Oppervlakteslijtage beschrijft het proces van materiaalverlies wanneer twee oppervlakken met elkaar in contact komen. Het heeft belangrijke economische, sociale en gezondheidsgevolgen - denk aan de fijne deeltjes die worden uitgestoten door bewegende voertuigen. Bovendien, het kan op alle niveaus worden waargenomen, van de nanoschaal tot de schaal van tektonische fouten, met de vorming van guts. Er zijn verschillende slijtagemechanismen, toch komt het lijmtype het meest voor. Het vindt plaats wanneer twee oppervlakken, zoals twee stukken van hetzelfde metaal, tegen elkaar wrijven en hechten.

Een van de parameters die het slijtagemechanisme beïnvloeden, is de oppervlakteruwheid. Een beter begrip van hoe de oppervlakteruwheid verandert tijdens het slijtageproces zou onze controle over dit mechanisme verbeteren. Dit kan leiden tot een aanzienlijke vermindering van het energieverbruik, uitstoot van broeikasgassen en kosten.

Onderzoekers van EPFL's Computational Solid Mechanics Laboratory (LSMS) hebben een belangrijke stap in deze richting gezet. Ze hebben digitaal gesimuleerd hoe de oppervlakteruwheid in de loop van de tijd verandert, en hun resultaten zijn in overeenstemming met experimentele resultaten. Wat hun simulaties onderscheidt, is hun duur:met behulp van een methode die is ontwikkeld bij EPFL, de LSMS-onderzoekers konden deze mechanismen over een langere periode simuleren. Met andere woorden, ze slaagden erin om het hele proces vast te leggen - van de initiële geometrie tot de uiteindelijke fractale geometrie. Hun bevindingen werden op 8 maart gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Deze studie is de derde studie van de LSMS-onderzoekers over adhesieve slijtage. Hun eerste studie – gepubliceerd in 2016 in Natuurcommunicatie - gebruikte digitale simulaties om te beschrijven hoe het proces van lijmslijtage fijne deeltjes produceerde. in 2017, hun simulaties verder brengen, ze kwamen naar buiten met een tweede studie, verschijnt deze keer in Proceedings van de National Academy of Science , aantonen dat het mogelijk was om het volume te voorspellen, vorm en grootte van deze deeltjes.

Onvolledige foto

Wetenschappers begrijpen de fysica die ten grondslag ligt aan slijtage nog lang niet volledig, en ingenieurs moeten nog voor elke situatie ad hoc experimenten uitvoeren. Wat is bekend, echter, is dat versleten oppervlakken een karakteristieke fractale morfologie vertonen, zelfverwant genoemd, dat een aantal fundamentele eigenschappen heeft, ongeacht het materiaal en de schaal. De oorsprong van deze zelf-affiene morfologie is nog onbekend.

Er is weinig onderzoek gedaan naar hoe de oppervlakteruwheid in de loop van de tijd verandert - en het is vooral experimenteel geweest. Een beperking van experimenten is dat, vanwege het puin dat zich vormt, het is niet eenvoudig om te controleren hoe de oppervlaktemorfologie verandert tijdens het wrijfproces. De onderzoekers hebben dit probleem overwonnen door hun digitale simulaties, die zorgen voor een constante stroom van gegevens.

Krachtige digitale simulaties

"We gebruikten krachtige computersimulaties om de verandering in oppervlaktemorfologie in 2D-materialen te volgen, " zegt Enrico Milanese, een doctoraat student aan de LSMS. "In onze simulaties we hebben waargenomen dat contact tussen twee oppervlakken altijd een slijtagedeeltje genereert. Dat deeltje wordt dan gedwongen tussen de twee oppervlakken te rollen, ze naar beneden dragen. Dit bracht ons tot de conclusie dat er slijtageresten aanwezig moeten zijn om de oppervlakken hun karakteristieke zelf-affiene ruwheid te laten ontwikkelen."

In de toekomst, de LSMS-onderzoekers hopen de oorsprong van lijmslijtage te onderzoeken door hun simulatiebenadering toe te passen op 3D-modellen van materialen die van belang zijn voor de industrie.