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凝聚态物理 > 软凝聚态物理

arXiv:2506.20745 (cond-mat)
[提交于 2025年6月25日 ]

标题: 蘑菇状纤维与刚性基底的剥离强度

标题: Pull-off strength of mushroom-shaped fibrils adhered to rigid substrates

Authors:C. Betegón, C. Rodríguez, E. Martínez-Pañeda, R.M. McMeeking
摘要: 生物纤维结构的优异粘附性能——例如壁虎中的结构——激发了合成粘附表面的发展。 其中,蘑菇状纤维相较于其他几何形状表现出更优的剥离强度。 在本研究中,我们采用基于Dugdale粘性区模型的计算方法,分析这些纤维在粘附到刚性基底时的剥离行为。 结果提供了完整的剥离曲线,揭示了在负载控制下,无论剥离是从纤维边缘还是中心开始,分离过程本质上都是不稳定的。 我们的研究发现,具有宽而薄的蘑菇形帽的纤维能够有效减少应力集中并促进中心剥离,从而增强粘附性。 然而,并非所有几何形状都会出现中心剥离,而在所有情况下,边缘剥离在某些条件下都可能发生。 此外,我们还研究了纤维中心粘附缺陷的影响,表明它们可以显著降低剥离强度,尤其是在无量纲参数\c{hi}值较高的情况下。 这些见解有助于优化用于各种工程应用的仿生粘附剂和微结构表面。
摘要: The exceptional adhesion properties of biological fibrillar structures -- such as those found in geckos -- have inspired the development of synthetic adhesive surfaces. Among these, mushroom-shaped fibrils have demonstrated superior pull-off strength compared to other geometries. In this study, we employ a computational approach based on a Dugdale cohesive zone model to analyze the detachment behavior of these fibrils when adhered to a rigid substrate. The results provide complete pull-off curves, revealing that the separation process is inherently unstable under load control, regardless of whether detachment initiates at the fibril edge or center. Our findings show that fibrils with a wide, thin mushroom cap effectively reduce stress concentrations and promote central detachment, leading to enhanced adhesion. However, detachment from the center is not observed in all geometries, whereas edge detachment can occur under certain conditions in all cases. Additionally, we investigate the impact of adhesion defects at the fibril center, showing that they can significantly reduce pull-off strength, particularly at high values of the dimensionless parameter \c{hi}. These insights contribute to the optimization of bio-inspired adhesives and microstructured surfaces for various engineering applications.
主题: 软凝聚态物理 (cond-mat.soft) ; 材料科学 (cond-mat.mtrl-sci); 计算工程、金融与科学 (cs.CE); 应用物理 (physics.app-ph); 生物物理 (physics.bio-ph)
引用方式: arXiv:2506.20745 [cond-mat.soft]
  (或者 arXiv:2506.20745v1 [cond-mat.soft] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2506.20745
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Emilio Martínez-Pañeda [查看电子邮件]
[v1] 星期三, 2025 年 6 月 25 日 18:13:20 UTC (1,193 KB)
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