[論文レビュー] Adhesive contact mechanics of viscoelastic materials

Cosimo Mandriota, N. Menga+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2023

Adhesion, Friction, and Surface Interactions被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、グリーン関数に基づく境界積分式を用いて、定常状態での粘着性の粘弾性材料の滑り接触に関する理論的枠組みを構築した。粘弾性性は接触面積および剥離力の増大により接着性を向上させることを示した。摩擦は、接触端縁付近の微小スケールおよび体積全体のスケールにおけるヒステリシスの両方から生じ、有限接触長さに起因してエネルギー解放率が非単調的となる。

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.

研究の動機と目的

• . 定常状態での滑り接触下における粘弾性材料の接着接触の理論的モデルの構築。
• . グリーン関数の奇数部を用いて、粘弾性ヒステリシスに起因する非保存的仕事の扱い。
• . 接着性と粘弾性の相互作用が接触面積、剥離力、摩擦に与える影響の分析。
• . 局所的および体積全体の散逸を含めることで、粘弾性接着における標準的エネルギー保存則の破綻の解消。
• . 無限系の予測とは対照的に、接触端縁におけるエネルギー解放率が非単調的になる理由の説明。

提案手法

• . グリーン関数に基づく境界積分式を用いて接触力学をモデル化。
• . グリーン関数を偶数部（保存的）および奇数部（非保存的）に分離し、粘弾性ヒステリシスを捉える。
• . 局所的エネルギー保存則を接触端縁に適用し、内部応力に起因する非保存的仕事も含める。
• . トレーリングエッジおよびリーディングエッジにおけるエネルギー解放と散逸のバランスをとることで、未知の接触領域を求解。
• . 両面の界面接着および体積全体の粘弾性緩和を考慮した定常状態での滑り接触に理論を適用。
• . 経路に依存しない仕事積分および極座標解析を用いて、サイクル荷重における非保存的寄与を定量化。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 . 粘弾性性は、弾性挙動と比較して、滑り接触における接着性能（接触面積および剥離力）にどのように影響を与えるか？
• RQ2 . 粘着性粘弾性滑り接触における摩擦の起源と寄与は何か。微小スケールおよび大規模スケールのヒステリシスにはどのような違いがあるか？
• RQ3 . 無限系の予測とは対照的に、接触端縁におけるエネルギー解放率が非単調的になるのはなぜか？
• RQ4 . グリーン関数の奇数部は、粘弾性接着における非保存的仕事の記述にどのように寄与するか？
• RQ5 . 非保存的項を含むエネルギー保存則を用いて、接着性と粘弾性の相互作用を一貫してモデル化できるか？

主な発見

• . 粘弾性性は接着性能を向上させる：接触面積および剥離力は、同等の弾性ケースを上回る。
• . 低速滑り時、接触端縁付近の微小スケール粘弾性ヒステリシスにより、摩擦が強く増大する。
• . 高速滑り時、大規模な体積全体の粘弾性ヒステリシスが支配的となり、さらに高い摩擦が生じる。
• . 接着状態下では、微小スケールおよび大規模スケールの粘弾性寄与は分離できない。
• . 有限接触長さに起因し、トレーリングエッジおよびリーディングエッジにおけるエネルギー解放率は非単調的傾向を示し、無限系の予測とは対照的である。
• . 理論的結果は、既存の粘着性粘弾性接触に関する実験的証拠と整合的である。