Forskere simulerer processen med klæbende slid

Overfladeslid beskriver processen med materialetab, når to overflader kommer i kontakt med hinanden. Det har betydelige økonomiske, sociale og sundhedsmæssige konsekvenser – overvej de fine partikler, der udsendes af kørende køretøjer. Hvad mere er, det kan observeres på alle niveauer, fra nanoskalaen op til skalaen af ​​tektoniske fejl, med dannelsen af ​​hulning. Der er flere slidmekanismer, alligevel er klæbemiddeltypen mest almindelig. Det finder sted, når to overflader - såsom to stykker af samme metal - gnider mod hinanden og klæber.

En af de parametre, der påvirker slidmekanismen, er overfladeruhed. En bedre forståelse af, hvordan overfladeruheden ændrer sig under slidprocessen, ville forbedre vores kontrol over denne mekanisme. Dette kan føre til betydelige reduktioner i energiforbruget, drivhusgasemissioner og omkostninger.

Forskere ved EPFL's Computational Solid Mechanics Laboratory (LSMS) har taget et vigtigt skridt i denne retning. De har digitalt simuleret, hvordan overfladens ruhed ændrer sig over tid, og deres resultater er i overensstemmelse med eksperimentelle resultater. Det, der adskiller deres simuleringer, er deres varighed:ved hjælp af en metode udviklet på EPFL, LSMS-forskerne var i stand til at simulere disse mekanismer over en længere periode. Med andre ord, det lykkedes dem at fange hele processen - fra den indledende geometri til den endelige fraktale geometri. Deres resultater blev offentliggjort den 8. marts i Naturkommunikation .

Denne undersøgelse er LSMS-forskernes tredje om klæbende slid. Deres første undersøgelse - udgivet i 2016 i Naturkommunikation - brugte digitale simuleringer til at beskrive, hvordan processen med adhæsiv slid producerede fine partikler. I 2017 tager deres simuleringer videre, de kom ud med en anden undersøgelse, optræder denne gang i Proceedings of the National Academy of Science , demonstrerer, at det var muligt at forudsige volumen, form og størrelse af disse partikler.

Ufuldstændigt billede

Forskere er stadig langt fra fuldt ud at forstå fysikken bag slid, og ingeniører skal stadig udføre ad hoc eksperimenter for hver situation. Hvad er kendt, imidlertid, er, at slidte overflader udviser en karakteristisk fraktal morfologi, kaldet selv-affin, der har nogle grundlæggende egenskaber uanset materialet og skalaen. Oprindelsen af ​​denne selvaffine morfologi er stadig ukendt.

Der er blevet arbejdet lidt med, hvordan overfladeruheden ændrer sig over tid - og det har for det meste været eksperimentelt. En begrænsning af eksperimenter er, at på grund af det affald, der dannes, det er ikke let at overvåge, hvordan overflademorfologien ændrer sig under gnidningsprocessen. Forskerne overvandt dette problem gennem deres digitale simuleringer, som giver en konstant strøm af data.

Kraftige digitale simuleringer

"Vi brugte højtydende computersimuleringer til at spore ændringen i overflademorfologi i 2-D materialer, " siger Enrico Milanese, en ph.d. studerende på LSMS. "I vores simuleringer, vi observerede, at kontakt mellem to overflader altid genererer en sliddebrispartikel. Den partikel tvinges så til at rulle mellem de to overflader, at slide dem ned. Dette fik os til at konkludere, at der skal være slidaffald til stede, for at overfladerne kan udvikle deres karakteristiske selvaffinerede ruhed."

I fremtiden, LSMS-forskerne håber at kunne udforske oprindelsen af ​​klæbende slid ved at anvende deres simuleringstilgang til 3-D-modeller af materialer, der er af interesse for industrien.