[论文解读] 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 7

一句话总结

本研究基于格林函数的边界公式，为粘弹性材料的稳态滑动粘附接触建立了理论框架。结果表明，粘弹性通过增大接触面积和脱附力增强了粘附性能；摩擦力源于微观尺度（接触边缘附近）和宏观尺度（整体材料）的滞后效应，且由于接触长度有限，能量释放率呈现非单调行为。

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.

研究动机与目标

• 开发一种用于稳态滑动条件下粘弹性材料粘附接触的理论模型。
• 通过格林函数的奇部来表征粘弹性滞后引起的非保守功。
• 分析粘附性与粘弹性在接触面积、脱附力和摩擦力之间的相互作用。
• 通过引入局部与整体耗散，解决粘弹性粘附中标准能量平衡的失效问题。
• 解释接触边缘能量释放率的非单调行为，该现象与无限系统预测相反。

提出的方法

• 采用基于格林函数的边界积分公式来模拟接触力学。
• 将格林函数分解为偶部（保守）与奇部（非保守），以捕捉粘弹性滞后效应。
• 在接触边缘施加局部能量平衡，包含由内应力引起的非保守功。
• 通过在尾缘和头缘平衡能量释放与耗散，求解未知的接触区域。
• 将理论应用于稳态滑动，同时考虑界面粘附与整体粘弹性松弛。
• 利用路径无关的功积分与极坐标分析，量化循环加载中的非保守贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 与弹性行为相比，粘弹性如何影响滑动接触中的粘附性能（接触面积与脱附力）？
• RQ2 粘弹性滑动接触中摩擦的来源与贡献是什么？小尺度与大尺度滞后效应有何区别？
• RQ3 为何接触边缘的能量释放率表现出非单调行为，与无限系统预测相反？
• RQ4 格林函数的奇部如何表征粘弹性粘附中的非保守功？
• RQ5 能否通过包含非保守项的能量平衡，一致地建模粘附与粘弹性的相互作用？

主要发现

• 粘弹性增强了粘附性能：接触面积与脱附力超过等效弹性情况。
• 在低滑动速度下，由于接触边缘附近的微观尺度粘弹性滞后，摩擦显著增强。
• 在高滑动速度下，宏观尺度的整体粘弹性滞后占主导，导致摩擦进一步升高。
• 在粘附条件下，微观尺度与宏观尺度的粘弹性摩擦贡献无法分离。
• 由于接触长度有限，尾缘与头缘的能量释放率表现出非单调趋势，与无限系统预测相反。
• 理论结果与现有粘弹性粘附接触的实验结果一致。