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Aug 28, 2023

Reibungskontrolle elastischer Materialien auf Glas mittels strukturierter Oberflächen

Wissenschaftliche Berichte Band 12,

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 15423 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Um das Reibungsverhalten von Elastomer- und Polyacetal-Schreibspitzen zu untersuchen, die auf verschiedenen strukturierten Glasoberflächen gleiten, wurden die Einflüsse der Teilungsgröße und der Höhe von Texturen im Submillimeter- bis Millimeterbereich auf die Reibung mittels hin- und hergehender Reibungstests untersucht. Die Reibungskoeffizienten jeder Schreibspitze konnten durch Änderung der Tonhöhe und Höhe der Textur systematisch variiert werden. Diese Reibungsänderungen beruhten auf der Beziehung zwischen den konvex-konkaven Formen und den Kontaktteilen der Schreibspitze und beeinflussten daher die Haft-, Schleif- und Verformungsreibung. Durch die Erzeugung einer Oberflächentextur mit einer Teilung, die kleiner als die Kontaktfläche der Schreibspitze ist, konnte der Reibungskoeffizient effektiv reduziert werden. Durch die Einführung einer Oberflächentextur mit größerer Höhe könnte der Reibungskoeffizient des Elastomers aufgrund der Verformungsreibung erhöht werden. Diese Verhaltensweisen weisen auf die Möglichkeit hin, die Reibung durch Änderung der Parameter wie Neigung und Höhe der strukturierten Glasoberflächen zu kontrollieren.

Die Steuerung tribologischer Eigenschaften mithilfe strukturierter Oberflächen hat sich in einer Vielzahl von Bereichen als attraktiv erwiesen, um die Gleitoberflächenbedingungen zu verbessern1,2,3,4. Beispielsweise wurden im Automobilbereich strukturierte Oberflächen eingeführt, um die Reibung zu kontrollieren und die Energieeffizienz zu verbessern, was wiederum die CO2-Emissionen reduziert5,6. Die Verbesserung der tribologischen Eigenschaften von Werkzeugmaschinen wurde auch durch die Einführung einer Textur auf den Oberflächen von Werkzeugmaschinenführungen, Gleitlagern und anderen Komponenten untersucht7,8,9.

Zahlreiche Studien haben die Auswirkungen strukturierter Oberflächen auf die tribologischen Eigenschaften sowohl unter geschmierten als auch unter ungeschmierten Bedingungen untersucht10,11,12,13,14. Unter geschmierten Bedingungen verbessern strukturierte Oberflächen im Allgemeinen die hydrodynamische Schmierung15,16. Im Gegensatz dazu tragen strukturierte Oberflächen unter ungeschmierten Bedingungen zu scheinbaren Kontaktflächen bei, was sich auch erheblich auf die Haftreibung und Abriebreibung auf der Unebenheitsstufe der Gegenfläche auswirkt17,18,19,20. Darüber hinaus kann die Verformungsreibung eines elastischen Materials aufgrund einer strukturierten Oberfläche auch das Reibungsverhalten beeinflussen21,22,23,24. Die elastische Verformung und Migration des elastischen Materials, das sich entlang der konvexen und konkaven Struktur in der strukturierten harten Gegenfläche bewegt, kann zu Ermüdungsverschleiß des elastischen Materials führen25.

Unter dem Gesichtspunkt der Reduzierung des Papierverbrauchs und der Verbesserung der Arbeitseffizienz hat die handschriftliche Eingabe auf Tablet-Computern in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen26. Bei der handschriftlichen Eingabe ist das Reibungsverhalten der Stiftspitzen, das das Schreiberlebnis beeinflusst, von entscheidender Bedeutung27. Das Schreiben mit einem Stift auf einer rutschigen, flachen Glasoberfläche ist für Benutzer in der Regel schlecht. Zu den gängigen Methoden zur Verbesserung des Benutzererlebnisses gehören die Erhöhung der Reibung durch Anpassung des Elastizitätsmoduls oder die Änderung des Materials der Stiftspitze sowie das Anbringen einer strukturierten Folie auf den Tablet-Computern. Das Einbringen von Texturen direkt auf die Glasoberflächen von Tablet-Computern hat den Vorteil, dass die Kratzfestigkeit, die Transparenz und die Haptik des Glases erhalten bleiben, und hat daher große Aufmerksamkeit erregt. Allerdings gibt es nur wenige Studien, die darauf abzielen, das handschriftliche Eingabeerlebnis durch die Einführung von Texturen auf dem Glas zu verbessern. In einer früheren Studie haben wir über die Möglichkeit berichtet, die Reibungseigenschaften mithilfe von zwei Arten von Oberflächenrauheiten zu steuern (Textur im Submillimeter- bis Millimeterbereich und feine Rauheit im Nanometerbereich)28. Wir haben herausgefunden, dass jede Rauheit die Haftreibung, Schleifreibung und Verformungsreibung beeinflusst und daher der Reibungskoeffizient zwischen den Schreibspitzen und den strukturierten Glasoberflächen gesteuert werden kann. Es fehlte jedoch eine Diskussion über den Beitrag von Steigungen und Höhen größerer konvexer und konkaver Formen zum Reibungsverhalten.

In dieser Studie haben wir das Reibungsverhalten von zwei Arten handelsüblicher Stiftspitzen auf strukturiertem Glas gemessen, indem wir den Zustand der Rauheit im Detail verändert haben. Das Reibungsverhalten wurde durch hin- und hergehende Reibungstests in Bezug auf strukturierte Glasoberflächen mit zwei Arten von Rauheit beobachtet: Die erste Art ist auf Unebenheiten im Nanometerbereich zurückzuführen; Diese Art von Rauheit kann die Haft- und Schleifreibung beeinflussen. Der andere Grund liegt in der Oberflächenbeschaffenheit von Teilungen im Submillimeter- bis Millimeterbereich und kann die Verformung beeinflussen. Wir haben uns besonders auf die Teilungsgröße und Höhe von Texturen im Submillimeter- bis Millimeterbereich konzentriert. Die auf Haft-, Schleif- und Verformungsreibungen basierenden Reibungsmechanismen wurden anhand der Beziehung zwischen der submillimeter- bis millimetergroßen Textur und Reibungsänderungen analysiert.

Die in dieser Studie verwendeten Schreibspitzenproben waren eine Elastomerspitze (ACK-20004, Pen Nibs, Wacom Co., Ltd.) und eine Polyacetalspitze (ACK-20001, Pen Nibs, Wacom Co., Ltd.) (Ergänzende Abb . S1). Die Elastomerspitze besteht aus thermoplastischem Polyester-Elastomer, das eine Struktur mit Schlitzen aufweist. Die Oberflächenrauheit (Sa) und der Krümmungsradius an der Spitze der Elastomer-Schreibspitzenprobe betrugen etwa 10,5 μm bzw. 687 μm, und die der Polyacetalspitze betrugen etwa 0,7 μm bzw. 665 μm.

Die Bearbeitung der strukturierten Glasoberfläche erfolgte mittels Mikro-Slurry-Jet-Bearbeitung (Ergänzende Abbildung S2)29,30,31. Es wurden flache Glasplatten mit den Abmessungen 70 mm (Länge) × 70 mm (Breite) × 0,55 mm (Dicke) (Flachglasplatte; T2X-1, Nippon Electric Glass Co. Ltd., Japan) verwendet. Es wurde eine Aufschlämmung bestehend aus reinem Wasser mit 3 Gew.-% Aluminiumoxidpartikeln (WA # 8000, durchschnittlicher Durchmesser = 1,2 μm) hergestellt. Die Aufschlämmung wurde durch eine 1 mm breite quadratische Einspritzdüse mit Druckluft von 0,23 MPa vertikal auf die Glasoberflächen gesprüht. Mithilfe einer numerischen Steuerung konnte die Einspritzdüse parallel zur bearbeiteten Oberfläche bewegt werden. Strukturierte Oberflächen wurden durch Anpassen der Geschwindigkeit und des Abstands der Düse vorbereitet. Zur Reibungsprüfung wurde auch eine unbearbeitete Glasplatte (Flachglasplatte) verwendet.

Die Glasoberflächen wurden mit einem dreidimensionalen optischen Oberflächenprofilierer (NewView 7300, Zygo Co., USA) analysiert. Die geometrischen Parameter der strukturierten Glasoberfläche, die sowohl konvexe als auch konkave Abschnitte aufweist, wurden aus der 3D-Vogelperspektive und dem Linienprofil definiert (ergänzende Abbildung S3). Die Abbildung zeigt auch den Abstand zwischen den konkaven Teilen und die Höhe zwischen den konvexen und konkaven Teilen. Wir haben die Oberflächenrauheit (Sa) über einen 75 μm × 55 μm großen Bereich des konvexen Abschnitts gemessen (ergänzende Abbildung S3). Die gemessenen Sa-Werte im Mikrobereich variierten mit den Messpunkten; Daher wurde der Durchschnitt der Messergebnisse an beliebigen 10 Punkten berechnet.

Die Reibung wurde durch Hin- und Herbewegungstests gemessen (ergänzende Abbildung S4). Während des Tests wurde die Schreibspitze in einem Ausrichtungswinkel von 60° fixiert und mit einer Belastung von 0,98 N und 1,96 N auf die Glasplatte gedrückt. Es wurden hin- und hergehende Bewegungen mit einem Hub von 50 mm und einer Geschwindigkeit von 5 mm/s angewendet für 100 Zyklen bei Raumtemperatur (ca. 25 °C). Der Reibungskoeffizient wurde aus der mit einer Kraftmessdose gemessenen Reibungskraft berechnet. Die Schreibspitze wurde nach jedem Test ausgetauscht. Um den Oberflächenzustand vor dem Test zu stabilisieren, wurde die Schreibprobe aus Glas dreimal mit ultrareinem Wasser und einmal mit Ethylalkohol ultraschallgereinigt und dann für 5 Tage beiseite gelegt.

Die Kontaktfläche zwischen den Schreibspitzen und einer Glasoberfläche während der Gleitbewegung wurde beobachtet (ergänzende Abbildung S5). Während der Beobachtungen wurden die Schreibspitzen in einem Ausrichtungswinkel von 60° fixiert und unter einer Last von 1,96 N auf die Glasplatte gedrückt. Die Kontaktfläche zwischen den Schreibspitzen und der Glasoberfläche wurde von der Rückseite des Glases aus beobachtet ein Lasermikroskop (LEXT OLS5000-SAT, Olympus Corporation, Japan). Eine hin- und hergehende Bewegung in der rechten und linken Richtung mit einem Hub von 12 mm und einer Geschwindigkeit von 1 mm/s wurde durch Betätigen eines x-stufigen Mikrometers mit einem Schrittmotor induziert; Die Glasproben auf dem x-Tisch wurden gegen feststehende Schreibspitzen bewegt. Um den Einfluss der Vibration des Geräts auf die Beobachtung zu verringern, wurde der Test mit einer Geschwindigkeit von 1 mm/s durchgeführt, was langsamer ist als die Tests mit hin- und hergehender Bewegung.

Tabelle 1 zeigt die Oberflächenparameter der als Schreibflächenproben verwendeten Glasoberflächen. Abbildung 1 zeigt beispielhafte Beobachtungsbilder von Flachglas und jeder Teilung (Höhe: 21,6–23 nm). Auf den strukturierten Glasoberflächen ist die Bildung kontinuierlicher und gleichmäßiger konkav-konvexer Formen zu erkennen. Darüber hinaus blieb das gesamte verarbeitete Glas transparent32. In allen Steigungen steigt Sa tendenziell mit zunehmender Höhe zwischen den konvexen und konkaven Teilen aufgrund der erhöhten Kollisionsrate der Aluminiumoxidpartikel an jedem Punkt. Diese Erhöhungen von Sa und Höhe basierten auf der Vorschubgeschwindigkeit der Einspritzdüse der Mikroaufschlämmungsstrahlverarbeitung; Das heißt, je niedriger die Vorschubgeschwindigkeit, desto rauer ist die Sa und desto größer ist die Höhe der konvexen und konkaven Formen.

Bilder von Glasoberflächen, die als Schreibflächenproben gelten (Flachglas, Teilung 500 μm, 750 μm und 1000 μm).

Abbildung 2 zeigt die experimentellen Ergebnisse von Tests zur hin- und hergehenden Reibung. Die Reibungsmessungen für die beiden Spitzentypen und die verschiedenen Oberflächen wurden zwei- oder dreimal durchgeführt und der mittlere Reibungskoeffizient nach dem 5. (Abb. 2a und c) und 95. (Abb. 2b und d) Zyklus aufgezeichnet28. Bei der Elastomerspitze nahm die Reibung bei allen Proben mit der Anzahl der Hin- und Herbewegungszyklen zu (Abb. 2a und b). Diese Ergebnisse deuten auf eine Elastomerschädigung hin; Das Vorhandensein von übertragenem Elastomer auf der Glasoberfläche kann die Reibung mit der Anzahl der Hin- und Herbewegungszyklen erhöhen33,34,35. Bei der Polyacetal-Spitze nahm die Reibung tendenziell geringfügig mit der Anzahl der Hin- und Herbewegungszyklen ab (Abb. 2c und d). Die gleiche Tendenz war bei allen Glasoberflächen zu beobachten; Daher wird davon ausgegangen, dass die Bildung einer übertragenen Polyacetalschicht auf den Glasoberflächen zur Verringerung des Reibungskoeffizienten beiträgt36,37,38,39. Darüber hinaus sind die Oberflächeneigenschaften und der tatsächliche Kontakt auf der Unebenheitsebene von Glasoberflächen entscheidend für das Reibungsverhalten der Schreibspitzen und der Glasoberflächen. Nanometergroße Unebenheiten auf den Glasoberflächen beeinflussen die Reibung und führen zu unterschiedlichen Reibungsverhalten von Elastomer und Polyacetal. Da außerdem die Oberflächenrauheit jeder Schreibspitze viel höher war als die der nanometergroßen Unebenheiten auf den Glasoberflächen, hatten die Abmessungen der nanometergroßen Unebenheiten kaum Einfluss auf die Reibung28. Die Unterschiede zwischen dem Reibungsverhalten zwischen den Teilungen sind in Abb. 2 ersichtlich. Im Elastomer (Abb. 2a und b) war der Reibungskoeffizient der flachen Glasoberfläche aufgrund der hohen Adhäsionskraft des Elastomers am höchsten40,41. Das Induzieren von Oberflächentexturen auf der flachen Glasoberfläche führte aufgrund der verringerten Kontaktfläche zwischen Elastomer und Glasoberflächen zu einer Verringerung des Reibungskoeffizienten aller strukturierten Oberflächen. Das heißt, es kann davon ausgegangen werden, dass das Ausmaß der Haftreibung aufgrund der Verringerung der Kontaktfläche um nanometergroße Unebenheiten und submillimeter- bis millimetergroße Texturen abnahm28,42. Die Reibungskoeffizienten der 750-μm-Abstände nahmen mit zunehmender Höhe der konvexen und konkaven Formen dramatisch ab. Die Verringerung der Reibungskoeffizienten der 1000 μm-Teilungen war die langsamste unter den drei Teilungen. Die Reibungskoeffizienten der 500 μm-Abstände zeigten ein mittleres Verhalten. Diese Ergebnisse können anhand der Beziehung zwischen dem Durchmesser der Kontaktfläche der Elastomerspitze (ca. 850 μm) und den Glasoberflächen interpretiert werden28. Die Abstände von 750 μm sind kleiner als und näher am Durchmesser der Kontaktfläche (850 μm), was möglicherweise eine wichtige Rolle bei der Verringerung der scheinbaren Kontaktfläche zwischen dem Elastomer und den Glasoberflächen spielt. Im Gegensatz dazu kann das Elastomer bei Abständen von 1000 μm leicht den konkaven Teil der Textur erreichen, da die Abstände größer als der Durchmesser der Kontaktfläche sind; Daher ist die Verringerung der scheinbaren Kontaktfläche vernachlässigbar. Obwohl der Effekt der scheinbaren Kontaktfläche bei den 500-μm-Abständen kleiner war als bei den 750-μm-Abständen, kann ein ähnlicher Reibungskoeffizient erhalten werden, wenn die Höhe der konvexen und konkaven Bereiche zunimmt (~ ungefähr 20 nm). Wenn die Höhe der konvexen und konkaven Bereiche größer oder gleich 20 nm ist, nimmt der Reibungskoeffizient tendenziell zu. Dieser Anstieg des Reibungskoeffizienten in größerer Höhe kann auf Verformungsreibung zurückzuführen sein, die aus der elastischen Verformung beim Eintritt des Elastomers in den konkaven Teil resultiert42,43,44,45. Es wird angenommen, dass das Gleichgewicht des Reibungskoeffizienten um 20 nm Höhe zwischen 500 und 750 μm Steigungen vom Grad der Verformungsreibung abhängt, was bedeutet, dass es für das Elastomer einfacher ist, in die konkaven Teile der 750 μm Steigungen einzudringen. Bei Steigungen von 1000 μm ist es wahrscheinlicher, dass das Elastomer in die konkaven Teile eindringt als bei anderen Steigungen, weshalb die Verringerung des Reibungskoeffizienten allmählich erfolgte. Im Fall von Polyacetal (Abb. 2c und d) war der Reibungskoeffizient von Flachglas aufgrund der geringen Haftreibung des Polyacetals der niedrigste unter den Glasoberflächen. Da die nanometergroßen Unebenheiten abrasive Reibung auf den Oberflächen verursachten, erhöhte sich der Reibungskoeffizient der strukturierten Glasoberflächen im Vergleich zu dem des Flachglases46,47,48. In allen Steigungen entspricht eine größere Höhe tendenziell einem niedrigeren Reibungskoeffizienten. Es gab keinen signifikanten Unterschied im Reibungsverhalten zwischen den Tonhöhen. In einer früheren Studie wurde der Durchmesser der Kontaktfläche der Polyacetal-Spitze und der Glasoberflächen auf etwa 180 μm28 ermittelt. Daher konnte die Polyacetalspitze die konkaven Teile der Textur erreichen, da alle Teilungsgrößen größer waren als die Kontaktfläche. Wenn die Teilungsgröße jedoch groß ist (1000 μm), kann die Polyacetalspitze leichter in die konkaven Teile eindringen. Daher waren die Reibungskoeffizienten der 1000-μm-Pitches etwas höher als die anderer Pitches. Wenn die Höhe der konvexen und konkaven Bereiche größer ist, wird davon ausgegangen, dass die Polyacetalspitze bei Gleitbewegungen den Boden der konkaven Teile aller Steigungen nicht erreichen kann. Dadurch wird die Kontaktfläche zwischen dem Polyacetal und den Glasoberflächen verringert und dies trägt zu einer Verringerung des Reibungskoeffizienten der strukturierten Glasoberflächen bei.

Beziehung zwischen dem Reibungskoeffizienten und der konvex-konkaven Höhe in den Glasoberflächen für die Elastomer- und Polyacetal-Spitzen. (a) Elastomer nach 5 Zyklen; (b) Elastomer nach 95 Zyklen; (c) Polyacetal nach 5 Zyklen, (d) Polyacetal nach 95 Zyklen.

Um den Einfluss der Verformungsreibung im Elastomer zu untersuchen, wenn die Höhe der konvexen und konkaven Bereiche groß ist, wurde die aufgebrachte Last im Hin- und Herbewegungstest in Schritten von 750 μm von 1,96 N auf 0,98 N geändert. Es wird erwartet, dass eine geringere aufgebrachte Last eine Verringerung bewirkt das Ausmaß der Verformung des Elastomers in die konkaven Teile. Abbildung 3a zeigt das experimentelle Ergebnis (den Reibungskoeffizienten des 95. Zyklus) bei angelegten Lasten von 1,96 N und 0,98 N Last für die 750-μm-Abstände. Obwohl das Reibungsverhalten unter 1,96 N und 0,98 N bis zu einer Höhe von etwa 22 nm ähnlich war, wurde bei etwa 35 nm Höhe ein Unterschied beobachtet. Bei einer aufgebrachten Last von 0,98 N stieg der Reibungskoeffizient aufgrund der verringerten Verformungsreibung auch bei großer Höhe der konvexen und konkaven Teile nicht an. Dementsprechend wird angenommen, dass die Erhöhung der Höhe der konvexen und konkaven Teile die Verformungsreibung erhöht, die durch das Eindringen der Schreibspitze in die konkaven Teile verursacht wird (Abb. 3b). Das Reibungsverhalten wurde aus den Ergebnissen der Reibungsmessung und den geometrischen Faktoren aufgrund des Kontakts zwischen Glasoberflächen und Schreibspitzen ermittelt. Um dieses Verhalten zu verstehen, müssen die Reibungen auf der Grundlage des Kontaktmechanismus zwischen den Glasoberflächen und den Schreibspitzen interpretiert werden. Obwohl grundlegende Theorien der Kontaktmechanik, die auf der realen Kontaktfläche basieren, im Detail entwickelt wurden49,50,51,52,53, ist der Kontaktzustand zwischen dem Glas, das zwei Arten rauer Oberflächen mit erheblich unterschiedlichen Rauheitswerten enthält, und der Schreibspitze mit rauen Oberflächen im Detail beschrieben müssen in dieser Studie berücksichtigt werden. Daher planen wir in Zukunft, den Mechanismus des Phänomens auf wissenschaftlicher Basis mithilfe der Kontaktmechanik zu bestimmen.

Unterschied im Reibungsverhalten in 750-μm-Abständen unter einer Belastung von 1,96 N und 0,98 N. (a) Beziehung zwischen dem Reibungskoeffizienten und der konvex-konkaven Höhe in den Glasoberflächen für das Elastomer unter einer Belastung von 1,96 N und 0,98 N. (b) Bilder des Unterschieds im Ausmaß der Verformung unter einer Last von 1,96 N und 0,98 N.

Um den Zusammenhang zwischen den Änderungen des Reibungskoeffizienten und der Textur im Submillimeter- bis Millimeterbereich zu untersuchen, ist die Beobachtung des Verhaltens im Kontaktbereich während der Gleitbewegungen von entscheidender Bedeutung. Eine Beobachtung der winzigen Änderungen im Kontaktbereich ist jedoch schwierig, da die Höhe der Konvex- und Konkavflächen recht gering ist (~ 50 nm). Daher wurden die Beobachtungen während Gleitbewegungen mit einer Probe mit erhöhter Höhe (~ 1463 nm) und Streifenmuster mit 500 μm Abstand durchgeführt; Die Glasoberflächen wurden in einer Richtung senkrecht zum Streifenmuster gegen die festen Schreibspitzen bewegt (Abb. 4a). Die Abbildungen 4b, c und 5a, b sowie die ergänzenden Videos 1–2 zeigen die Beobachtungsergebnisse der streifenstrukturierten Oberfläche (Abb. 4b, 5a) und der flachen Glasoberfläche (Abb. 4c, 5b) in Elastomer und Polyacetal. Aus einer Videoaufzeichnung der Beobachtung wurde alle 0,25 s ein Bild für Elastomer (Abb. 4b und c: (A)–(F)) und alle 0,10 s für Polyacetal (Abb. 5a und b: (A)–( J)). Bei der strukturierten Oberfläche im Elastomer (Abb. 4b) war die Formänderung am Kontaktteil deutlich gering, und es konnten regelmäßige Veränderungen am Kontaktteil (Schwankungen zwischen Kontakt- und Nichtkontaktteilen im Kontaktteil) bestätigt werden . Bei den Schwankungen handelt es sich um Veränderungen, bei denen der Kontaktteil kleiner, größer wird, erscheint oder verschwindet (die durch die orangefarbenen Pfeile angezeigten Teile) und in einem 0,5-s-Zyklus beobachtet werden können (Abb. 4b). Darüber hinaus scheinen sich die Schwankungen entgegen der Gleitrichtung der Elastomerspitze zu bewegen. Die 0,5 s entsprechen einem Zyklus von 0,5 mm mit einer Geschwindigkeit von 1 mm/s (Gleitgeschwindigkeit der Schreibspitze). Somit können diese Schwankungen auf die nicht berührenden Teile des Elastomers über den konkaven Teilen der Glasoberfläche hinweisen. Diese Schwankungen sind im Video deutlich zu erkennen. Im Gegensatz dazu wurde bei der flachen Glasoberfläche im Elastomer (Abb. 4c) keine regelmäßige Veränderung im Kontaktteil beobachtet. Es wurde eine allmähliche Formänderung am Kontaktteil und eine Verschiebung nach links bestätigt; Dies kann auf die hohe Haftung des Elastomers zurückgeführt werden (Die Abweichung von der rot gepunkteten Linie wird bestätigt). Abbildung 6 zeigt ein Bild des Kontaktteils zwischen der Elastomerspitze und dem Konvex- und Konkavteil. Wenn die Schreibspitze den konvexen Teil berührt, wird in der Nähe der Neigung des konvexen Teils der Schreibspitze eine Druckspannung erzeugt. Sobald sich die Schreibspitze vom konvexen Teil entfernt, wird die erzeugte Druckspannung aufgehoben und die nicht berührenden Teile werden in den Beobachtungsbildern hervorgehoben. Obwohl in dieser Studie nur die nicht berührenden Teile neben dem von der Druckspannung freigegebenen Bereich deutlich beobachtet wurden, wird davon ausgegangen, dass die konkaven Teile keinen Kontakt mit der Schreibspitze hatten. Beim Polyacetal konnte die Schwankung des 0,50-s-Zyklus deutlich in der strukturierten Oberfläche im Vergleich zur flachen Glasoberfläche beobachtet werden (Abb. 5a und b). In der strukturierten Oberfläche ist deutlich zu erkennen, dass die Form des Kontaktteils derjenigen nach 0,50 s entspricht. Da Polyacetal ein härteres Material als Elastomer ist, ist es schwierig, Vibrationsschwankungen aufzufangen; Daher ist die Beobachtung des Abbaus von Druckspannung einfacher. Die Beobachtungsergebnisse des gitterförmigen Musters (Abstand: 500 μm, Höhe: 560 nm (Abb. 7a) für das Elastomer sind in Abb. 7b und Zusatzvideo 3 dargestellt. Abbildung 7c zeigt einen Kontaktzustand zwischen der Elastomerspitze und dem Konvex Teile der strukturierten Oberfläche. Ähnliche Schwankungen im 0,50-s-Zyklus wurden in einigen Teilen des Kontaktteils beobachtet. Diese Schwankungsteile entsprechen den konvexen Teilen (Abb. 7c). Die Schwankungen wurden hauptsächlich im Bereich der blauen gepunkteten Linie beobachtet Dies stimmt mit dem konvexen Teil in Abb. 7c überein (die Teile, die durch die orangefarbenen Pfeile in Abb. 7b angezeigt werden). Daher wird vermutet, dass die nichtkontaktierenden Teile der Elastomerspitze nach dem Durchgang durch die konvexen Teile existieren. Diese Beobachtungen waren jedoch vorhanden Wir führen Untersuchungen auf strukturierten Oberflächen mit erhöhter Höhe durch, um das Phänomen hervorzuheben. Wir gehen davon aus, dass ein ähnliches Verhalten in der Nähe der konvexen Teile bei einer geringen Höhe der konvexen und konkaven Formen auftritt.

(a) Streifenmuster mit 500 μm Abstand und 1463 nm der Höhe und Gleitrichtung der Schreibspitzen. (b),(c) Beobachtungen der Kontaktfläche zwischen Elastomer und Glasoberflächen während der Gleitbewegung ((b) Streifenmuster mit 0,5 mm Abstand und 1463 nm, (c) Flachglas) und Darstellung der Beziehung zwischen dem Elastomer und jede Glasoberfläche.

Beobachtungen der Kontaktfläche zwischen Polyacetal und Glasoberflächen während der Gleitbewegung ((a) Streifenmuster mit 0,5 mm Abstand und 1463 nm, (b) Flachglas) und Darstellung der Beziehung zwischen Polyacetal und jeder Glasoberfläche.

Darstellung der nicht berührenden Teile, die hervorgehoben werden, nachdem sie von der Druckspannung in der Nähe konvexer Teile des Elastomers befreit wurden.

(a) Gitterförmiges Muster mit 500 μm Abstand und 560 nm Höhe und Gleitrichtung der Schreibspitzen. (b) Beobachtungen der Kontaktfläche zwischen dem Elastomer und den gitterförmig gemusterten Glasoberflächen während der Gleitbewegung (Abstand: 500 μm, Höhe: 560 nm). (c) Beobachtung des Kontaktteils vor und nach dem Pressen des Elastomers auf eine gitterförmig gemusterte Glasoberfläche (Abstand: 500 μm, Höhe: 560 nm). Das gitterförmige Muster kann vor dem Aufpressen des Elastomers auf die Glasoberfläche beobachtet werden.

Die Erzeugung zweier Arten von Oberflächenrauheiten auf der Glasoberfläche hat einen interessanten Einfluss auf die Reibungseigenschaften. Diese Studie zeigte insbesondere, dass der Reibungskoeffizient durch Steuerung der Größe von Texturen im Submillimeter- bis Millimeterbereich verändert werden kann, nachdem die Rolle jeder Rauheit verstanden wurde. Die in dieser Studie demonstrierte Kontrolle von Fiktionsmerkmalen kann neben der Verbesserung des Benutzererlebnisses von Stifteingabegeräten auch in verschiedenen Bereichen neue Wege eröffnen.

Wir untersuchten das Reibungsverhalten elastischer Materialien auf strukturierten Glasoberflächen mittels hin- und hergehender Reibungstests. Diese Tests wurden mit zwei Arten von Schreibspitzen (Elastomer und Polyacetal) und strukturierten Glasoberflächen durchgeführt, die mithilfe der Mikro-Slurry-Jet-Technologie hergestellt wurden. Die strukturierten Glasoberflächen weisen eine Textur im Submillimeter- bis Millimeterbereich und eine feine Rauheit im Nanometerbereich auf, was zu unterschiedlichen Reibungsverhalten aufgrund von Adhäsions-, Schleif- und Verformungsreibungen führt. In dieser Studie haben wir uns speziell auf die Höhe und Teilungsgröße von Texturen im Submillimeter- bis Millimeterbereich konzentriert, die sich auf die Reibungseigenschaften auswirken können. Wir haben die Unterschiede im Einfluss der Höhe und der Teilungsgröße von konkav-konvexen Oberflächen im Submillimeter- bis Millimeterbereich auf das Reibungsverhalten beobachtet. Die wesentlichen Schlussfolgerungen sind:

Für das Elastomer ist die Beziehung zwischen der scheinbaren Kontaktfläche der Schreibspitze und den konkav-konvexen Oberflächen zur Reduzierung des Reibungskoeffizienten wichtig: Wenn die Steigungsgröße kleiner als der Durchmesser des Kontaktteils ist, nimmt der Reibungskoeffizient tendenziell ab auf die Höhe des Konkav-Konvexen. Wenn die Steigungsgröße größer ist, verringert sich die Verringerung des Reibungskoeffizienten, und eine größere Höhe der Konkav-Konvex-Achse ist erforderlich, um den Reibungskoeffizienten zu verringern.

Der Anstieg des Reibungskoeffizienten bei einer größeren Höhe der konkav-konvexen Fläche (Steigung: 750 μm, Höhe: 35 nm) ist auf die Verformungsreibung zurückzuführen, die dadurch verursacht wird, dass die Schreibspitze in die konkaven Teile eindringt.

Da beim Polyacetal die Kontaktfläche zwischen der Schreibspitze und den konkav-konvexen Oberflächen kleiner ist als bei allen Tonhöhen, ist der Beitrag der Tonhöhengröße gering. Wenn die Teilungsgröße viel größer ist als die Kontaktfläche (1000 μm), ist die Schreibspitze anfälliger für abrasive Reibung an Unebenheiten im Nanometerbereich und weist einen höheren Reibungskoeffizienten auf als andere Teilungen (500 μm und 750 μm).

Ein Hinweis auf die Existenz des kontaktfreien Teils unmittelbar nach dem Passieren konvexer Teile konnte aus den Beobachtungen des Kontaktteils während der Gleitbewegungen gewonnen werden.

Wir gehen davon aus, dass unsere Erkenntnisse die Entwicklung beschleunigen können, um das Benutzererlebnis von Stifteingabegeräten zu verbessern.

Die während der aktuellen Studie generierten und analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Arbeit wurde durch das Adaptable and Seamless Technology Transfer Program through Target-driven R&D (A-STEP) der Japan Science and Technology Agency (JST) [Fördernummer JPMJTM20SK] unterstützt.

Forschungs- und Entwicklungsgruppe, Nippon Electric Glass Co., Ltd., 2-7-1 Seiran, Otsu, Shiga, 520-8639, Japan

Naoki Fujita, Takumi Kinoshita, Masaru Iwao und Noriaki Masuda

Graduate School of Science and Technology, Universität Kumamoto, 2-39-1 Kurokami, Chuo-ku, Kumamoto, 860-8555, Japan

Naoki Fujita

Fakultät für fortgeschrittene Wissenschaft und Technologie, Universität Kumamoto, 2-39-1 Kurokami, Chuo-ku, Kumamoto, 860-8555, Japan

Yoshitaka Nakanishi

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NF schlug die Forschung vor und entwarf die Experimente. TK führte die Experimente durch. NF hat den Manuskriptentwurf geschrieben. MI, NM und YN überarbeiteten das Manuskript und überwachten die Arbeit.

Korrespondenz mit Naoki Fujita.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Fujita, N., Kinoshita, T., Iwao, M. et al. Reibungskontrolle elastischer Materialien auf Glas mittels strukturierter Oberflächen. Sci Rep 12, 15423 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19338-7

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Eingegangen: 04. Juli 2022

Angenommen: 29. August 2022

Veröffentlicht: 14. September 2022

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

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