表面粗糙度如何影响软材料的附着力

胶带或便利贴很容易附着在表面上，但很难去除。这种现象称为粘合滞后，可以从根本上在柔软的弹性材料中观察到：粘合接触的形成比破坏更容易。

弗莱堡大学、匹兹堡大学和阿克伦大学的研究人员现已发现，这种粘附滞后是由粘附软材料的表面粗糙度引起的。通过实验观察和模拟相结合，该团队证明粗糙度会干扰分离过程，导致材料在微小、突然的运动中分离，从而逐渐释放部分粘合剂。

来自弗莱堡大学微系统工程系和 livMatS 卓越集群的 Antoine Sanner 博士和 Lars Pastewka 教授、来自阿克伦大学的 Nityanshu Kumar 博士和 Ali Dhinojwala 教授以及匹兹堡大学的特维斯·雅各布斯 (Tevis Jacobs)在《科学进展》上发表了他们的研究结果。

“我们的研究结果将使通过表面粗糙度专门控制软材料的粘合性能成为可能，”桑纳说。“它们还将允许在未来的软机器人或生产技术中开发新的和改进的应用程序，例如用于夹具或放置系统。”

接触边缘突然跳跃运动

到目前为止，研究人员假设粘弹性能量耗散会导致软固体中的粘附滞后。换句话说，能量在材料中损失为热量，因为它在接触循环中变形：接触时压缩，释放时膨胀。这些能量损失抵消了接触表面的移动，从而增加了分离过程中的粘合力。

接触老化，即接触表面上化学键的形成，也被认为是一个原因。这里，接触时间越长，粘附力就越大。“我们的模拟表明，观察到的滞后现象可以在没有这些特定能量耗散机制的情况下得到解释。我们的数值模型中能量耗散的唯一来源是接触边缘的突然跳跃运动，这是由粗糙度引起的，”桑纳说。

计算实际表面粗糙度的粘附滞后

在弗莱堡研究人员的模拟和阿克伦大学的粘附实验中可以清楚地识别出这种突然的跳跃运动。“在 20 世纪 90 年代，人们已经提到接触表面的突然变化是粘附滞后的可能原因，但之前的理论工作仅限于简化的表面特性，”Kumar 解释道。

“我们首次成功计算了真实表面粗糙度的粘附滞后。这是基于数值模型的效率和匹兹堡大学研究人员进行的极其详细的表面表征，”雅各布斯说。

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