[论文解读] Why soft contacts are stickier when breaking than when making them

Antoine Sanner, Nityanshu Kumar+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2023

Adhesion, Friction, and Surface Interactions被引用 1

一句话总结

该论文表明，软接触中的粘附滞后现象——即分离所需力大于接触所需力——仅由表面粗糙度引起，即使在完全弹性、非黏弹性系统中也是如此。作者提出一种裂纹扰动模型，表明粗糙度峰谷处局部断裂能的差异会导致粘附前沿的钉扎与粘滑不稳定性，从而在接近与回缩过程中造成能量耗散的不对称性，定量解释了跨尺度观测到的滞后现象。

ABSTRACT

Insects, pick-and-place manufacturing, engineered adhesives, and soft robots employ soft materials to stick to surfaces even in the presence of roughness. Experiments show that the force required for making contact is lower than for releasing it, a phenomenon known as the adhesion hysteresis. The common explanation for this hysteresis is either contact aging or viscoelasticity. Here, we show that adhesion hysteresis emerges even for perfectly elastic contacts and in the absence of contact aging and viscoelasticity because of surface roughness. We present a crack-perturbation model and experimental observations that reveal discrete jumps of the contact perimeter. These stick-slip instabilities are triggered by local differences in fracture energy between roughness peaks and valleys. Pinning of the contact perimeter retards both its advancement when coming into contact and its retraction when pulling away. Our model quantitatively reproduces the hysteresis observed in experiments and allows us to derive analytical predictions for its magnitude, accounting for realistic rough geometries across orders of magnitude in length scale. Our results explain why adhesion hysteresis is ubiquitous and reveal why soft pads in nature and engineering are efficient in adhering even to surfaces with significant roughness.

研究动机与目标

• 解决软材料中粘附滞后现象的长期难题，即尽管能量守恒，分离力仍大于接近力。
• 研究粘附滞后是否可仅由表面粗糙度引起，而独立于黏弹性或接触老化效应。
• 开发一个可预测模型，基于真实粗糙表面形貌定量计算滞后程度。
• 通过真实与合成粗糙表面的实验与模拟验证该模型。
• 解释生物与工程软粘合剂中滞后现象的普遍性，即使在缺乏耗散机制的情况下亦然。

提出的方法

• 将接触边界建模为受Griffith准则支配的裂纹前沿，其中能量释放率G必须与局部断裂能wloc平衡。
• 基于表面粗糙度引入空间变化的wloc，将每个粗糙度峰与谷视为具有不同局部断裂能。
• 采用棘轮机制：在接近过程中，仅当wloc较低时裂纹才前进；在回缩过程中，仅当wloc较高时裂纹才回缩，因高能位点的钉扎作用。
• 应用JKR模型计算弹性球体接触的GJKR(b,a)，即能量释放率关于位移b与接触半径a的函数。
• 对具有自仿射功率谱密度(PSD)的合成粗糙表面进行粘附接触模拟，匹配实验测得的粗糙度统计特性。
• 将模型与软聚合物球在粗糙基底上的实验力-位移曲线进行对比，结果显示与观测到的滞后现象具有定量一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在完全弹性、非黏弹性的软接触中，仅由表面粗糙度是否可引发粘附滞后？
• RQ2 软材料在接触接近与回缩过程中表现出不对称力响应的物理机制是什么？
• RQ3 粗糙度凸起处局部断裂能的变化如何影响接触边界的稳定性与动力学？
• RQ4 粘附滞后的程度在多大程度上可由表面粗糙度的统计特性预测？
• RQ5 为何软粘合剂在粗糙表面上仍有效，尽管预期因能量损失导致粘附力下降？

主要发现

• 粘附滞后完全由表面粗糙度与局部断裂能异质性引起的裂纹钉扎所致，即使在无黏弹性或老化的情况下亦然。
• 该模型定量再现了实验中的滞后回线，表明回缩过程中的脱附力超过接近过程中的最大粘附力。
• 滞后程度与单位面积弹性能(eel)与本征粘附功(wint)的比值成正比，且随着eel/wint增大而增加。
• 当eel/wint = 0.05时，模型预测回缩过程中的表观粘附功比接近过程高出20%，与实验观测一致。
• 裂纹扰动模型解释了接近与回缩过程中接触边界发生的离散跳跃，对应于不同断裂能粗糙度特征之间的跃迁。
• 该理论通过模拟中使用自仿射粗糙度统计，可解释从纳米尺度到宏观尺度的跨数量级滞后现象。