硬材料黏附：哪些粗糙尺度起作用？

表面形貌强烈改变硬材料接触的黏附，而真实表面的粗糙度通常存在于多个长度尺度上。本研究旨在确定哪些形貌尺度对宏观黏附影响最强。使用足够大（直径 $0.5$ mm）以采样所有形貌长度尺度的球形红宝石探针，对具有不同粗糙度的技术相关金刚石涂层进行了黏附测量。对每种材料执行了超过 $2000$ 次拔离力测量，以研究黏附的大小与统计分布。利用球接触模型，测得依赖于粗糙度的有效黏附功，在四种表面上介于 $0.08$ 至 $7.15$ mJ/m$^2$ 之间。数据通过数值分析拟合得更准确，其中将相互作用势对所有接触表面的 AFM 测量形貌进行积分。这些计算揭示，考虑材料中的纳米级塑性对测量的良好定量拟合至关重要，且测试后探针的 AFM 测量证实了此类塑性的存在。该分析得以提取与几何无关的材料参数；红宝石与金刚石之间的本征黏附功确定为 $46.3$ mJ/m$^2$。黏附作用范围为 $5.6$ nm，长于通常对原子相互作用的假设，但与其他近期研究一致。最后，对相同表面重复数值分析，但此次包含或滤除不同长度尺度的粗糙度。结果表明，横向尺寸在 $43$ nm 至 $1.8$ nm 之间的临界尺度带对这些硬粗糙接触的总黏附力影响最强。