[논문 리뷰] Adhesive contact mechanics of viscoelastic materials

Cosimo Mandriota, N. Menga외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 09.

Adhesion, Friction, and Surface Interactions인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 그린 함수 기반 경계 형식을 사용하여 점탄성 재료의 정 steady-state 슬라이딩 점착 접촉에 대한 이론적 프레임워크를 수립한다. 점탄성성은 접촉 면적과 탈착력 증가로 인해 점착성을 향상시키며, 마찰은 접촉 가장자리 근처의 미세 척도와 부피 전체의 거대 척도에서 발생하는 히스테리시스에 기인한다. 유한한 접촉 길이로 인해 에너지 방출률은 비단조화적인 특성을 보인다.

ABSTRACT

In this study, we propose a theory of rough adhesive contact of viscoelastic materials in steady-state sliding. By exploiting a boundary formulation based on Green function approach, the unknown contact domain is calculated by enforcing the local energy balance at the contact edge, thus considering also the non-conservative work of internal stresses which is directly related to the odd part of the Green function. Theoretical predictions indicate that viscoelasticity may enhance the adhesive performance depending on the sliding velocity, thus leading to larger contact area and pull-off force compared to the equivalent adhesive elastic case The interplay between viscoelasticity and adhesion also affects the overall friction. Indeed, at low velocity, friction is strongly enhanced compared to the adhesiveless viscoelastic case, mainly due to the small-scale viscoelastic hysteresis induced by the adhesive neck close to the contact edge At higher velocity, the effect of viscoelastic hysteresis occurring at larger scales (bulk material) leads to even higher friction. Under these conditions, in the presence of adhesion, the small-scale and large-scale viscoelastic contributions to friction cannot be separated. Finally, in contrast with usual predictions for crack propagation/healing in infinite systems, we found a non-monotonic trend of the energy release rates at the trailing and leading contact edges, which is consistent with the finiteness of the contact length. All the presented results are strongly supported by existing experimental evidences.

연구 동기 및 목표

• . 점탄성 재료의 정상 상태 슬라이딩 조건에서 점착 접촉을 위한 이론적 모델을 수립한다.
• . 그린 함수의 홀수 부분을 통해 점탄성 히스테리시스로 인한 비보존적 일(work)을 고려한다.
• . 점착성과 점탄성의 상호작용이 접촉 면적, 탈착력 및 마찰에 미치는 영향을 분석한다.
• . 국소적 및 부피 전체의 소산을 포함하여 점탄성 점착에서 표준 에너지 균형의 붕괴를 해결한다.
• . 유한한 시스템에서 예측된 것과는 반대로 접촉 가장자리에서 비단조화적인 에너지 방출률이 나타나는 이유를 설명한다.

제안 방법

• . 그린 함수를 기반으로 한 경계 적분 형식을 사용하여 접촉 역학을 모델링한다.
• . 그린 함수를 짝수(보존적) 및 홀수(비보존적) 부분으로 분리하여 점탄성 히스테리시스를 포착한다.
• . 내부 응력에서 기인하는 비보존적 일까지 포함하여 접촉 가장자리에서 국소 에너지 균형을 강제로 적용한다.
• . 뒤따르는 가장자리와 앞서가는 가장자리에서 에너지 방출과 소산을 균형 잡는 방식으로 미지의 접촉 영역을 구한다.
• . 표면 점착성과 부피 전체의 점탄성 리듬을 고려하여 정상 상태 슬라이딩에 이 те오리 적용한다.
• . 경로에 의존하지 않는 일 적분과 극좌표 분석을 사용하여 순환 하중에서 비보존적 기여를 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 . 점탄성성은 탄성 거동과 비교해 슬라이딩 접촉에서 점착 성능(접촉 면적 및 탈착력)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 . 점착 점탄성 슬라이딩에서 마찰의 기원과 기여는 무엇이며, 미세 척도와 거대 척도 히스테리시스는 어떻게 다를까?
• RQ3 . 왜 접촉 가장자리에서 에너지 방출률은 무한체계 예측과는 반대로 비단조화적인 행동을 보이는가?
• RQ4 . 그린 함수의 홀수 부분은 점탄성 점착에서 비보존적 일에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 . 비보존적 항을 포함한 에너지 균형을 사용하여 점착성과 점탄성의 상호작용을 일관되게 모델링할 수 있는가?

주요 결과

• . 점탄성성은 점착 성능을 향상시킨다: 접촉 면적과 탈착력이 동일한 탄성 경우를 초과한다.
• . 낮은 슬라이딩 속도에서는 접촉 가장자리 근처의 미세 척도 점탄성 히스테리시스로 인해 마찰이 크게 증가한다.
• . 높은 슬라이딩 속도에서는 거대 척도 부피 전체의 점탄성 히스테리시스가 지배적이며, 이로 인해 더욱 높은 마찰이 발생한다.
• . 점착 조건 하에서는 미세 척도와 거대 척도 점탄성 기여를 분리할 수 없다.
• . 뒤따르는 가장자리와 앞서가는 가장자리에서의 에너지 방출률은 유한한 접촉 길이로 인해 비단조화적인 경향을 보이며, 이는 무한체계 예측과 정반대이다.
• . 이론적 결과는 기존 점착 점탄성 접촉 실험 결과와 일치한다.