The interplay of roughness and adhesion in viscoelastic sliding contacts

Ensuring effective control of adhesion in viscoelastic materials represent a crucial challenge in modern tribology, with significant implications across a broad spectrum of engineering applications, including tire tread compounds for enhanced grip and efficiency, soft robotic grippers with reversible adhesion, structural and pressure-sensitive adhesives, bio-inspired adhesive systems and MEMS devices. Despite experimental results have highlighted how the interaction between interface adhesion and viscoelasticity affects the contact behavior of real interfaces, current analytical and numerical approaches can accurately describe only adhesiveless conditions in presence of relative motion between solids or require ad hoc local interatomic potentials to mimic adhesive effects. Observations of phenomena such as hysteretic losses, adhesion hysteresis and velocity-dependent adhesive strength further underline the limitations of these existing models, which often rely on scale separation or assume purely elastic behavior. Building upon a previously developed extension of Griffith’s fracture criterion to hysteretic materials, this thesis further extends the framework to the rough multi-contact case and employs it to investigate the contact and friction behaviour of several multiscale rough profiles in the presence of interface adhesion, across the entire viscoelastic spectrum of the material. Exploiting the boundary element methodology based on the use of the Green's function, the energy closure equations were obtained by imposing, at each contact edge, a balance between the work of internal stresses and that of adhesion under virtual infinitesimal variations of the contact domain. Moving from the assumption of infinitely short-range adhesive forces, the proposed approach extends classical fracture concepts to account for non-conservative energy dissipation arising from viscoelastic stresses. The mathematical and physical structure of this energy formulation significantly departs from equivalent elastic cases, allowing for a consistent treatment of both bulk and interfacial hysteresis effects. The results shows a marked increase in contact area, adhesive strength and friction, particularly at intermediate sliding velocities, driven by the coexistence of adhesion hysteresis induced by small-scale viscoelasticity at the edge of the contacts and bulk hysteresis generated by large-scale viscoelasticity, supporting the findings of previous similar studies for a sinusoidal indenter. By addressing the fundamental interplay between viscoelasticity, roughness and adhesion, this work establishes a unified theoretical foundation that explains key experimental observations and supports the rational design of viscoelastic materials with tailored adhesive and tribological properties.

Garantire un controllo efficace dell'adesione nei materiali viscoelastici rappresenta una sfida cruciale nella tribologia moderna, con implicazioni significative in un ampio spettro di applicazioni ingegneristiche, tra cui mescole per battistrada di pneumatici per una maggiore aderenza ed efficienza, pinze robotiche morbide con adesione reversibile, adesivi strutturali e sensibili alla pressione, sistemi adesivi bio-ispirati e dispositivi MEMS. Nonostante i risultati sperimentali abbiano evidenziato come l'interazione tra l'adesione dell'interfaccia e la viscoelasticità influenzi il comportamento di contatto delle interfacce reali, gli attuali approcci analitici e numerici possono descrivere con precisione solo condizioni senza adesione in presenza di movimento relativo tra solidi o richiedono potenziali interatomici locali ad hoc per imitare gli effetti adesivi. Le osservazioni di fenomeni quali perdite isteretiche, isteresi di adesione e forza adesiva dipendente dalla velocità sottolineano ulteriormente i limiti di questi modelli esistenti, che spesso si basano sulla separazione di scala o ipotizzano un comportamento puramente elastico. Basandosi su un'estensione precedentemente sviluppata del criterio di frattura di Griffith ai materiali isteretici, questa tesi estende ulteriormente il quadro al caso multi-contatto irregolare e lo utilizza per studiare il comportamento di contatto e attrito di diversi profili irregolari multiscala in presenza di adesione interfacciale, attraverso l'intero spettro viscoelastico del materiale. Sfruttando la metodologia degli elementi di contorno basata sull'uso della funzione di Green, le equazioni di chiusura energetica sono state ottenute imponendo, su ciascun bordo di contatto, un equilibrio tra il lavoro delle sollecitazioni interne e quello dell'adesione in presenza di variazioni infinitesimali virtuali del dominio di contatto. Partendo dall'ipotesi di forze adesive a raggio infinitamente corto, l'approccio proposto estende i concetti classici di frattura per tenere conto della dissipazione di energia non conservativa derivante dalle sollecitazioni viscoelastiche. La struttura matematica e fisica di questa formulazione energetica si discosta significativamente dai casi elastici equivalenti, consentendo un trattamento coerente degli effetti di isteresi sia di massa che interfacciali. I risultati mostrano un marcato aumento dell'area di contatto, della forza adesiva e dell'attrito, in particolare a velocità di scorrimento intermedie, determinato dalla coesistenza dell'isteresi di adesione indotta dalla viscoelasticità su piccola scala ai bordi dei contatti e dell'isteresi di massa generata dalla viscoelasticità su larga scala, a conferma dei risultati di precedenti studi simili su un penetratore sinusoidale. Affrontando l'interazione fondamentale tra viscoelasticità, rugosità e adesione, questo lavoro stabilisce una base teorica unificata che spiega le principali osservazioni sperimentali e supporta la progettazione razionale di materiali viscoelastici con proprietà adesive e tribologiche su misura.