Lokale und globale Ablösemechanismen in mikrostrukturierten Haftstrukturen

Abstract

In dieser Arbeit wurden die Hafteigenschaften bio-inspirierter Mikrostrukturen untersucht. Es wurde ein Aufbau entwickelt, der eine Kombination aus Kraftmessungen und optischer in situ Beobachtung der realen Kontaktfläche mit Hilfe der frustrierten Totalreflexion ermöglicht. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass Defekte an der Grenzfläche, Systemparameter (z. B. Maschinensteifigkeit, Fehlausrichtung) und äußere Einflüsse (z. B. Luftdruck) die Ablösemechanismen der Haftstrukturen verändern. Durch den maßgeblichen Einfluss von Defekten in der Kontaktfläche ergab sich eine breite Verteilung in der Haftfestigkeit der einzelnen Fibrillen im Array. Es konnte beobachtet werden, dass bereits bis zu 30 % der Fibrillen den Kontakt zum Substrat verloren, bevor die maximale Haftkraft erreicht wurde. Die Ergebnisse dieser Arbeit verdeutlichen, dass zur Optimierung der Adhäsionseigenschaften das Gesamtsystem betrachtet werden muss und nicht von Einzelfibrillen auf ein gesamtes Array geschlossen werden kann. Anhand von Weibullfunktionen lässt sich die Verteilung der Haftfestigkeiten und daraus die Qualität von Arrays beschreiben. Diese Verteilung konnte mit Hilfe des korrelativen Ansatzes zum ersten Mal nachgewiesen und bestimmt werden. Die neu entwickelte Methode liefert somit einen geeigneten Zugang Haftstrukturarrays hinsichtlich ihrer Qualität zu quantifizieren und anwendungsrelevanter Einflussfaktoren zu testen.

In this work, synthetic bio-inspired adhesive structures were investigated. For this purpose, a setup was developed that allows a combination of adhesion force measurements and optical in situ investigation of the real contact area with the help of frustrated total internal reflection and thus visualizes the underlying detachment mechanisms. The present work shows that defects at the interface, system parameters (e. g. machine stiffness, misalignment) and external influences (e. g. air pressure) play a decisive role and change the detachment mechanisms. The strong influence of defects resulted in a broad distribution in the adhesive strength of the individual fibrils in the array and thus a loss of approximately 30 % of the fibrils in contact before reaching the maximum adhesive force. This demonstrates that the overall system must be considered in order to optimize the adhesion properties and cannot be extrapolated from individual fibrils to an entire array. It is also known that the distribution of adhesive strength can be described with the help of a Weibull distribution according to the model of fracture mechanics. In this work this distribution could be measured for the first time using the correlative measurement method and is compared to the theoretical models. In general, this work offers a new method to investigate detachment mechanisms and to quantify the influence of external parameters on fibrillar arrays.