 Introduction 66
5.2 Theoretical Model of a Finite Nanofilm in Adhesive Contact with a Rough Surface 68
5.2.1 Effective Interfacial Energy 68
5.2.2 Effect of Nanofilm Thickness on Adhesion 71
5.3 Results and Discussion 74
5.4 Conclusion 79
References 79
6 Effects of the Relative Humidity and Water Droplet on Adhesion of a Bio-inspired Nanofilm 82
6.1 Introduction 82
6.2 Theoretical Model Considering Relative Humidity and Water Droplet 84
6.2.1 Effect of Relative Humidity 84
6.2.2 Effect of Water Droplet 86
6.3 Results and Discussion 89
6.4 Conclusion 91
References 91
7 Effect of Geometry on the Adhesive Behavior of Bio-inspired Fibrils 93
7.1 Introduction 93
7.2 Adhesion of a Mushroom-Shaped Fibril and a Spatular One 94
7.2.1 Numerical Analysis 94
7.2.2 Theoretical Analysis 98
7.3 The Adhesion Feature of a Multifibril Structure 101
7.4 Conclusion 103
References 103
8 Conclusion and Future Work 105
8.1 Summary of the Work 105
8.2 Outlook to the Future Research 106

Erscheint lt. Verlag 7.4.2015
Reihe/Serie Springer Theses
Zusatzinfo XIII, 97 p. 46 illus.
Verlagsort Berlin
Sprache englisch
Themenwelt Technik Maschinenbau
Schlagworte Adhesion Abilities • Bio-inspired Nano-film • Cohesive Zone • Gecko Adhesion • Micro-adhesion Mechanism
ISBN-10 3-662-46955-3 / 3662469553
ISBN-13 978-3-662-46955-2 / 9783662469552
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