李群仰、冯西桥课题组揭示摩擦演化行为的尺度效应

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近日，清华大学航天航空学院教授李群仰、冯西桥课题组在固体表面率相关摩擦领域取得重要进展，该工作首次报道了氧化硅材料从百纳米到毫米横跨3个量级的摩擦演化行为，证实了其摩擦演化过程存在显著的尺度效应；通过理论模型的建立，论文揭示了粗糙滑动界面中真实接触微区面积的尺寸依赖性以及接触微区滑动的不同步性是摩擦演化出现尺度效应的重要机理。论文成果为经典的速率-状态摩擦定律（RSF）在多尺度下的适用性提供了理论和实验依据，对其在摩擦学、固体力学、地质科学等相关领域的应用具有重要的指导意义。

纳米、微米和毫米压头的摩擦演化实验。(a)摩擦演化实验示意图。图中下方从左到右依次为纳米、微米和毫米压头的形貌。(b)三个尺度下摩擦演化系数随演化时间的变化关系曲线。(c)多粗糙峰接触摩擦演化模型的示意图。（d）摩擦演化系数随演化时间的理论模拟结果。（e）临界滑动时刻接触界面的切向力分布及微接触峰的滑动状态。

       在自然界与工程中，许多材料（诸如岩石、橡胶和金属等）构成的接触滑动界面，其界面摩擦力往往具有滑动速度相关性和滑动历史依赖性等演化行为。这种摩擦演化行为对小到微纳米器件，大到地质断层等系统的滑动界面稳定性起着重要的作用。速率-状态摩擦定律（RSF）是描述界面摩擦演化行为的一种经典摩擦定律，目前RSF定律的参数基本依赖于厘米尺寸样品的实验测量，但从厘米尺寸的样品测得的RSF参数能否直接拓展应用于微、纳米以及地质尺度的滑动界面，这成为了制约RSF摩擦演化定律应用的关键问题。论文工作针对相同的接触副材料，进行了纳米、微米以及毫米尺度压头的摩擦演化实验，首次获得了接触区尺寸横跨3个数量级的摩擦演化参数的响应。论文工作表明摩擦演化参数具有显著的尺度效应，且该尺度效应同时来源于不同尺度下真实接触面积-载荷关系以及摩擦剪切应力的接触区尺寸依赖性。前者基本取决于接触区形貌、粗糙度以及材料变形性能等，而后者主要来源于微接触区滑动的不同步性。
       该研究工作于2020年11月19日在线发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)期刊，论文题为“氧化硅接触界面摩擦演化的尺度效应”（Length scale effect in frictional aging of silica contacts）。该论文的通讯作者为清华大学航院李群仰教授，航院冯西桥教授参与了该工作。航院博士生李珅为该论文的第一作者，博士生张帅和陈哲参与了此项研究。该研究工作得到了国家自然科学基金项目和清华大学摩擦学国家重点实验室自由探索项目等项目的资助。


       论文链接：https://journals.aps.org/prl/abs ... sRevLett.125.215502

供稿：航院

编辑：李华山 李晨晖

       文章来源：清华大学

       李群仰，博士，清华大学航天航空学院工程力学系长聘教授。1997年进入清华大学工程力学系学习，2001年获学士学位，2003年获固体力学专业硕士学位。2003年进入美国布朗大学工程系学习，2008年获固体力学专业博士学位并于同年加入美国宾夕法尼亚大学机械与应用力学系先后任Postdoctoral Researcher 和Research Scientist。2011年加入清华大学工程力学系，历任副教授、长聘副教授、教授。

        冯西桥，男，1968 年生。现任清华大学工程力学系生物力学与医学工程研究所所长，中国力学学会秘书长和常务理事、固体力学专业委员会和生物力学专业委员会委员，教育部高等学校教学指导委员会力学类专业教学指导分委员会委员。主要从事固体力学和生物力学的研究工作，包括微纳米力学、生物材料力学与仿生、细胞力学、细观损伤与断裂力学等方面。已发表专著2部，SCI论文160余篇。曾获全国优秀博士学位论文奖（1999）、教育部跨世纪优秀人才基金（2000）、霍英东教育基金会第九届高等院校青年教师研究基金 (一等，2004) 、国家杰出青年科学基金（2005）、清华大学优秀青年教师奖（2005）、第十届中国青年科技奖（2007）、中国高校自然科学一等奖（2008）等奖励。