微纳米复合材料研究所在软材料界面Schallamach波对毛细粘附摩擦增强影响研究中取得新进展

研究简介

实验发现，随着PDMS试样弹性模量的减小，干摩擦系数逐渐增大，而摩擦峰呈现相反的趋势，从试样A到试样C的摩擦峰逐渐减小，试样D的摩擦峰甚至消失（图2）。为了比较不同样品的摩擦峰，定义了摩擦峰相对于干摩擦系数的增长百分比，∆μ%。结果发现∆μ%随着弹性模量的增大而增大，说明黏着态摩擦峰的增长幅度受到软材料弹性模量的影响。

湿转干过程中样本A接触界面没有观察到表面波的传播，可以忽略Schallamach波对其摩擦的贡献，因此，根据边界润滑模型以样本A作为黏着态水膜抗剪强度的参考。分析发现，样本B的理论结果略高于实验结果，而样本C和样本D的理论结果与实验结果的偏差较大（图3），说明边界润滑模型不能很好地预测Schallamach在接触界面成核和传播时的总摩擦。差异的增大表明，除了固-固接触和水膜的贡献外，还有其他因素削弱了摩擦的积累。

为了研究表面波在接触界面传播时软基底的面外变形，采用有限元分析（FEA）模拟了软基片与硬球的接触。仿真结果表明，随着弹性模量的减小，X-Z面屈曲脊（Schallamach波）的宽度和高度呈增大趋势。当软基底的弹性模量与样品D的弹性模量相当时，表面波传播引起的两个表面之间的最大分离距离达到微米尺度。结合黏着过渡过程中接触形态的演变和数值模拟结果可以看出，Schallamach波在前缘开始成核并在接触界面处传播，随着弹性模量的减小，传播距离越长，传播频率越高，截留空气越多，接触面之间的分离距离越远（图4）。

结合实验和模拟结果，建立了黏着过渡过程中摩擦增强与Schallamach波、毛细效应之间的关系（图5）。基于边界润滑理论模型得到的理论值与实验结果的偏差支持了Schallamach波作为应力松弛机制限制湿转干过程中摩擦增强的假设。此外，Schallamach波引起的接触面之间微米尺度的分离，会破坏部分液桥，削弱毛细效应的贡献，可能是表面波限制摩擦积累的另一个原因。综上所述，对于高弹性模量的软基底，接触界面残余水膜对摩擦峰的贡献起主导作用，而对于低弹性模量的软基底，Schallamach波的应力松弛机制将主导摩擦峰的出现。