清華新聞網(wǎng)11月27日電 近日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院教授李群仰、馮西橋課題組在固體表面率相關(guān)摩擦領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，該工作首次報(bào)道了氧化硅材料從百納米到毫米橫跨3個(gè)量級(jí)的摩擦演化行為，證實(shí)了其摩擦演化過(guò)程存在顯著的尺度效應(yīng)；通過(guò)理論模型的建立，論文揭示了粗糙滑動(dòng)界面中真實(shí)接觸微區(qū)面積的尺寸依賴(lài)性以及接觸微區(qū)滑動(dòng)的不同步性是摩擦演化出現(xiàn)尺度效應(yīng)的重要機(jī)理。論文成果為經(jīng)典的速率-狀態(tài)摩擦定律（RSF）在多尺度下的適用性提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)，對(duì)其在摩擦學(xué)、固體力學(xué)、地質(zhì)科學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。
納米、微米和毫米壓頭的摩擦演化實(shí)驗(yàn)。(a)摩擦演化實(shí)驗(yàn)示意圖。圖中下方從左到右依次為納米、微米和毫米壓頭的形貌。(b)三個(gè)尺度下摩擦演化系數(shù)隨演化時(shí)間的變化關(guān)系曲線(xiàn)。(c)多粗糙峰接觸摩擦演化模型的示意圖。（d）摩擦演化系數(shù)隨演化時(shí)間的理論模擬結(jié)果。（e）臨界滑動(dòng)時(shí)刻接觸界面的切向力分布及微接觸峰的滑動(dòng)狀態(tài)。
在自然界與工程中，許多材料（諸如巖石、橡膠和金屬等）構(gòu)成的接觸滑動(dòng)界面，其界面摩擦力往往具有滑動(dòng)速度相關(guān)性和滑動(dòng)歷史依賴(lài)性等演化行為。這種摩擦演化行為對(duì)小到微納米器件，大到地質(zhì)斷層等系統(tǒng)的滑動(dòng)界面穩(wěn)定性起著重要的作用。速率-狀態(tài)摩擦定律（RSF）是描述界面摩擦演化行為的一種經(jīng)典摩擦定律，目前RSF定律的參數(shù)基本依賴(lài)于厘米尺寸樣品的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，但從厘米尺寸的樣品測(cè)得的RSF參數(shù)能否直接拓展應(yīng)用于微、納米以及地質(zhì)尺度的滑動(dòng)界面，這成為了制約RSF摩擦演化定律應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。論文工作針對(duì)相同的接觸副材料，進(jìn)行了納米、微米以及毫米尺度壓頭的摩擦演化實(shí)驗(yàn)，首次獲得了接觸區(qū)尺寸橫跨3個(gè)數(shù)量級(jí)的摩擦演化參數(shù)的響應(yīng)。論文工作表明摩擦演化參數(shù)具有顯著的尺度效應(yīng)，且該尺度效應(yīng)同時(shí)來(lái)源于不同尺度下真實(shí)接觸面積-載荷關(guān)系以及摩擦剪切應(yīng)力的接觸區(qū)尺寸依賴(lài)性。前者基本取決于接觸區(qū)形貌、粗糙度以及材料變形性能等，而后者主要來(lái)源于微接觸區(qū)滑動(dòng)的不同步性。
該研究工作于2020年11月19日在線(xiàn)發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)期刊，論文題為“氧化硅接觸界面摩擦演化的尺度效應(yīng)”（Length scale effect in frictional aging of silica contacts）。該論文的通訊作者為清華大學(xué)航院李群仰教授，航院馮西橋教授參與了該工作。航院博士生李珅為該論文的第一作者，博士生張帥和陳哲參與了此項(xiàng)研究。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和清華大學(xué)摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自由探索項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.215502
供稿：航院
編輯：李華山 李晨暉
