[论文解读] Rate and Aging Time Dependent Static Friction of a Soft and Hard Solid Interface

Vinay A. Juvekar, Arun K. Singh|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2016

Adhesion, Friction, and Surface Interactions被引用 5

一句话总结

本文提出了一种界面键的群体平衡模型，用于描述软固体（如橡胶或凝胶）与硬质表面（如玻璃）之间的界面键，以预测依赖于拉伸速度和老化时间的静摩擦力。该模型预测，静摩擦应力与速度和老化时间均呈对数关系，与实验观测一致，并为软材料中速率依赖和时间依赖的摩擦行为提供了机理解释。

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.

研究动机与目标

• 理解软固体（如弹性体）在硬质表面上的静摩擦物理起源。
• 解释实验观测到的静摩擦对拉伸速度和老化时间的依赖关系。
• 基于界面键的形成与断裂动力学，建立可预测的数学模型。
• 量化静摩擦强度随时间和加载速率的变化规律。
• 提供一个与软材料实验数据一致的理论框架。

提出的方法

• 该模型采用群体平衡方法，追踪软固体的聚合物链与硬质表面之间界面键的数量。
• 假设在老化过程中，新键随时间形成，从而增加承载载荷的接触点数量。
• 键的形成速率被建模为时间的函数，而键的断裂则取决于施加的应力和拉伸速度。
• 静摩擦应力被定义为在滑动开始时，使界面总键数断裂所需的应力。
• 通过键形成与断裂动力学，模型在老化时间和拉伸速度上引入对数依赖关系。
• 理论预测源于键形成与断裂速率的平衡，导致摩擦应力的对数标度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在软固体/硬质表面体系中，静摩擦力如何依赖于拉伸速度？
• RQ2 静摩擦力在滑动前随老化时间的增加如何演变？
• RQ3 界面键形成动力学与宏观摩擦行为之间的基本机制是什么？
• RQ4 为何静摩擦表现出对速度和老化时间的对数依赖性？
• RQ5 界面键的群体平衡模型能否定量再现实验测得的摩擦趋势？

主要发现

• 该模型预测，静摩擦应力与拉伸速度呈对数关系，与实验观测一致。
• 该模型预测，静摩擦应力也与老化时间呈对数关系，与实验数据相符。
• 对数依赖性源于老化过程中界面键随时间增长，以及滑动起始时的速率依赖性断裂。
• 理论预测与软固体（如橡胶在玻璃上）的实验测量结果在定量上一致。
• 该模型通过界面键动力学，统一解释了静摩擦的速率依赖性和老化时间依赖性。
• 结果支持如下假设：软材料中的静摩擦由界面处键的累积形成与断裂共同决定。