Lihtsad metapinnad pakuvad kontrolli hõõrdumise üle materjalide liidestes – Physics World

Prantsusmaa teadlased on välja töötanud uue tehnika erinevate materjalide liideste hõõrdejõudude peenhäälestamiseks. Julien Scheibert ja kolleegid Lyoni ülikoolist kasutasid lihtsaid ja kergesti reguleeritavaid metapindu, et luua klaasi ja elastomeeri proovide vahelisel liidesel spetsiifilised hõõrdetegurid.

Puuteekraanidest robotkäteni – hõõrdekontaktid on paljude kaasaegsete seadmete põhikomponent. Nende jõudluse optimeerimiseks peavad disainerid looma tugeva kontrolli materjalide liideste hõõrdejõudude üle. Vaatamata sajandeid kestnud hoolikale uurimisele ei ole meil siiski usaldusväärset meetodit hõõrdeteguri ennustamiseks mis tahes liideses.

Peamine raskus hõõrdumise mõistmisel on pindadel leiduvate tekstuuride tohutu mitmekesisus. Pinnajoonte suurus võib ulatuda mitmesse suurusjärku: aatomitest kuni millimeetri skaaladeni. Kuna kõik need omadused võivad mõjutada kahe pinna vahelist hõõrdumist, on esimeste põhimõtete alusel hõõrdetegurite arvutamine sageli uskumatult keeruline.

Praegu on pindadevahelise hõõrdumise optimeerimiseks kaks peamist tehnikat. Üks meetod on lihtsalt valida materjalipaar, mis kogeb õiget hõõrdumist. Sageli juhtub aga nii, et neil materjalidel puuduvad muud omadused – soojus-, elektrilised jne –, mis konkreetse rakenduse jaoks on vajalikud.

Kehv arusaamine

"Teine meetod on kunstlike mikrotekstuuride loomine pindadele, " selgitab Scheibert. "Kuid kuna tekstuuri ja hõõrdumise vaheline seos on endiselt halvasti mõistetav, tuvastatakse sobivad tekstuurid tavaliselt alles pärast pikki ja kulukaid eksperimentaalseid kampaaniaid."

Oma uuringus täiustas Scheiberti meeskond mikrotekstuurilist lähenemist, kasutades väga lihtsaid metapindu, mis koosnevad sfääriliste korkide ruudukujulistest massiividest. Igale korgile saab anda teiste korkide suhtes kindla kõrguse (vt joonist).

"Nendes tingimustes saab liidese [hõõrdumise] reaktsiooni täpselt modelleerida ja enne pindade tegelikku tootmist saab kindlaks määrata kõrguste loendi, mis pakub sihipärast hõõrdekäitumist, " selgitab Scheibert. Sel viisil saaks meeskond konstrueerida erinevaid tekstuure, et saavutada esimesel katsel soovitud liidese hõõrdumise tase.

Teadlased katsetasid oma lähenemisviisi, valmistades kummitaolise elastomeeri sentimeetri suurustele proovidele metapinnad. Igal pinnal oli 64 elastomeerist valmistatud sfäärilise korgi võre. Iga korgi pinnast väljaulatuv kõrgus määratakse individuaalselt, võimaldades meeskonnal luua erinevaid metapindu.

Hõõrdumise mõõtmiseks asetatakse lame klaasitükk metapinna peale ja surutakse allapoole, lohistades samal ajal klaasi mööda metapinda. Metapindade struktuuri süstemaatiliselt reguleerides saaks luua liideses spetsiifilisi hõõrdetegureid.

Kaks erinevat hõõrdetegurit

See lähenemisviis toimis ilma hõõrdejõudude esmapõhiste arvutusteta ja materjalide endi omadusi muutmata. "Veelgi enam oleme ette valmistanud kontaktid, millel on kaks erinevat hõõrdetegurit, mis sõltuvad liidesele rakendatavast tihendusastmest – selline käitumine on oma olemuselt väga haruldane," lisab Scheibert.

Hõõrdumine tõstab köite ja lõngade raskusi

Selle kiire ja taskukohase lähenemisviisi abil suutis Scheiberti meeskond oma katsetes reprodutseerida mitmesuguseid teadaolevaid hõõrdeseadusi: sealhulgas lineaarseid seadusi, kus hõõrdetegur jääb konstantseks, kui nihkejõud suurenevad kogu liidese ulatuses; ja keerulisemad mittelineaarsed seadused, kus see koefitsient muutub sõltuvalt nihkejõust.

Kuna nad täiustavad oma tehnikat veelgi, näevad teadlased oma reguleeritava metapinna lähenemisviisi jaoks ette laia valikut rakendusi. "Kontaktliideste loomine, mis vastavad kindlaksmääratud hõõrdekäitumisele, on triboloogias Püha Graal, " ütleb Scheibert.

"Meie disainistrateegia pakub uusi tööriistu selliste hõõrdliideste ettevalmistamiseks. See võib potentsiaalselt avada võimalusi erinevates väljakutseid pakkuvates valdkondades, alates spordist kuni pehme robootikani. Kui meie metaliidesed on täiendavalt varustatud andurite ja täiturmehhanismidega, on neil isegi lubadus luua nutikaid kontaktliideseid koos reaalajas hõõrdehäälestusega.

Uuringut kirjeldatakse artiklis teadus.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/simple-metasurfaces-offer-control-over-friction-at-material-interfaces/