具有薄水凝胶膜的孔隙弹性接触的摩擦

我们报道了接枝在玻璃基底上的薄聚二甲酰胺（PDMA）水凝胶膜与玻璃球形探针滑动接触时的摩擦行为。摩擦实验在各种速度和施加法向载荷下进行，接触完全浸没在水中。除摩擦力测量外，还设计了一种新颖的光学装置以在稳态滑动下对接触形状成像。发现摩擦力 $F_t$ 和接触形状的速度依赖性均由 Péclet 数 Pe 控制，Pe 定义为将水排出接触区域所需时间 $\tau$ 与接触时间 $a/v$ 之比，其中 $v$ 为滑动速度，$a$ 为接触半径。当 Pe<1 时，静态法向压痕下达到的平衡圆形接触在滑动过程中保持不变。相反，对于 Pe>1，当滑动速度增加时，观察到接触面积减小以及接触不对称性发展。在 Pe~$\approx$~1 处也观察到 $F_t$ 的最大值。这些实验观察基于薄层近似的孔隙弹性接触模型进行了讨论。该模型表明，观察到的接触几何变化是由于 Pe>1 时孔压不平衡的发展所致。在假设大部分摩擦能量由滑动接触前后缘的孔隙弹性流动耗散的前提下，还给出了摩擦力及其对法向载荷和速度依赖性的数量级估计。