مدل‌سازي اصطكاك در مقياس ميكرو/نانو در سطوحي با توزيع زبري تصادفي

Modeling of Friction in Micro/Nano scale with Random Roughness Distribution

دراين مقاله،اصطكاك در سطوح تماسي با توزيع زبري تصادفي در مقياس نانو مدل سازي و شبيه سازي شده است. بدين منظور، ابتدا مدل اصطكاكي توسعه يافته AMM براي تماس سطوح تخت صاف/تخت زبر بر اساس مدل تماسي JKR، مدل اصطكاكي HK، و توزيع زبري تصادفي گرينوود-ويليامسون يا GW استخراج شده است. طبق نتايج شبيه سازي، مدل اصطكاكي توسعه يافته AMM با در نظر گرفتن نيروهاي سطحي مقياس نانو، نيروي اصطكاكي بزرگتري را در مقايسه با مدل اوليه AMMپيش بيني مي كند و از دقت بالاتري برخوردار است. در ادامه، مدل بدست آمده براي تعيين اصطكاك بين سطح كروي صاف/تخت زبر و نهايتا اصطكاك نوك سوزن ميكروسكوپ نيروي اتمي روي سطح زبر تعميم داده شده و تاثير پارامترهاي هندسي سطح شامل انحراف معيار ارتفاع زبري ها و شعاع نوك قله زبري ها بر نيروي عمودي، نيروي اصطكاكي، و نهايتا ضريب اصطكاك نوك سوزن ميكروسكوپ اتمي و سطح زبر بررسي شده است. نتايج بدست آمده از شبيه سازي نشان مي دهند كه نيروي عمودي و نيروي اصطكاكي با افزايش مقدار انحراف معيار ارتفاع زبري ها افزايش مي يابد، در حالي كه ضريب اصطكاك با افزايش مقدار انحراف معيار كاهش پيدا مي كند. بعلاوه، نيروهاي عمودي و اصطكاكي و نيز ضريب اصطكاك با افزايش شعاع نوك برجستگي ها افزايش مي يابند. همچنين، مشاهده مي شود كه تاثير تغييرات انحراف معيار ارتفاع زبري ها بر متغيرهاي اصطكاكي بيشتر از تاثير تغييرات شعاع قله زبري ها مي باشد.

In this research, the friction between the contact surfaces was modeled and simulated with random distribution of roughness in Nano scale. For this purpose, firstly the modified AMM friction model was derived for the contact between smooth flat/ rough flat surfaces on the basis of JKR contact model, HK friction model and random distribution of Greenwood-Williamson (GW) model. According to the results of simulation, the modified AMM friction model predict more value for the friction force considering Nano scale surface interaction forces, and it also has more accuracy in comparison to the initial AMM model. In the following, the obtained model was extended for evaluating the friction between smooth spherical/rough flat surfaces and finally the friction between the tip of Atomic Force Microscopic on the rough surface, then the effects of geometric parameters of surface included of standard deviation of asperities’ height and radius of asperities’ peak on the magnitudes of normal load, friction force and finally friction coefficient between atomic force microscopic tip and rough surface has been investigated. The achieved results demonstrate that normal force and friction force both will raise by rising of standard deviation of asperities’ height while as friction coefficient will decrease. Furthermore, the normal and friction forces and also friction coefficient will increase by increase of roughness’ peaks radius. It is also observed that the effects of standard deviation of asperities’ height on friction parameters is more than the effects of asperities’ peaks radius.