Yksinkertaiset metapinnat mahdollistavat kitkan hallinnan materiaalirajapinnoissa – Physics World

Ranskalaiset tutkijat ovat kehittäneet uuden tekniikan kitkavoimien hienosäätöön eri materiaalien rajapinnoilla. Julien Scheibert ja kollegat Lyonin yliopistosta käyttivät yksinkertaisia ​​ja helposti säädettäviä metapintoja luodakseen erityisiä kitkakertoimia lasin ja elastomeerinäytteiden väliseen rajapintaan.

Kosketusnäytöistä robottikäsiin kitkakoskettimet ovat monien nykyaikaisten laitteiden keskeinen osa. Suorituskykynsä optimoimiseksi suunnittelijoiden on säädettävä tiukasti kitkavoimat materiaalirajapinnoissa. Vuosisatoja kestäneestä huolellisesta tutkimuksesta huolimatta meillä ei kuitenkaan ole vieläkään luotettavaa menetelmää kitkakertoimen ennustamiseen minkään tietyn rajapinnan yli.

Suurin vaikeus kitkan ymmärtämisessä on pinnoilla olevien tekstuurien pelkkä monimuotoisuus. Pintapiirteiden koko voi kattaa useita suuruusluokkia: atomeista millimetriasteikoihin. Koska kaikki nämä ominaisuudet voivat vaikuttaa kahden pinnan väliseen kitkaan, on usein uskomattoman vaikeaa laskea kitkakertoimia ensimmäisistä periaatteista.

Tällä hetkellä on olemassa kaksi päätekniikkaa pintojen välisen kitkan optimoimiseksi. Yksi tapa on yksinkertaisesti valita materiaalipari, joka kokee oikean määrän kitkaa. Usein on kuitenkin niin, että näillä materiaaleilla ei ole muita tiettyyn sovellukseen vaadittavia ominaisuuksia – lämpö-, sähkö- jne. – ominaisuuksia.

Huono ymmärrys

"Toinen tekniikka on keinotekoisten mikrotekstuurien luominen pinnoille", Scheibert selittää. "Mutta koska tekstuurin ja kitkan välinen suhde on edelleen huonosti ymmärretty, sopivat pintakuviot löydetään yleensä vasta pitkien ja kalliiden kokeellisten kampanjoiden jälkeen."

Scheibertin tiimi paransi tutkimuksessaan mikrotekstuurista lähestymistapaa käyttämällä hyvin yksinkertaisia ​​metapintoja, jotka koostuvat neliömäisistä pallomaisista korkista. Jokaiselle korkille voidaan antaa tietty korkeus suhteessa muihin korkkiin (katso kuva).

"Näissä olosuhteissa rajapinnan [kitka]vaste voidaan mallintaa tarkasti, ja luettelo korkeuksista, jotka tarjoavat kohdistetun kitkakäyttäytymisen, voidaan määrittää ennen pintojen varsinaista valmistusta", Scheibert selittää. Tällä tavalla tiimi saattoi suunnitella erilaisia ​​tekstuureja saavuttaakseen halutun rajapinnan kitkan ensimmäisellä yrityksellä.

Tutkijat testasivat lähestymistapaansa valmistamalla metapintoja sentin kokoisille kumimaisen elastomeerin näytteille. Jokaisella pinnalla oli 64 elastomeerista valmistetun pallomaisen korkin ristikko. Korkeus, jolla jokainen korkki työntyy esiin pinnasta, asetetaan erikseen, jolloin tiimi voi luoda erilaisia ​​metapintoja.

Kitka mitataan asettamalla litteä lasinpala metapinnan päälle ja työntämällä alas samalla kun lasia vedetään metapintaa pitkin. Säätämällä metapintojen rakennetta systemaattisesti, rajapintaan voitaisiin luoda erityisiä kitkakertoimia.

Kaksi erilaista kitkakerrointa

Lähestymistapa toimi ilman, että tarvittiin ensimmäisen periaatteen mukaisia ​​kitkavoimien laskelmia, ja ilman, että itse materiaalien ominaisuuksia muutettiin. "Lisäksi olemme valmistaneet koskettimia, joissa on kaksi erilaista kitkakerrointa, jotka riippuvat käyttöliittymässä käytetystä puristustasosta – tämä on luonteeltaan hyvin harvinaista", Scheibert lisää.

Kitka nostaa köysien ja lankojen raskasta

Tällä nopealla ja edullisella lähestymistavalla Scheibertin tiimi pystyi toistamaan kokeissaan useita tunnettuja kitkalakeja: mukaan lukien lineaariset lait, joissa kitkakerroin pysyy vakiona leikkausvoimien kasvaessa rajapinnan yli; ja monimutkaisemmat epälineaariset lait, joissa tämä kerroin vaihtelee leikkausvoiman mukaan.

Kun he parantavat tekniikkaansa edelleen, tutkijat suunnittelevat laajan valikoiman sovelluksia säädettävälle metapinnan lähestymistavalle. "Määritettyä kitkakäyttäytymistä vastaavien kosketusrajapintojen luominen on tribologian pyhä malja", Scheibert sanoo.

"Suunnittelustrategiamme tarjoaa uusia työkaluja tällaisten kitkarajapintojen valmisteluun. Tämä saattaa avata mahdollisuuksia useilla haastavilla aloilla urheilusta pehmeään robotiikkaan. Jos metaliitännät varustetaan edelleen antureilla ja toimilaitteilla, ne pitävät jopa lupauksensa älykkäistä kosketusliitännöistä ja reaaliaikaisesta kitkavirityksestä.

Tutkimusta kuvataan tiede.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/simple-metasurfaces-offer-control-over-friction-at-material-interfaces/