Static friction at fractal interfaces

Frottement statique aux interfaces fractales

Dorian A.H. Hanaor (1) , Yixiang Gan (2) , Itai Einav (3)

1 TU - Technical University of Berlin / Technische Universität Berlin
2 The University of Sydney
3 CGR - Centre for Geotechnical Research

Tribological phenomena are governed by combined effects of material properties, topology and surface-chemistry. We study the interplay of multiscale-surface-structures with molecular-scale interactions towards interpreting static frictional interactions at fractal interfaces. By spline-assisted-discretization we analyse asperity interactions in pairs of contacting fractal surface profiles. For elastically deforming asperities, force analysis reveals greater friction at surfaces exhibiting higher fractality, with increasing molecular-scale friction amplifying this trend. Increasing adhesive strength yields higher overall friction at surfaces of lower fractality owing to greater true-contact-area. In systems where adhesive-type interactions play an important role, such as those where cold-welded junctions form, friction is minimised at an intermediate value of surface profile fractality found here to be in the regime 1.3-1.5. Our results have implications for systems exhibiting evolving surface structures. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2015.09.016

Les phénomènes tribologiques sont régis par les effets combinés des propriétés des matériaux, de la topologie et de la chimie des surfaces. Nous étudions l’interaction des structures de surface multi-échelles avec les interactions à l’échelle moléculaire pour interpréter les interactions frictionnelles statiques aux interfaces fractales. Par discrétisation assistée par spline, nous analysons les interactions d’asperité par paires de profils de surface fractale en contact. Pour les aspérités se déformant élastiquement, l'analyse de la force révèle un frottement plus important sur les surfaces présentant une fractalité plus élevée, le frottement croissant à l'échelle moléculaire amplifiant cette tendance. L'augmentation de la force adhésive engendre un frottement global plus élevé sur les surfaces de fractalité inférieure en raison d'une plus grande surface de contact. Dans les systèmes où les interactions de type adhésif jouent un rôle important, tels que ceux où se forment des jonctions soudées à froid, le frottement est minimisé à une valeur intermédiaire de la fractalité du profil de surface qui se situe autour de 1,3–1,5. Les résultats ont des implications pour les systèmes présentant des structures de surface en évolution. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2015.09.016

Mots clés: Contact mechanics; friction; fractal; surface structures

Domaines: Mécanique [physics.med-ph]; Physique [physics]; Mécanique [physics]; Matière Condensée [cond-mat]; Sciences de l'ingénieur [physics]

Dorian A.H. Hanaor, Yixiang Gan, Itai Einav. Static friction at fractal interfaces. Tribology International, 2016, 93, pp.229-238. ⟨10.1016/j.triboint.2015.09.016⟩. ⟨hal-02348511⟩