基于粗糙表面的微尺度黏附接触力学行为研究

Roughness of solid surfaces can span many length scales ranging from macroscale to microscale, and it plays a crucial role in determining adhesive behaviors of various materials. Understanding the effects of the surface roughness on the interfacial adhesive response will be of great value to the design of the artificial adhesion devices with high strength and high toughness. However, the contact interfaces handled in the classical adhesive contact theories are often assumed to be simple geometries by ignoring the small-scale topography. Based on our previous work on the mechanics of micro-scale adhesive contact of advanced functional materials, this project aims at expanding the classical adhesive contact theories within the framework of continuum mechanics, with special emphasis on a more systematic study of adhesive behaviors involving three types of surface roughness. Three theoretical models will be developed including a double-Hertz adhesive contact model for plane elastic bodies with periodically wavy surfaces, a double-Hertz adhesive contact model for axisymmetric wavy surfaces and a JKR-based adhesive contact model for power-law graded solids with randomly rough surfaces. Some general solutions will be derived and validated with finite element simulations. Based on these results, we shall examine the contact instabilities, the adhesion hysteresis and the energy dissipation phenomenon with an attempt to reveal the combined effects of the surface roughness, the cohesive zone and the material properities on the interfacial adhesive response.

固体表面的粗糙度可以跨越从宏观到微观多个尺度，它是影响材料黏附接触行为的关键因素，深入认识表面粗糙度对界面黏附性能的影响机理对设计高强度高韧度的人工黏附装置具有重要意义。然而经典的黏附接触理论普遍采用连续光滑的接触面，回避了小尺度的拓扑细节。基于我们前期关于先进功能材料的黏附接触力学的研究，本项目拟进一步扩展传统的黏附接触理论，在连续介质力学的框架下系统研究三类典型的粗糙表面的微尺度黏附接触行为。我们将分别建立平面周期波形粗糙表面的双Hertz黏附接触模型、轴对称波形粗糙表面的双Hertz黏附接触模型和含有随机表面粗糙度的幂型梯度材料的JKR黏附模型，进一步发展求解相关问题的一般方法，推导一系列理论解，并借助于有限元模型验证，考察粗糙界面微尺度接触问题中的接触不稳定性、黏附滞后和能量耗散等现象，揭示表面粗糙度效应、内聚力区效应和材料性质等因素对界面黏附性能的综合作用机理。

在本基金项目的资助下，我们在连续介质力学的框架下系统研究三类典型的粗糙表面的微尺度黏附接触行为。我们分别建立了含有随机表面粗糙度的幂型梯度材料的JKR黏附模型，平面周期波形粗糙表面的Maugis-Dugdale黏附模型和双Hertz黏附接触模型，以及含有凹陷特征的粗糙表面的Maugis-Dugdale黏附模型。进一步发展了求解相关问题的一般方法，推导了一系列理论解，并将某些经典理论作为特例包括其中。基于这些理论模型，研究揭示了表面粗糙度效应、黏附效应和材料性质等因素对界面黏附性能的综合作用机理，解释了一些典型实验现象。研究结果表明，表面粗糙度会导致接触失稳、黏附滞后以及界面能量耗散等一系列物理现象，即平衡状态依赖于加载历史，呈现出不同的加载和卸载路径，并且不同接触状态之间的转换表现为突变失稳，同时伴随着界面的能量耗散。在项目资助期间，项目负责人以第一作者身份在IJSS和ASME: JAM上发表SCI论文5篇，参加国内外重要学术会议3次。以上研究成果得到了包括国内外知名学者的正面引用和评价，他引共计16次。