Ytslitage beskriver processen med materialförlust när två ytor kommer i kontakt med varandra. Den har betydande ekonomiska, sociala och hälsomässiga konsekvenser – tänk på de fina partiklarna som släpps ut av fordon i rörelse. Vad mer, det kan observeras på alla nivåer, från nanoskalan upp till skalan av tektoniska fel, med bildningen av urholkning. Det finns flera slitagemekanismer, ändå är limtypen vanligast. Det sker när två ytor - som två delar av samma metall - gnuggar mot varandra och fäster.

En av parametrarna som påverkar slitagemekanismen är ytjämnhet. En bättre förståelse för hur ytråheten förändras under slitageprocessen skulle förbättra vår kontroll över denna mekanism. Detta kan leda till betydande minskningar av energiförbrukningen, växthusgasutsläpp och kostnader.

Forskare vid EPFL:s Computational Solid Mechanics Laboratory (LSMS) har tagit ett viktigt steg i denna riktning. De har digitalt simulerat hur ytråheten förändras över tiden, och deras resultat är i linje med experimentella resultat. Det som skiljer deras simuleringar åt är deras varaktighet:med hjälp av en metod utvecklad vid EPFL, LSMS-forskarna kunde simulera dessa mekanismer under en längre tidsperiod. Med andra ord, de lyckades fånga hela processen – från den initiala geometrin till den slutliga fraktala geometrin. Deras resultat publicerades den 8 mars i Naturkommunikation .

Denna studie är LSMS-forskarnas tredje på adhesivt slitage. Deras första studie – publicerad 2016 i Naturkommunikation - använde digitala simuleringar för att beskriva hur processen med adhesiv nötning producerade fina partiklar. Under 2017, tar sina simuleringar vidare, de kom ut med en andra studie, dyker upp den här gången Proceedings of the National Academy of Science , visar att det var möjligt att förutsäga volymen, form och storlek på dessa partiklar.

Ofullständig bild

Forskare är fortfarande långt ifrån att helt förstå fysiken bakom slitage, och ingenjörer måste fortfarande utföra ad hoc-experiment för varje situation. Vad är känt, dock, är att slitna ytor uppvisar en karakteristisk fraktal morfologi, kallas självförtroende, som har några grundläggande egenskaper oavsett material och skala. Ursprunget till denna självaffina morfologi är fortfarande okänt.

Lite arbete har gjorts på hur ytjämnheten förändras över tiden - och det har mestadels varit experimentellt. En begränsning av experiment är att på grund av skräpet som bildas, det är inte lätt att övervaka hur ytmorfologin förändras under gnidningsprocessen. Forskarna övervann detta problem genom sina digitala simuleringar, som ger en konstant ström av data.

Kraftfulla digitala simuleringar

"Vi använde högpresterande datorsimuleringar för att spåra förändringen i ytmorfologi i 2D-material, säger Enrico Milanese, en Ph.D. student vid LSMS. "I våra simuleringar, vi observerade att kontakt mellan två ytor alltid genererar en slitagepartikel. Den partikeln tvingas sedan att rulla mellan de två ytorna, sliter ner dem. Detta fick oss att dra slutsatsen att slitageskräp måste finnas för att ytorna ska utveckla sin karakteristiska självaffinande strävhet."

I framtiden, LSMS-forskarna hoppas kunna utforska ursprunget till adhesivt slitage genom att tillämpa sin simuleringsmetod på 3D-modeller av material som är av intresse för industrin.