弹性毛细变形抑制水下接触界面水捕获的机理与设计策略

为解决水下粘附中界面水捕获阻碍紧密接触的难题，研究人员通过耦合弹性、毛细和流体动力学效应的有限元模拟，揭示弹性毛细变形(ECD)可抵消弹性流体动力变形(EHD)，提出微纤维结构设计框架实现无界面水捕获的稳健粘附。该研究为水下修复、传感器固定等应用提供新思路。

　　

水下环境中的粘附技术是伤口敷料、管道修复和水下施工等领域的关键挑战。传统粘附材料面临"软硬两难"困境：柔软材料易发生弹性流体动力变形(EHD)导致界面水捕获，而刚性材料又难以实现紧密接触。这一矛盾长期制约着水下粘附技术的发展。

为解决该问题，研究人员通过多物理场耦合的有限元模拟，系统研究了弹性毛细变形(ECD)对水下粘附的影响机制。研究发现，当弹性毛细数Ec=γ/μd>0.1时（γ为界面张力，μ为剪切模量，d为纤维直径），ECD可显著延迟凹形水囊形成，使临界间隙距离g_c降至0.1d以下。这一发现突破了传统EHD主导的水捕获理论，为设计高性能水下粘合剂提供了新思路。

关键技术方法包括：1）基于COMSOL 6.2的轴对称有限元模型，耦合neo-Hookean固体力学与流体动力学；2）引入Young-Laplace方程描述ECD效应；3）通过无量纲分析（Ec、Ca、Re）量化多物理场竞争关系。

【Simulation method】
建立圆柱形粘附纤维的轴对称模型，将基底设为刚性边界，采用不可压缩neo-Hookean本构模型描述粘弹性材料。通过流体-结构相互作用模块实现多场耦合。

【The elastocapillary effect】
研究表明ECD通过γκ（κ为曲率）的拉普拉斯压力优先平滑纤维边缘。当Ec>0.1时，ECD产生的凸形变形可抵抗EHD导致的凹形变形，典型条件下可使g_c从10μm降至1μm。

【The hydrodynamic-capillary competition】
毛细数Ca=ηv/γ≈10^-2时，粘性效应主导。模拟显示Ec=0.1的纤维在Ca=0.01时可维持凸形至g≈0.03d，而Ec=10^-4的传统粘合剂在相同条件下会立即形成水囊。

【The effect of finite fibril length】
对于实际有限长纤维阵列，推导出长度-直径比需满足L/d<5(μ/E)^1/2（E为杨氏模量），才能避免弯曲失稳同时保持ECD优势。

结论表明，通过设计微纤维结构（d≈10μm，μ≈10kPa）可充分利用ECD效应，在典型水下操作速度（v≈0.1m/s）下实现无界面水捕获的粘附。该研究建立了Ec-Ca-Re的参数空间设计准则，为开发新一代水下粘附材料提供了理论框架。论文的创新性在于首次定量揭示了ECD对水下粘附的积极作用，解决了弹性材料"软硬两难"的设计矛盾。