Nouvelles

Aug 28, 2023

Contrôle du frottement des matériaux élastiques sur le verre au moyen de surfaces texturées

Rapports scientifiques volume 12,

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 15423 (2022) Citer cet article

2434 accès

11 Altmétrique

Détails des métriques

Pour étudier les comportements de frottement des pointes d'écriture en élastomère et en polyacétal glissant sur diverses surfaces de verre texturées, les influences de la taille du pas et de la hauteur de la texture de taille submillimétrique à millimétrique sur le frottement ont été examinées via des tests de frottement alternatif. Les coefficients de frottement de chaque pointe d'écriture pourraient être systématiquement modifiés en modifiant le pas et la hauteur de la texture. Ces changements de frottement étaient basés sur la relation entre les formes convexes-concaves et les parties de contact de la pointe d'écriture, et par conséquent, influencent les frottements adhésifs, abrasifs et de déformation. En induisant une texture de surface avec un pas inférieur à la surface de contact de la pointe d'écriture, le coefficient de frottement pourrait être réduit de manière efficace. En induisant une texture de surface avec une plus grande hauteur, le coefficient de frottement de l'élastomère pourrait être augmenté en raison du frottement de déformation. Ces comportements indiquent la possibilité de contrôler le frottement en modifiant les paramètres tels que le pas et la hauteur des surfaces de verre texturées.

Le contrôle des propriétés tribologiques à l'aide de surfaces texturées a été intéressant dans une variété de domaines pour améliorer les conditions de surface de glissement1,2,3,4. Par exemple, dans le domaine de l'automobile, des surfaces texturées ont été introduites pour contrôler la friction et améliorer l'efficacité énergétique, ce qui, à son tour, réduit les émissions de CO25,6. L'amélioration des propriétés tribologiques des machines-outils a également été étudiée en introduisant une texture sur les surfaces des glissières des machines-outils, des paliers lisses et d'autres composants7,8,9.

De nombreuses études ont examiné les effets des surfaces texturées sur les caractéristiques tribologiques dans des conditions lubrifiées et non lubrifiées10,11,12,13,14. Dans des conditions lubrifiées, les surfaces texturées améliorent généralement la lubrification hydrodynamique15,16. En revanche, dans des conditions non lubrifiées, les surfaces texturées contribuent aux zones de contact apparentes, ce qui affecte également de manière significative le frottement adhésif et le frottement abrasif au niveau des aspérités de la face d'appui17,18,19,20. De plus, le frottement de déformation d'un matériau élastique dû à une surface texturée peut également affecter les comportements de frottement21,22,23,24. La déformation élastique et la migration du matériau élastique se déplaçant le long de la structure convexe et concave dans la contre-face dure texturée peuvent provoquer une usure par fatigue du matériau élastique25.

Dans une optique de réduction de la consommation de papier et d'amélioration de l'efficacité du travail, la saisie manuscrite sur les tablettes tactiles s'est généralisée ces dernières années26. Dans la saisie manuscrite, les comportements de friction des pointes de stylet, qui influencent l'expérience d'écriture, sont critiques27. Les utilisateurs ont généralement une mauvaise expérience d'écriture avec un stylo sur une surface de verre plane et glissante. Les méthodes courantes pour améliorer l'expérience utilisateur comprennent l'augmentation de la friction en ajustant le module d'élasticité ou en changeant le matériau de la pointe du stylet et en fixant une feuille de film texturée sur les tablettes. L'introduction de textures directement sur les surfaces en verre des ordinateurs tablettes présente les avantages de préserver la résistance aux rayures, la transparence et la sensation du verre et, par conséquent, a attiré une attention considérable. Cependant, seules quelques études visent à améliorer l'expérience de saisie manuscrite en introduisant des textures sur le verre. Dans une précédente étude, nous avons signalé la possibilité de contrôler les caractéristiques de frottement en utilisant deux types de rugosité de surface (texture de taille submillimétrique à millimétrique et rugosité fine de taille nanométrique)28. Nous avons constaté que chaque rugosité affecte le frottement adhésif, le frottement abrasif et le frottement de déformation, et par conséquent, le coefficient de frottement entre les pointes d'écriture et les surfaces de verre texturées peut être contrôlé. Cependant, une discussion sur la contribution des pas et des hauteurs des formes convexes et concaves de plus grande taille aux comportements de frottement manquait.

Dans cette étude, nous avons mesuré les comportements de frottement de deux types de pointes de stylo disponibles dans le commerce sur du verre texturé en modifiant en détail l'état de la rugosité. Les comportements de frottement ont été observés via des essais de frottement alternatif sur des surfaces de verre texturées présentant deux types de rugosité : Le premier type est dû à des aspérités de taille nanométrique ; ce type de rugosité peut influencer les frottements adhésifs et abrasifs. L'autre est due à la texture de surface des pas submillimétriques à millimétriques et peut influencer la déformation. Nous nous sommes particulièrement concentrés sur la taille du pitch et la hauteur des textures submillimétriques à millimétriques. Les mécanismes de frottement basés sur les frottements adhésifs, abrasifs et de déformation ont été analysés sur la base de la relation entre la texture de taille submillimétrique à millimétrique et les changements de frottement.

Les spécimens de pointe d'écriture utilisés dans cette étude étaient une pointe en élastomère (ACK-20004, Pen Nibs, Wacom Co., Ltd.) et une pointe en polyacétal (ACK-20001, Pen Nibs, Wacom Co., Ltd.) (Figure supplémentaire .S1). La pointe en élastomère est constituée d'élastomère polyester thermoplastique, qui a une structure avec des fentes. La rugosité de surface (Sa) et le rayon de courbure à la pointe de l'échantillon de pointe d'écriture en élastomère étaient d'environ 10,5 μm et 687 μm, respectivement, et ceux de la pointe en polyacétal étaient d'environ 0,7 μm et 665 μm, respectivement.

Le traitement de la surface de verre texturée a été réalisé via un traitement par jet de micro-slurry (Fig. S2 supplémentaire)29,30,31. Des plaques de verre plates de dimensions 70 mm (longueur) x 70 mm (largeur) x 0,55 mm (épaisseur) (plaque de verre plate ; T2X-1, Nippon Electric Glass Co. Ltd., Japon) ont été utilisées. Une bouillie constituée d'eau pure avec 3% en poids de particules d'alumine (WA # 8000, diamètre moyen = 1,2 μm) a été préparée. La bouillie a été pulvérisée verticalement sur les surfaces de verre à travers une buse d'injection de forme carrée de 1 mm de large en utilisant de l'air comprimé à 0,23 MPa. La buse d'injection pouvait être déplacée parallèlement à la surface traitée à l'aide d'un système de commande numérique. Les surfaces texturées ont été préparées en ajustant la vitesse et le pas de la buse. Une plaque de verre non traitée (plaque de verre plate) a également été utilisée pour les essais de frottement.

Les surfaces de verre ont été analysées à l'aide d'un profileur de surface optique tridimensionnel (NewView 7300, Zygo Co., USA). Les paramètres géométriques de la surface de verre texturée, qui présente à la fois des sections convexes et concaves, ont été définis à partir de la vue à vol d'oiseau 3D et du profil de ligne (Fig. S3 supplémentaire). La figure montre également le pas entre les parties concaves et la hauteur entre les parties convexes et concaves. Nous avons mesuré la rugosité de surface (Sa) sur une zone de 75 μm × 55 μm de la section convexe (Fig. S3 supplémentaire). Les valeurs de Sa mesurées dans la microrégion variaient avec les points de mesure ; par conséquent, la moyenne des résultats de mesure en 10 points a été calculée.

Le frottement a été mesuré en effectuant des tests de mouvement alternatif (Fig. S4 supplémentaire). Pendant le test, la pointe d'écriture a été fixée à un angle d'orientation de 60° et pressée sur la plaque de verre sous une charge de 0,98 N et 1,96 N. Des mouvements alternatifs avec une course de 50 mm et une vitesse de 5 mm/s ont été appliqués pendant 100 cycles à température ambiante (environ 25 °C). Le coefficient de frottement a été calculé à partir de la force de frottement mesurée par une cellule de charge. La pointe d'écriture a été remplacée après chaque essai. Pour stabiliser l'état de surface avant le test, l'échantillon d'écriture en verre a été nettoyé par ultrasons trois fois avec de l'eau ultrapure et une fois avec de l'alcool éthylique, puis a été mis de côté pendant 5 jours.

La zone de contact entre les pointes d'écriture et une surface de verre pendant le mouvement de glissement a été observée (Fig. S5 supplémentaire). Lors des observations, les pointes d'écriture ont été fixées à un angle d'orientation de 60° et pressées sur la plaque de verre sous une charge de 1,96 N. La zone de contact entre les pointes d'écriture et la surface du verre a été observée depuis l'envers du verre à l'aide de un microscope laser (LEXT OLS5000-SAT, Olympus Corporation, Japon). Un mouvement alternatif dans la direction droite et gauche, avec une course de 12 mm et une vitesse de 1 mm/s, a été induit en actionnant un micromètre à étage x avec un moteur pas à pas ; les échantillons de verre sur la platine x ont été déplacés contre des pointes d'écriture fixes. Pour réduire l'influence de la vibration de l'appareil sur l'observation, le test a été effectué à une vitesse de 1 mm/s, ce qui est plus lent que les tests de mouvement alternatif.

Le tableau 1 montre les paramètres de surface des surfaces de verre utilisées comme spécimens de surface d'écriture. La figure 1 montre des exemples d'images d'observation de verre plat et de chaque pas (hauteur : 21,6 à 23 nm). La formation de formes concaves-convexes continues et uniformes peut être observée sur les surfaces de verre texturées. De plus, tous les verres traités restaient transparents32. Dans tous les pas, Sa tend à augmenter avec une augmentation de la hauteur entre les parties convexe et concave en raison du taux de collision accru des particules d'alumine en chaque point. Ces augmentations de la Sa et de la hauteur étaient basées sur la vitesse d'alimentation de la buse d'injection du traitement par jet de micro-slurry ; c'est-à-dire que plus la vitesse d'alimentation est faible, plus le Sa est rugueux et plus la hauteur des formes convexes et concaves est grande.

Images de surfaces de verre considérées comme échantillons de surface d'écriture (verre plat, pas de 500 μm, 750 μm et 1000 μm).

La figure 2 montre les résultats expérimentaux des essais de frottement alternatif. Les mesures de frottement pour les deux types de pointes et les différentes surfaces ont été réalisées deux ou trois fois, et le coefficient de frottement moyen après les 5e (Fig. 2a et c) et 95e (Fig. 2b et d) cycles a été enregistré28. Pour la pointe en élastomère, le frottement a augmenté avec le nombre de cycles de va-et-vient pour tous les échantillons (Fig. 2a et b). Ces résultats indiquent un endommagement de l'élastomère ; la présence d'élastomère transféré sur la surface du verre peut augmenter le frottement avec le nombre de cycles de va-et-vient33,34,35. Pour la pointe en polyacétal, le frottement avait tendance à diminuer légèrement avec le nombre de cycles de va-et-vient (Fig. 2c et d). La même tendance a été observée dans toutes les surfaces de verre; par conséquent, la formation d'une couche de polyacétal transférée sur les surfaces de verre est considérée comme contribuant à la réduction du coefficient de frottement36,37,38,39. De plus, les propriétés de surface et le contact réel au niveau des aspérités des surfaces de verre sont cruciaux pour les comportements de frottement des pointes d'écriture et des surfaces de verre. Les aspérités de taille nanométrique sur les surfaces de verre influencent le frottement, conduisant à des comportements de frottement différents de l'élastomère et du polyacétal. De plus, étant donné que la rugosité de surface de chaque pointe d'écriture était bien supérieure à celle de l'aspérité de taille nanométrique sur les surfaces de verre, les dimensions de l'aspérité de taille nanométrique avaient peu d'effet sur le frottement28. Les distinctions entre les comportements de frottement entre les pas sont évidentes sur la Fig. 2. Dans l'élastomère (Fig. 2a et b), le coefficient de frottement de la surface plane du verre était le plus élevé en raison de la force d'adhérence élevée de l'élastomère40,41. L'induction de textures de surface sur la surface plane du verre a entraîné une diminution du coefficient de frottement de toutes les surfaces texturées en raison de la zone de contact réduite entre l'élastomère et les surfaces de verre. Autrement dit, on peut considérer que la quantité de frottement adhésif a diminué en raison de la diminution de la zone de contact par aspérité de taille nanométrique et texture de taille submillimétrique à millimétrique28,42. Les coefficients de frottement des pas de 750 μm ont considérablement diminué avec une augmentation de la hauteur des formes convexes et concaves. La réduction des coefficients de frottement des pas de 1000 μm a été la plus lente parmi les trois pas. Les coefficients de frottement des pas de 500 μm ont montré un comportement intermédiaire. Ces résultats peuvent être interprétés à partir de la relation entre le diamètre de la surface de contact de la pointe en élastomère (environ 850 μm) et les surfaces de verre28. Les pas de 750 μm sont plus petits et plus proches du diamètre de la zone de contact (850 μm), ce qui pourrait avoir un rôle important dans la réduction de la surface de contact apparente entre l'élastomère et les surfaces de verre. En revanche, dans le cas des pas de 1000 µm, l'élastomère peut facilement atteindre la partie concave de la texture car la taille du pas est supérieure au diamètre de l'aire de contact ; par conséquent, la réduction de la surface de contact apparente est négligeable. Dans le cas des pas de 500 μm, bien que l'effet de la surface de contact apparente soit inférieur à celui des pas de 750 μm, un coefficient de frottement similaire peut être obtenu à mesure que la hauteur du convexe et du concave augmente (~ environ 20 nm). Lorsque la hauteur du convexe et du concave est supérieure ou égale à 20 nm, le coefficient de frottement tend à augmenter. Cette augmentation du coefficient de frottement à une hauteur plus importante peut être due au frottement de déformation résultant de la déformation élastique lors de l'entrée de l'élastomère dans la partie concave42,43,44,45. L'équilibre du coefficient de frottement autour de 20 nm de hauteur entre les pas de 500 et 750 μm est supposé dépendre du degré de frottement de déformation, ce qui implique qu'il est plus facile pour l'élastomère d'entrer dans les parties concaves des pas de 750 μm. Aux pas de 1000 μm, l'élastomère est plus susceptible de pénétrer dans les parties concaves que les autres pas, d'où la réduction du coefficient de frottement était progressive. Dans le cas du polyacétal (Fig. 2c et d), le coefficient de frottement du verre plat était le plus bas parmi les surfaces de verre en raison du faible frottement adhésif du polyacétal. Comme l'aspérité de taille nanométrique provoquait un frottement abrasif sur les surfaces, le coefficient de frottement des surfaces de verre texturées augmentait par rapport à celui du verre plat46,47,48. Dans tous les pas, une hauteur plus grande tend à correspondre à un coefficient de frottement plus faible. Il n'y avait pas de différence significative dans les comportements de frottement entre les emplacements. Dans une étude précédente, le diamètre de la zone de contact de la pointe en polyacétal et des surfaces en verre a été déterminé à environ 180 μm28. Par conséquent, la pointe en polyacétal pouvait atteindre les parties concaves de la texture car toutes les tailles de pas étaient plus grandes que la zone de contact. Cependant, lorsque la taille du pas est grande (1000 μm), il est plus facile pour la pointe en polyacétal de pénétrer dans les parties concaves. Par conséquent, les coefficients de frottement des pas de 1000 μm étaient légèrement supérieurs à ceux des autres pas. Lorsque la hauteur du convexe et du concave est plus grande, on suppose que, lors des mouvements de coulissement, la pointe en polyacétal ne peut pas atteindre le fond des parties concaves de tous les pas. Par conséquent, la surface de contact entre le polyacétal et les surfaces de verre est réduite et cela contribue à une diminution du coefficient de frottement des surfaces de verre texturées.

Relation entre le coefficient de frottement et la hauteur convexe-concave dans les surfaces de verre pour les pointes en élastomère et en polyacétal. (a) Élastomère après 5 cycles ; (b) Elastomère après 95 cycles ; (c) Polyacétal après 5 cycles, (d) Polyacétal après 95 cycles.

Pour étudier l'influence du frottement de déformation dans l'élastomère lorsque la hauteur du convexe et du concave est grande, la charge appliquée dans le test de mouvement alternatif dans des pas de 750 μm est passée de 1,96 N à 0,98 N. Une charge appliquée plus petite devrait réduire la quantité de déformation de l'élastomère dans les parties concaves. La figure 3a montre le résultat expérimental (le coefficient de frottement des 95 cycles) à des charges appliquées de 1,96 N et 0,98 N pour les pas de 750 μm. Bien que le comportement du frottement sous 1,96 N et 0,98 N jusqu'à environ 22 nm de hauteur soit similaire, une différence a été observée autour de 35 nm de hauteur. Lorsque la charge appliquée était de 0,98 N, le coefficient de frottement n'a pas augmenté même à une grande hauteur des parties convexes et concaves en raison du frottement de déformation réduit. En conséquence, l'augmentation de la hauteur des parties convexes et concaves est suggérée pour augmenter le frottement de déformation provoqué par la pointe d'écriture pénétrant dans les parties concaves (figure 3b). Les comportements de frottement ont été déterminés à partir des résultats des mesures de frottement et des facteurs géométriques dus au contact entre les surfaces de verre et les pointes d'écriture. Pour comprendre ces comportements, les frottements doivent être interprétés à partir du mécanisme de contact entre les surfaces de verre et les pointes d'écriture. Bien que les théories fondamentales de la mécanique de contact basées sur la surface de contact réelle aient été développées en détail49,50,51,52,53, l'état de contact entre le verre, contenant deux types de surfaces rugueuses avec des valeurs de rugosité considérablement différentes, et la pointe d'écriture avec des surfaces rugueuses doivent être pris en compte dans cette étude. Par conséquent, à l'avenir, nous prévoyons de déterminer le mécanisme du phénomène sur une base scientifique, via la mécanique des contacts.

Différence de comportement en frottement au pas de 750 μm sous les charges de 1,96 N et 0,98 N. (a) Relation entre le coefficient de frottement et la hauteur convexe-concave dans les surfaces de verre pour l'élastomère sous 1,96 N et 0,98 N de charge. (b) Images de différence dans la quantité de déformation sous 1,96 N et 0,98 N de charge.

Pour examiner la relation entre les changements du coefficient de frottement et la texture de taille submillimétrique à millimétrique, l'observation des comportements au niveau de la région de contact pendant les mouvements de glissement est cruciale. Cependant, une observation des changements infimes au niveau de la région de contact est difficile car la hauteur du convexe et du concave est assez faible (~ 50 nm). Par conséquent, les observations pendant les mouvements de glissement ont été effectuées à l'aide d'un échantillon avec une hauteur améliorée (~ 1463 nm) et un motif de rayures avec un espacement de 500 μm ; les surfaces de verre ont été déplacées dans une direction perpendiculaire au motif de rayures contre les pointes d'écriture fixes (Fig. 4a). Les figures 4b,c et 5a,b et les vidéos supplémentaires 1 à 2 montrent les résultats d'observation de la surface texturée en rayures (figures 4b, 5a) et de la surface plane en verre (figures 4c, 5b) en élastomère et polyacétal. A partir d'un enregistrement vidéo de l'observation, une image a été extraite toutes les 0,25 s pour l'élastomère (Fig. 4b et c : (A)–(F)) et toutes les 0,10 s pour le polyacétal (Fig. 5a et b : (A)–( J)). Pour la surface texturée dans l'élastomère (Fig. 4b), le changement de forme au niveau de la partie de contact était significativement faible, et un changement régulier au niveau de la partie de contact (fluctuations entre les parties de contact et sans contact dans la partie de contact) a pu être confirmé . Les fluctuations sont des changements dans lesquels la partie de contact devient plus petite, plus grande, apparaît ou disparaît (les parties indiquées par les flèches orange) et peuvent être observées dans un cycle de 0,5 s (Fig. 4b). De plus, les fluctuations semblent se déplacer contre la direction de glissement de la pointe en élastomère. Les 0,5 s correspondent au cycle se déplaçant de 0,5 mm à une vitesse de 1 mm/s (vitesse de glissement de la pointe d'écriture). Ainsi, ces fluctuations peuvent indiquer les parties sans contact de l'élastomère au-dessus des parties concaves de la surface du verre. Ces fluctuations sont clairement visibles dans la vidéo. Au contraire, pour la surface de verre plane dans l'élastomère (Fig. 4c), aucun changement régulier de la partie de contact n'a été observé. Un changement progressif de la forme au niveau de la partie de contact et un déplacement vers le côté gauche ont été confirmés ; cela peut être attribué à la forte adhérence de l'élastomère (Le décalage par rapport à la ligne pointillée rouge est confirmé). La figure 6 montre une image de la pièce de contact entre la pointe en élastomère et le convexe et le concave. Lorsque la pointe d'écriture est en contact avec la partie convexe, une contrainte de compression est générée près de la pente de la partie convexe de la pointe d'écriture. Une fois que la pointe d'écriture s'éloigne de la partie convexe, la contrainte de compression générée est relâchée et les parties sans contact sont accentuées dans les images d'observation. Dans cette étude, bien que seules les parties sans contact à côté de la zone libérée de la contrainte de compression aient été clairement observées, on considère que les parties concaves n'étaient pas en contact avec la pointe d'écriture. Pour le polyacétal, la fluctuation du cycle de 0, 50 s a pu être observée clairement dans la surface texturée par rapport à la surface de verre plane (Fig. 5a et b). Dans la surface texturée, on observe clairement que la forme de la partie de contact correspond à celle après 0,50 s. Le polyacétal étant un matériau plus dur que l'élastomère, il est difficile d'absorber les fluctuations des vibrations ; par conséquent, l'observation de la libération de la contrainte de compression est plus facile. Les résultats d'observation du motif en forme de réseau (pas : 500 μm, hauteur : 560 nm (Fig. 7a) pour l'élastomère sont illustrés à la Fig. 7b et à la vidéo supplémentaire 3. La figure 7c montre une condition de contact entre la pointe en élastomère et la forme convexe parties de la surface texturée. Des fluctuations similaires du cycle de 0,50 s ont été observées dans quelques portions de la partie de contact. Ces parties de fluctuation correspondent aux parties convexes (Fig. 7c). Les fluctuations ont été principalement observées dans la plage de la ligne pointillée bleue. qui coïncide avec la partie convexe sur la figure 7c (les parties indiquées par les flèches orange sur la figure 7b). Par conséquent, il est suggéré que les parties sans contact de la pointe en élastomère existent après avoir traversé les parties convexes. Bien que ces observations aient été menée sur des surfaces texturées avec une hauteur accrue pour accentuer le phénomène, nous pensons qu'un comportement similaire près des parties convexes se produit à une faible hauteur des formes convexes et concaves.

( a ) Motif à rayures avec un espacement de 500 μm et 1463 nm de hauteur et de direction de glissement des pointes d'écriture. (b), (c) Observations de la zone de contact entre l'élastomère et les surfaces de verre pendant le mouvement de glissement ((b) Motif de rayures avec un espacement de 0,5 mm et 1463 nm, (c) verre plat), et illustration de la relation entre l'élastomère et chaque surface de verre.

Observations de la zone de contact entre les surfaces de polyacétal et de verre pendant le mouvement de glissement ((a) Motif à rayures avec un espacement de 0,5 mm et 1463 nm, (b) verre plat) et illustration de la relation entre le polyacétal et chaque surface de verre.

Illustration des parties sans contact soulignées après avoir été libérées de la contrainte de compression près des parties convexes pour l'élastomère.

( a ) Motif en forme de treillis avec un espacement de 500 μm et 560 nm de hauteur et de direction de glissement des pointes d'écriture. (b) Observations de la zone de contact entre l'élastomère et les surfaces de verre à motifs en forme de treillis pendant le mouvement de glissement (pas : 500 μm, hauteur : 560 nm). (c) Observation de la partie de contact avant et après pressage de l'élastomère sur une surface de verre à motifs en forme de treillis (pas : 500 μm, hauteur : 560 nm). Le motif en forme de treillis peut être observé avant de presser l'élastomère sur la surface du verre.

Induire deux types de rugosité de surface sur la surface du verre a un effet intéressant sur les caractéristiques de frottement. En particulier, cette étude a montré que le coefficient de frottement peut être modifié en contrôlant la taille des textures submillimétriques à millimétriques après avoir compris le rôle de chaque rugosité. Le contrôle des caractéristiques de fiction démontré dans cette étude peut ouvrir de nouvelles voies dans divers domaines en dehors de l'amélioration de l'expérience utilisateur des dispositifs de saisie au stylet.

Nous avons étudié le comportement de frottement des matériaux élastiques sur des surfaces de verre texturées via des tests de frottement alternatif. Ces tests ont été réalisés en utilisant deux types de pointes d'écriture (élastomère et polyacétal) et des surfaces de verre texturées préparées via la technologie micro-slurry-jet. Les surfaces de verre texturées ont une texture de taille submillimétrique à millimétrique et une rugosité fine à l'échelle nanométrique, ce qui entraîne une différence de comportement de frottement résultant des frottements adhésifs, abrasifs et de déformation. Dans cette étude, nous nous sommes spécifiquement concentrés sur la hauteur et la taille du pas de la texture de taille submillimétrique à millimétrique, ce qui peut affecter les caractéristiques de frottement. Nous avons observé les différences dans l'influence de la hauteur et de la taille du pas des surfaces concaves-convexes de taille submillimétrique à millimétrique sur les comportements de frottement. Les conclusions importantes sont :

Pour l'élastomère, la relation entre la surface de contact apparente de la pointe d'écriture et les surfaces concaves-convexes pour la réduction du coefficient de frottement : lorsque la taille du pas est inférieure au diamètre de la partie de contact, le coefficient de frottement a tendance à diminuer par rapport à la hauteur du concave-convexe. Lorsque la taille du pas est plus grande que cela, la réduction du coefficient de frottement diminue et une plus grande hauteur du concave-convexe est nécessaire pour réduire le coefficient de frottement.

L'augmentation du coefficient de frottement à une plus grande hauteur du concave-convexe (pas : 750 μm, hauteur : 35 nm) est due au frottement de déformation provoqué par l'entrée de la pointe d'écriture dans les parties concaves.

Pour le polyacétal, comme la surface de contact entre la pointe d'écriture et les surfaces concaves-convexes est plus petite que tous les pas, la contribution de la taille du pas est faible. Lorsque la taille du pas est beaucoup plus grande que la surface de contact (1000 μm), la pointe d'écriture est plus sensible au frottement abrasif sur les aspérités de taille nanométrique et a un coefficient de frottement plus élevé que les autres pas (500 μm et 750 μm).

Un indice concernant l'existence de la partie sans contact immédiatement après avoir traversé les parties convexes pourrait être obtenu à partir des observations de la partie de contact lors des mouvements de glissement.

Nous nous attendons à ce que nos découvertes puissent accélérer le développement afin d'améliorer l'expérience utilisateur des dispositifs de saisie à stylet.

Les ensembles de données générés et analysés au cours de l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Wandersman, E., Candelier, R., Debrégeas, G. & Prevost, A. Modulations de la force de frottement induites par la texture : l'effet d'empreinte digitale. Phys. Rév. Lett. 107, 164301. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.164301 (2011).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Li, J., Xiong, D., Dai, J., Huang, Z. & Tyagi, R. Effet de la texture laser de surface sur les propriétés de frottement du composite à base de nickel. Tribol. Int. 43, 1193–1199. https://doi.org/10.1016/j.tripoint.2009.12.044 (2010).

Article CAS Google Scholar

Yu, C. & Wang, QJ Anisotropie de frottement par rapport à l'orientation topographique. Sci. Rep. 2, 988. https://doi.org/10.1038/srep00988 (2012).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Khojasteh, B., Janko, M. & Visell, Y. Complexité, taux et échelle dans la dynamique de frottement de glissement entre un doigt et une surface texturée. Sci. Rep. 8, 13710. https://doi.org/10.1038/s41598-018-31818-3 (2018).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Holmberg, K. & Erdemir, A. L'impact de la tribologie sur la consommation d'énergie et les émissions de CO2 à l'échelle mondiale et dans les moteurs à combustion et les voitures électriques. Tribol. Int. 135, 389–396. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2019.03.024 (2019).

Article Google Scholar

Holmberg, K., Andersson, P. & Erdemir, A. Consommation globale d'énergie due au frottement dans les voitures particulières. Tribol. Int. 47, 221–234. https://doi.org/10.1016/j.tripoint.2011.11.022 (2012).

Article Google Scholar

Nakano, M. et al. Application d'une microtexture sur les surfaces en fonte pour réduire le coefficient de frottement dans des conditions lubrifiées. Tribol. Lett. 28, 131–137. https://doi.org/10.1007/s11249-007-9257-2 (2007).

Article CAS Google Scholar

Wang, L., Guo, S., Wei, Y., Yuan, G. & Geng, H. Recherche d'optimisation sur les caractéristiques de lubrification pour la surface des paires de frottement des paliers lisses à micro-texture. Meccanica 54, 1135–1148. https://doi.org/10.1007/s11012-019-01015-1 (2019).

Article Google Scholar

Reinert, L. et al. Lubrification solide de longue durée par des surfaces à motifs revêtues de CNT. Sci. Rep. 7, 42873. https://doi.org/10.1038/srep42873 (2017).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Ronen, A., Etsion, I. & Kligerman, Y. Texture de surface réduisant le frottement dans les composants automobiles alternatifs. Tribol. Trans. 44, 359–366. https://doi.org/10.1080/10402000108982468 (2001).

Article CAS Google Scholar

Krupka, I., Hartl, M., Zimmerman, M., Houska, P. & Jang, S. Effet de la texturation de surface sur le contact lubrifié élastohydrodynamiquement dans des conditions de vitesse transitoire. Tribol. Int. 44, 1144–1150. https://doi.org/10.1016/j.tripoint.2011.05.005 (2011).

Article CAS Google Scholar

Mourier, L., Mazuyer, D., Ninove, F.-P. & Lubrecht, AA Mécanismes de lubrification avec surfaces texturées au laser en régime élastohydrodynamique. Proc. Inst. Méca. Ing. Partie J J. Eng. Tribol. 224, 697–711. https://doi.org/10.1243/13506501JET771 (2010).

Article Google Scholar

Xu, X., Li, Y. & Wu, QMJ Un modèle de rétrécissement local complété pour la classification des textures. Appl. Calcul doux. 97, 106830. https://doi.org/10.1016/j.asoc.2020.106830 (2020).

Article Google Scholar

Vlădescu, S.-C., Olver, AV, Pegg, IG et Reddyhoff, T. Réduction combinée du frottement et de l'usure dans un contact alternatif grâce à la texturation de surface au laser. Portez 358–359, 51–61. https://doi.org/10.1016/j.wear.2016.03.035 (2016).

Article CAS Google Scholar

Etsion, I. Modélisation de la texturation de surface en lubrification hydrodynamique. Friction 1, 195–209. https://doi.org/10.1007/s40544-013-0018-y (2013).

Article Google Scholar

Peng, Y. et al. Frottement élastohydrodynamique des doigts robotiques et humains sur des substrats mous à micromotifs. Nat. Mater. 20, 1707-1711. https://doi.org/10.1038/s41563-021-00990-9 (2021).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Flegler, F., Neuhäuser, S. & Groche, P. Influence de la texture de la tôle sur l'usure adhésive et le comportement au frottement de l'aluminium EN AW-5083 sous lubrification sèche et insuffisante. Tribol. Int. 141, 105956. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2019.105956 (2020).

Article CAS Google Scholar

Zou, M., Cai, L. & Wang, H. Études d'adhérence et de friction d'une surface nano-texturée produite par revêtement par centrifugation d'une solution de nanoparticules de silice colloïdale. Tribol. Lett. 21, 25–30. https://doi.org/10.1007/s11249-005-9004-5 (2006).

Article CAS Google Scholar

Jourani, A., Dursapt, M., Hamdi, H., Rech, J. & Zahouani, H. Effet du meulage à bande sur l'état de surface : Modélisation du contact et de l'usure abrasive. Porter 259, 1137–1143. https://doi.org/10.1016/j.wear.2005.02.113 (2005).

Article CAS Google Scholar

Shibata, K., Nakashima, Y. & Nakanishi, Y. Surface en verre anti-empreintes digitales créée par un processus d'élimination mécanique. J. Biomed. Sci. Ing. 14, 19-00388-19–00388. https://doi.org/10.1299/jbse.19-00388 (2019).

Article Google Scholar

Hu, J., Song, H., Sandfeld, S., Liu, X. & Wei, Y. Étude multi-échelle du coefficient de frottement dynamique dû au labour des aspérités. Frottement 9, 822–839. https://doi.org/10.1007/s40544-020-0438-4 (2021).

Article Google Scholar

Mishra, T., de Rooij, M., Shisode, M., Hazrati, J. & Schipper, DJ Un modèle de labour basé sur la méthode des points matériels pour étudier l'effet de la géométrie des aspérités sur le comportement de labour d'une aspérité elliptique. Tribol. Int. 142, 106017. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2019.106017 (2020).

Article Google Scholar

Bhushan, B. & Nosonovsky, M. Modèle complet des effets d'échelle du frottement dû à l'adhérence et à la déformation à deux et trois corps (labourage). Acta Mater. 52, 2461–2474. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2004.01.038 (2004).

Article ADS CAS Google Scholar

Liu, Z., Sun, J. & Shen, W. Étude du labour et du frottement à la surface des métaux déformés en plastique. Tribol. Int. 35, 511-522. https://doi.org/10.1016/S0301-679X(02)00046-4 (2002).

Article CAS Google Scholar

Wu, C. et al. Transfert de texture de surface lors du laminage skin-pass sous l'effet de l'usure de la surface du rouleau. Porter 476, 203764. https://doi.org/10.1016/j.wear.2021.203764 (2021).

Article CAS Google Scholar

Lyu, B., Lai, C., Lin, C.-H. & Gong, Y. Études comparatives de la dactylographie et de l'écriture manuscrite dans l'apprentissage de la langue chinoise : une revue synthétique. Int. J. Educ. Rés. 106, 101740. https://doi.org/10.1016/j.ijer.2021.101740 (2021).

Article Google Scholar

Gerth, S. et al. Adaptation à la surface : une comparaison des mesures d'écriture lors de l'écriture sur une tablette et sur papier. Hum. Dév. Sci. 48, 62–73. https://doi.org/10.1016/j.humov.2016.04.006 (2016).

Article PubMed Google Scholar

Fujita, N., Yamaguchi, H., Kinoshita, T., Iwao, M. & Nakanishi, Y. Comportements de frottement de matériaux élastiques glissant sur des surfaces de verre texturées. Tribol. Int. 171, 107539. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2022.107539 (2022).

Article Google Scholar

Nakanishi, Y., Nakashima, Y. & van der Heide, E. Microstructuration des surfaces de verre à l'aide d'un procédé combiné de masquage et d'usinage par jet de microslurry. Précis. Ing. 67, 172–177. https://doi.org/10.1016/j.precisioneng.2020.09.018 (2021).

Article Google Scholar

Baba, T. et al. Jet de micro-slurry pour le traitement de surface de la céramique dentaire. Biosurf. Biotribol. 5, 8–12. https://doi.org/10.1049/bsbt.2018.0028 (2019).

Article Google Scholar

Yin, L., Baba, T. & Nakanishi, Y. Surfaces sans fracture de vitrocéramique au métasilicate de lithium CAD/CAM utilisant l'érosion par jet de micro-slurry. J. Mech. Comportement Biomédical. Mater. 80, 59–67. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2018.01.022 (2018).

Article CAS PubMed Google Scholar

Roumili, F., Benbahouche, S. & Sangleboeuf, J.-C. Résistance mécanique du verre sodocalcique sablé par gravitation. Frottement 3, 65–71. https://doi.org/10.1007/s40544-015-0075-5 (2015).

Article CAS Google Scholar

Kasem, H. et al. Texturation de la surface du piston en caoutchouc pour réduire la friction dans les seringues médicales. Frottement 7, 351–358. https://doi.org/10.1007/s40544-018-0227-5 (2019).

Article CAS Google Scholar

Gachot, C., Rosenkranz, A., Buchheit, R., Souza, N. & Mücklich, F. Propriétés de frottement sur mesure par des surfaces inspirées de Penrose produites par interférence laser directe. Appl. Le surf. Sci. 367, 174–180. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.01.169 (2016).

Article ADS CAS Google Scholar

Muhr, AH & Roberts, AD Abrasion et usure du caoutchouc. Portez 158, 213–228. https://doi.org/10.1016/0043-1648(92)90040-F (1992).

Article CAS Google Scholar

Samyn, P., Schoukens, G., Quintelier, J. & De Baets, P. Frottement, usure et transfert de matière de polyimides frittés glissant contre diverses surfaces recouvertes d'acier et de carbone de type diamant. Tribol. Int. 39, 575–589. https://doi.org/10.1016/j.tripoint.2005.07.029 (2006).

Article CAS Google Scholar

Mergler, YJ, Schaake, RP & Huisint Veld, AJ Transfert de matériau de POM en contact glissant. Portez 256, 294–301. https://doi.org/10.1016/S0043-1648(03)00410-1 (2004).

Article CAS Google Scholar

Pogačnik, A. & Kalin, M. Paramètres influençant le rodage et le comportement tribologique à long terme du polyamide (PA) par rapport au polyacétal (POM) et à l'acier. Portez 290–291, 140–148. https://doi.org/10.1016/j.wear.2012.04.017 (2012).

Article CAS Google Scholar

Tanaka, K. & Miyata, T. Études sur le frottement et le transfert de polymères semi-cristallins. Porter 41, 383–398. https://doi.org/10.1016/0043-1648(77)90016-3 (1977).

Article CAS Google Scholar

Cherniak, Yu. B. & Leonov, AI Sur la théorie du frottement adhésif des élastomères. Portez 108, 105–138. https://doi.org/10.1016/0043-1648(86)90092-X (1986).

Article CAS Google Scholar

Kendall, K. Frottement de roulement et adhérence entre solides lisses. Porter 33, 351–358. https://doi.org/10.1016/0043-1648(75)90288-4 (1975).

Article Google Scholar

Tiwari, A., Tolpekina, T., van Benthem, H., Gunnewiek, MK & Persson, BNJ Adhérence et frottement du caoutchouc : rôle de l'énergie de surface et des films de contamination. Devant. Méca. Ing. 6, 620233. https://doi.org/10.3389/fmech.2020.620233 (2021).

Article Google Scholar

Mahdi, D., Riches, A., Gester, M., Yeomans, J. & Smith, P. Roulement et glissement : Séparation du frottement d'adhérence et de déformation et leur contribution relative au frottement total. Tribol. Int. 89, 128–134. https://doi.org/10.1016/j.tripoint.2014.12.021 (2015).

Article CAS Google Scholar

Moore, DF & Geyer, W. Un examen des théories d'hystérésis pour les élastomères. Portez du 30, 1–34. https://doi.org/10.1016/0043-1648(74)90055-6 (1974).

Article Google Scholar

Popov, VL, Dimaki, A., Psakhie, S. & Popov, M. Sur le rôle des échelles dans la mécanique de contact et le frottement entre les élastomères et les surfaces auto-affines aléatoirement rugueuses. Sci. Rep. 5, 11139. https://doi.org/10.1038/srep11139 (2015).

Article ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Goddard, J. & Wilman, H. Une théorie du frottement et de l'usure lors de l'abrasion des métaux. Porter 5, 114–135. https://doi.org/10.1016/0043-1648(62)90235-1 (1962).

Article Google Scholar

Kato, K. Usure abrasive des métaux. Tribol. Int. 30, 333–338. https://doi.org/10.1016/S0301-679X(96)00063-1 (1997).

Article CAS Google Scholar

Stupkiewicz, S. & Mróz, Z. Un modèle de frottement et d'usure par abrasion du troisième corps dans le formage à chaud des métaux. Porter 231, 124–138. https://doi.org/10.1016/S0043-1648(99)00124-6 (1999).

Article CAS Google Scholar

Fischer-Cripps, AC La surface de contact hertzienne. J. Mater. Sci. 34, 129–137. https://doi.org/10.1023/A:1004490230078 (1999).

Article ADS CAS Google Scholar

Persson, BNJ Sur la théorie du frottement du caoutchouc. Le surf. Sci. 401, 445–454. https://doi.org/10.1016/S0039-6028(98)00051-X (1998).

Article ADS CAS Google Scholar

Persson, BNJ Mécanique du contact pour les surfaces aléatoirement rugueuses. Le surf. Sci. Rep. 61, 201–227. https://doi.org/10.1016/j.surfrep.2006.04.001 (2006).

Article ADS CAS Google Scholar

Persson, BNJ Théorie du frottement du caoutchouc et de la mécanique des contacts. J. Chem. Phys. 115, 3840. https://doi.org/10.1063/1.1388626 (2001).

Article ADS CAS Google Scholar

Persson, BNJ & Tosatti, E. L'effet de la rugosité de surface sur l'adhérence des solides élastiques. J. Chem. Phys. 115, 5597. https://doi.org/10.1063/1.1398300 (2001).

Article ADS CAS Google Scholar

Télécharger les références

Ce travail a été soutenu par le programme de transfert de technologie adaptable et transparent grâce à la R&D axée sur les objectifs (A-STEP) de l'Agence japonaise pour la science et la technologie (JST) [Grant Number JPMJTM20SK].

Groupe de recherche et développement, Nippon Electric Glass Co., Ltd., 2-7-1 Seiran, Otsu, Shiga, 520-8639, Japon

Naoki Fujita, Takumi Kinoshita, Masaru Iwao et Noriaki Masuda

École supérieure des sciences et de la technologie, Université de Kumamoto, 2-39-1 Kurokami, Chuo-ku, Kumamoto, 860-8555, Japon

Naoki Fujita

Faculté des sciences et technologies avancées, Université de Kumamoto, 2-39-1 Kurokami, Chuo-ku, Kumamoto, 860-8555, Japon

Yoshitaka Nakanishi

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

NF a proposé la recherche et conçu les expériences. TK a mené les expériences. NF a rédigé le projet de manuscrit. MI, NM et YN ont révisé le manuscrit et supervisé le travail.

Correspondance à Naoki Fujita.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.

Vidéo supplémentaire 1.

Vidéo supplémentaire 2.

Vidéo supplémentaire 3.

Libre accès Cet article est sous licence Creative Commons Attribution 4.0 International, qui autorise l'utilisation, le partage, l'adaptation, la distribution et la reproduction sur tout support ou format, à condition que vous accordiez le crédit approprié à l'auteur ou aux auteurs originaux et à la source, fournissez un lien vers la licence Creative Commons et indiquez si des modifications ont été apportées. Les images ou tout autre matériel de tiers dans cet article sont inclus dans la licence Creative Commons de l'article, sauf indication contraire dans une ligne de crédit au matériel. Si le matériel n'est pas inclus dans la licence Creative Commons de l'article et que votre utilisation prévue n'est pas autorisée par la réglementation légale ou dépasse l'utilisation autorisée, vous devrez obtenir l'autorisation directement du détenteur des droits d'auteur. Pour voir une copie de cette licence, visitez http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Réimpressions et autorisations

Fujita, N., Kinoshita, T., Iwao, M. et al. Contrôle du frottement des matériaux élastiques sur le verre au moyen de surfaces texturées. Sci Rep 12, 15423 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19338-7

Télécharger la citation

Reçu : 04 juillet 2022

Accepté : 29 août 2022

Publié: 14 septembre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-19338-7

Toute personne avec qui vous partagez le lien suivant pourra lire ce contenu :

Désolé, aucun lien partageable n'est actuellement disponible pour cet article.

Fourni par l'initiative de partage de contenu Springer Nature SharedIt

En soumettant un commentaire, vous acceptez de respecter nos conditions d'utilisation et nos directives communautaires. Si vous trouvez quelque chose d'abusif ou qui ne respecte pas nos conditions ou directives, veuillez le signaler comme inapproprié.