Projekte
Projektbeschreibung
Sehr klebrige, raue Oberflächen trennen sich stoßweise: Teile der Kontaktfläche brechen ab. Diese Instabilitäten führen zu Adhäsionshysterese und Reibung und können bei der Kontaktaufladung eine Rolle spielen. Meine Simulationen der Kontaktmechanik ergänzen die experimentellen Untersuchungen von Qiwei Hu und Ravi Divakar, um Mechanik und Ladungstransfer auf der Mikroskala zu korrelieren.
Projektergebnis
Aufgrund der fraktalen Natur der Oberflächenrauheit ist es eine Herausforderung zu verstehen, wie sich ein weicher, klebriger Feststoff von einer rauen Oberfläche ablöst: Unebenheiten auf der Millimeterskala haben kleinere Unebenheiten auf sich, die wiederum von noch kleineren Unebenheiten bedeckt werden. Dies geschieht bis hinunter zur atomaren Skala.
Die erste Herausforderung besteht darin, die Oberflächenrauheit auf allen Skalen zu messen, was meine experimentellen Mitarbeiter an der Universität von Pittsburgh kürzlich begonnen haben. Meine Arbeit an skalenabhängigen Rauheitsparametern und der Webdienst „contact.engineering“ helfen ihnen und anderen Forschern in der Gemeinschaft, solche Messungen statistisch zu analysieren und zu interpretieren. Die zweite Herausforderung besteht darin, diese Rauheit in einem theoretischen Modell quantitativ zu erfassen. Ich habe ein effizientes Riss-Störungsmodell entwickelt, um den Kontakt von weichen Kugeln mit rauen Oberflächen zu beschreiben. Das Modell ist nur für sehr weiche Kugeln gültig, die sich vollständig an die Gegenfläche anpassen können. Seine Recheneffizienz ermöglicht es jedoch, alle Längenskalen aufzulösen, die die Klebrigkeit beeinflussen. Mein Modell zeigt, dass weiche Kontakte beim Aufbrechen klebriger sind als beim Herstellen, weil die Rauheit elastische Instabilitäten auslöst, die bei der Bewegung der Kontaktfläche Energie abbauen.
In künftigen Arbeiten könnte das vom Rissfrontmodell vorhergesagte Muster der Instabilitäten mit Messungen von Oberflächenladungsmustern verglichen werden. Dies könnte Hinweise darauf geben, ob Sprünge während der Ablösung der Oberflächen die Trennung triboelektrischer Ladungen fördern.
Erstbetreuer und Dissertation
Prof. Dr. Lars Pastewka
Antoine Sanner hat seine Dissertation im März 2023 erfolgreich verteidigt.
Dissertation: How surface roughness affects adhesion
Nächster Schritt
Postdoktorand in der Gruppe von Prof. David Kammer im Bereich Rechnergesteuerte Mechanik von Werkstoffen am Institut für Baustoffe an der ETH Zürich. Die Gruppe untersucht, wie Elastomere und Gele brechen, indem das Netzwerk der Polymerketten simuliert wird.