Enkla metasytor ger kontroll över friktionen vid materialgränssnitt – Physics World

En ny teknik för att finjustera friktionskrafter i gränssnitten mellan olika material har utvecklats av forskare i Frankrike. Julien Scheibert och kollegor vid universitetet i Lyon använde enkla och lättjusterbara metasytor för att skapa specifika friktionskoefficienter vid gränssnittet mellan glas- och elastomerprover.

Från pekskärmar till robothänder, friktionskontakter är en nyckelkomponent i många moderna enheter. För att optimera sin prestanda måste konstruktörer etablera en noggrann kontroll över friktionskrafterna vid materialgränssnitt. Men trots århundraden av noggrann undersökning har vi fortfarande inte en tillförlitlig metod för att förutsäga friktionskoefficienten över ett givet gränssnitt.

Den största svårigheten att förstå friktion är den stora mångfalden av texturer som finns på ytor. Storleken på ytegenskaper kan sträcka sig över flera storleksordningar: från atomär till millimeterskala. Eftersom alla dessa egenskaper kan påverka friktionen mellan två ytor är det ofta otroligt svårt att beräkna friktionskoefficienter från första principer.

För närvarande finns det två huvudtekniker för att optimera friktionen mellan ytor. En metod är att helt enkelt välja ett par material som upplever rätt mängd friktion. Det är dock ofta så att dessa material inte har de andra egenskaper – termiska, elektriska etc. – som krävs för en specifik tillämpning.

Dålig förståelse

"Den andra tekniken är att skapa konstgjorda mikrotexturer på ytorna," förklarar Scheibert. "Men eftersom förhållandet mellan textur och friktion fortfarande är dåligt förstådd, identifieras lämpliga texturer vanligtvis först efter långa och kostsamma experimentella kampanjer."

I sin studie förbättrade Scheiberts team det mikrotexturala tillvägagångssättet genom att använda mycket enkla metasytor som består av kvadratiska arrayer av sfäriska lock. Varje keps kan ges en specifik höjd i förhållande till de andra kepsarna (se figur).

"Under dessa förhållanden kan gränssnittets [friktions] respons modelleras exakt, och listan över höjder som erbjuder det riktade friktionsbeteendet kan bestämmas innan ytorna faktiskt tillverkas", förklarar Scheibert. På detta sätt kunde teamet konstruera olika texturer för att uppnå önskad nivå av gränssnittsfriktion vid första försöket.

Forskarna testade sitt tillvägagångssätt genom att förbereda metasytor på centimeterstora prover av en gummiliknande elastomer. Varje yta hade ett galler av 64 sfäriska lock gjorda av elastomer. Höjden vid vilken varje mössa sticker ut från ytan ställs in individuellt, vilket gör att teamet kan skapa en rad olika metasytor.

Friktion mäts genom att placera en platt glasbit ovanpå metaytan och trycka ner medan du drar glaset längs metaytan. Genom att anpassa strukturen på metasytorna på ett systematiskt sätt kunde specifika friktionskoefficienter skapas vid gränssnittet.

Två olika friktionskoefficienter

Tillvägagångssättet fungerade utan behov av första principberäkningar av friktionskrafter, och utan att ändra några egenskaper hos materialen i sig. "Ännu mer har vi förberett kontakter med två olika friktionskoefficienter, som beror på nivån av kompression som tillämpas på gränssnittet – ett beteende som är mycket sällsynt till sin natur”, tillägger Scheibert.

Friktion gör det tunga lyftet i rep och garn

Med detta snabba och prisvärda tillvägagångssätt kunde Scheiberts team reproducera en mängd olika kända friktionslagar i sina experiment: inklusive linjära lagar, där koefficientfriktionen förblir konstant när skjuvkrafterna ökar över gränssnittet; och mer komplexa olinjära lagar, där denna koefficient varierar med skjuvkraften.

När de förbättrar sin teknik ytterligare, föreställer sig forskarna ett brett spektrum av tillämpningar för deras justerbara metasytor. "Att skapa kontaktgränssnitt som matchar ett specificerat friktionsbeteende är den heliga gralen i tribologi", säger Scheibert.

"Vår designstrategi ger nya verktyg för att förbereda sådana friktionsgränssnitt. Detta kan potentiellt öppna upp möjligheter inom olika utmanande områden, från sport till mjuk robotik. Om våra metagränssnitt är ytterligare utrustade med sensorer och ställdon, håller våra metagränssnitt till och med löftet om smarta kontaktgränssnitt med friktionsjustering i realtid."

Forskningen beskrivs i Vetenskap.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/simple-metasurfaces-offer-control-over-friction-at-material-interfaces/