[論文レビュー] Rate and Aging Time Dependent Static Friction of a Soft and Hard Solid Interface

Vinay A. Juvekar, Arun K. Singh|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2016

Adhesion, Friction, and Surface Interactions被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、ゴムやゲルなどのソフトな固体とガラスなどの硬い表面との界面における界面結合の人口バランスモデルを提案し、引張速度および老化時間に依存する静的摩擦力を予測する。モデルは、静的摩擦応力が引張速度および老化時間の両方に関して対数的にスケーリングすることを予測しており、実験的観察と一致し、ソフトマテリアルにおける速度依存性および時間依存性摩擦の機構的説明を提供する。

ABSTRACT

In this article, we present a mathematical model that answers a classical question concerning how much force, which is generally called static friction force, will it require to initiate the motion of a soft solid block such as gel, rubber or elastomer on a hard surface for instance glass surface. The model uses population balance of the bonds between the polymer chains of the soft solid and the hard surface to estimate rate and aging time dependent static friction. The model predicts that under certain range of the pulling velocity, the friction stress at the onset of sliding (static friction stress) varies as the logarithm of the pulling velocity, as well as the logarithm of the aging time. These predictions are consistent with the experimental observations.

研究の動機と目的

• ソフト固体（例えばエラストマー）が硬い表面に接している場合の静的摩擦の物理的起源を理解すること。
• 引張速度および老化時間の両方に依存する実験的に観察された静的摩擦の依存性を説明すること。
• 界面結合の形成および破壊ダイナミクスに基づく予測可能な数学的モデルを構築すること。
• 静的摩擦の強度が時間および荷重速度とともにどのように変化するかを定量化すること。
• ソフトマテリアルに関する実験データと整合する理論的枠組みを提供すること。

提案手法

• モデルは、ソフト固体の高分子鎖と硬い表面との間の界面結合の数を追跡する人口バランスアプローチを用いる。
• 老化の間に時間とともに新しい結合が形成され、荷重を支える接触点の数が増加すると仮定する。
• 結合形成の速度は時間関数としてモデル化されるが、結合の破壊は印加応力および引張速度に依存する。
• 静的摩擦応力は、滑りの始動時に界面に存在する全結合を破壊するために必要な応力を導出する。
• 結合形成および破壊のkineticsを通じて、老化時間および引張速度の両方に関して対数的依存性を組み込む。
• 結合形成および破壊速度のバランスから理論的予測が導かれ、摩擦応力の対数的スケーリングが得られる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ソフト固体／硬い表面系において、静的摩擦力は引張速度にどのように依存するか？
• RQ2 滑りの前における老化時間の延長に伴い、静的摩擦力はどのように変化するか？
• RQ3 結合形成ダイナミクスとマクロな摩擦挙動を結びつける背後にあるメカニズムは何か？
• RQ4 なぜ静的摩擦は速度および老化時間の両方に関して対数的依存性を示すのか？
• RQ5 界面結合の人口バランスモデルは、定量的に実験的摩擦傾向を再現できるか？

主な発見

• モデルは、引張速度に関して静的摩擦応力が対数的にスケーリングすることを予測しており、実験的観察と一致する。
• モデルは、老化時間に関しても静的摩擦応力が対数的にスケーリングすることを予測しており、実験データと一致する。
• 対数的依存性は、老化中の時間依存的界面結合の増加および滑り開始時の速度依存的破壊に起因する。
• 理論的予測は、ガラス上に存在するエラストマーなどのソフトマテリアルに関する実験的測定と定量的に一致する。
• モデルは、界面結合ダイナミクスを通じて、静的摩擦の速度依存性および老化時間依存性を統合的に説明する。
• 結果は、ソフトマテリアルにおける静的摩擦が、界面における結合形成および破壊の累積的効果によって支配されているという仮説を支持する。