[论文解读] On Pastewka & Robbins' criterion for macroscopic adhesion of rough surfaces

M. Ciavarella|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2016

Adhesion, Friction, and Surface Interactions被引用 4

一句话总结

本文批判性地評估了Pastewka & Robbins（2014）提出的無參數粗糙表面宏觀粘附準則，表明該準則將有效粗糙度振幅降低√α，暗示粘附性僅取決於微觀尺度特徵。分析揭示了若干不一致之處：該準則預測即使在輪廓峰模型與作者自身數據均顯示非粘附性的情況下仍存在粘附性，且拉脫數據的繪圖錯誤可能進一步扭曲結果，對該準則在高帶寬粗糙度下的有效性提出質疑。

ABSTRACT

Pastewka & Robbins (PNAS, 111(9), 3298-3303, 2014) recently have proposed a criterion to distinguish when two surfaces will stick together or not, and suggested it shows a large conflict with asperity theories. It is found that their criterion corresponds very closely to the Fuller and Tabor asperity model one when bandwidth {\alpha} is small, but otherwise involves a rms ampliture of roughness reduced by a factor Sqrt({\alpha}). Therefore, it implies the stickiness of any rough surface is the same as that of the surface where practically all wavelength components of roughness are removed except the very fine ones, which is perhaps counterintuitive. The results are therefore very interesting, if confirmed. Possible sources of approximations are indicated, and a significant error is found in plotting the pull-off data which may improve the fit with Fuller and Tabor. However, still they show finite pull-off values in cases where both their own criterion and an asperity based one seem to suggest non stickiness, and the results are in these respects inconclusive.

研究动机与目标

• 評估Pastewka & Robbins的無參數粗糙表面宏觀粘附準則的有效性。
• 探討PR準則與經典輪廓峰理論（如Fuller & Tabor，1975）之間的差異。
• 識別PR模型中可能存在的近似與錯誤，特別是在接觸面積與拉脫力估算方面的問題。
• 評估PR準則是否與物理直覺及實驗數據一致，特別是在高帶寬（α）表面情況下。
• 判斷PR模擬中觀察到的粘附性是否在給定粗糙度參數下具有物理合理性。

提出的方法

• 使用Nayak帶寬參數α = m₀m₄/m₂²重構PR準則，將其與赫斯特指數及波長比聯繫起來。
• 將PR準則與Fuller與Tabor的輪廓峰模型進行比較，突出兩者在有效均方根振幅縮放上的差異：PR中存在√α的縮減，而FT模型中則無此現象。
• 分析PR推導接觸面積與吸引力區域大小時的幾何假設，特別是使用平均直徑d_rep與d_att的問題。
• 透過對接觸斑點尺寸分佈的完整積分重新評估拉脫力計算，與PR所採用的簡化平均值方法進行對比。
• 透過重新計算給定h′_rms與λs/λL比值下預期的均方根粗糙度，評估報告拉脫數據的物理合理性。
• 發現PR數據中存在顯著的繪圖錯誤，可能人為改善與Fuller-Tabor模型的吻合度，從而損害結果的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 Pastewka & Robbins的宏觀粘附準則是否在高帶寬下仍與Fuller與Tabor等經典輪廓峰理論一致？
• RQ2 PR準則對√α的依賴如何影響粗糙度的有效均方根振幅？這一結果是否具有物理直覺上的合理性？
• RQ3 PR模擬中報告的拉脫力是否與粗糙度參數及預測的粘附性一致？
• RQ4 在接觸面積估算中，特別是使用平均直徑的近似，如何導致粘附預測的扭曲？
• RQ5 觀察到的粘附性差異是否可能源於數據呈現錯誤，例如拉脫數據的錯誤繪圖？

主要发现

• PR準則將粗糙度的有效均方根振幅降低√α因子，暗示僅微觀尺度粗糙度成分決定粘附性，此結果與物理直覺相悖，且與經典輪廓峰模型不一致。
• 對於高帶寬（α ≈ 1600），預測的均方根粗糙度（hrms ≈ 100a₀）遠大於原子尺度，但準則仍預測存在粘附性，與物理期望相矛盾。
• PR準則在PR準則與輪廓峰模型均預測非粘附性的場合下，仍預測存在有限拉脫力，顯示其存在根本性不一致。
• 在拉脫數據繪圖中發現重大錯誤，可能人為改善與Fuller-Tabor模型的吻合度，從而損害結果的有效性。
• 使用平均接觸直徑（d_rep, d_att）的假設導致吸引力區域面積被低估三倍，尤其在高α時更為顯著，與完整積分方法相比。
• PR準則暗示增加大波長粗糙度成分不會降低粘附性，此結果與物理直覺相悖，且缺乏確鑿的數值支持。