[논문 리뷰] Rate and Aging Time Dependent Static Friction of a Soft and Hard Solid Interface

Vinay A. Juvekar, Arun K. Singh|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 02.

Adhesion, Friction, and Surface Interactions인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 연질 고체(예: 고무 또는 젤)와 경질 표면(예: 유리) 사이의 계면 결합에 대한 인구 균형 모델을 제안하여, 당김 속도와 노화 시간에 따라 변하는 정적 마찰력을 예측한다. 모델은 정적 마찰 응력이 당김 속도와 노화 시간에 대해 모두 로그 스케일링을 따른다고 예측하며, 실험 관측 결과와 일치하고 부드러운 재료에서의 속도 및 시간 의존성 마찰에 대한 기계적 설명을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 연질 고체(예: 엘라스토머)가 경질 표면 위에 있을 때 정적 마찰의 물리적 기원을 이해하기 위해.
• 정적 마찰이 당김 속도와 노화 시간에 따라 실험적으로 관측된 의존성에 대한 설명을 제공하기 위해.
• 계면 결합 형성 및 파손 역학에 기반한 예측 가능한 수학적 모델을 개발하기 위해.
• 정적 마찰 강도가 시간과 하중 속도에 따라 어떻게 변화하는지 정량화하기 위해.
• 부드러운 재료에 대한 실험 데이터와 일관된 이론적 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 모델은 연질 고체의 고분자 사슬과 경질 표면 사이의 계면 결합 수를 추적하기 위해 인구 균형 접근법을 사용한다.
• 노화 기간 동안 새로운 결합이 형성되어 하중을 지탱하는 접촉 수가 증가한다고 가정한다.
• 결합 형성 속도는 시간의 함수로 모델링되며, 결합 파손은 적용된 응력과 당김 속도에 따라 달라진다.
• 정적 마찰 응력은 미끄러짐이 시작될 때 계면의 총 결합 수를 끊는 데 필요한 응력으로 유도된다.
• 결합 형성 및 파손의 동역학을 통해 노화 시간과 당김 속도에 대한 로그 의존성을 모델에 통합한다.
• 결합 형성 및 파손 속도의 균형에서 이론적 예측을 유도하여 마찰 응력의 로그 스케일링을 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 부드러운 고체/경질 표면 시스템에서 정적 마찰력은 당김 속도에 어떻게 의존하는가?
• RQ2 미끄러짐 이전의 노화 시간 증가에 따라 정적 마찰력은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 결합 형성 역학과 거시적 마찰 거동을 연결하는 기본 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 왜 정적 마찰은 속도와 노화 시간 양쪽에 대해 로그 의존성을 보이는가?
• RQ5 계면 결합의 인구 균형 모델이 실험 마찰 경향을 정량적으로 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 정적 마찰 응력이 당김 속도에 대해 로그 스케일링을 따른다고 예측하며, 실험 관측 결과와 일치한다.
• 모델은 정적 마찰 응력이 노화 시간에 대해서도 로그 스케일링을 따른다고 예측하며, 실험 데이터와 일치한다.
• 로그 의존성은 노화 기간 동안 계면 결합의 시간 의존적 성장과 미끄러짐 시작 시 속도 의존적 파손에서 기인한다.
• 이론적 예측은 고무나 유리 위의 엘라스토머와 같은 부드러운 고체에 대한 실험 측정치와 정량적으로 일치한다.
• 모델은 계면 결합 역학을 통해 정적 마찰의 속도 및 노화 시간 의존성을 통합적으로 설명한다.
• 결과는 부드러운 재료에서 정적 마찰이 계면에서의 결합 형성 및 파손의 누적 효과에 의해 지배된다는 가설을 지지한다.