Tarcie w warstwie pośredniej

W warstwach o grubościach od 6 do 10 średnic cząsteczkowych ich właściwości mogą być bardzo różne od tych, które występują w dużej objętości o ciągłych właściwościach. Warstwy grubsze są ciekłe, nie przechodzą zmiany w fazę stałą lub ciekłokrystaliczną. Ciecz może wykazywać zachowanie niutonowskie, polimery stopione o tych samych grubościach warstw niezależnie od ich masy cząsteczkowej stają się nieniutonowskie. Rysunek 61 pokazuje wzrost efektywnej lepkości warstwy dodekanowej pomiędzy powierzchniami miki w zależności od grubości warstwy cieczy [80]. Przy grubości warstwy poniżej 30 Ǻ η_efekt gwałtownie rośnie.

Rys. 61. Zależność lepkości efektywnej (η_efekt) od grubości warstwy cieczy [80]

Na rys. 62 Luengo i współpracownicy [79] zaproponowali uogólnioną mapę tarcia zależności η_efekt od szybkości ścinania γ w skali logarytmicznej.

Rozróżnia się trzy główne zachowania cieczy w zależności od grubości warstwy w czasie ślizgania obciążonych dwóch powierzchni:

• gruba warstwa – zakres EHD. Przy zerowym obciążeniu N = 0 ηefekt jest niezależne od szybkości ścinania, z wyjątkiem sytuacji, kiedy ciecz niutonowska jest rozrzedzana (η_efekt < η_cieczy) przy bardzo wysokiej szybkości ścinania;

• warstwy graniczne i mieszane – przy niskich obciążeniach i niskich szybkościach ścinania. Warstwa cieczy wtedy zachowuje się nadal jak ciecz niutonowska, pomimo że η_efekt jest znacznie większe od lepkości cieczy w masie. Obrazuje to drugi zakres stałych wartości η_efekt. Ze wzrostem obciążenia wydłuża się zakres szybkości ścinania i rośnie jej maksymalna wartość (γ_max) dla stałych wartości lepkości efektywnej. Gdy szybkość ścinania rośnie powyżej γ_min,

następuje wyraźny łagodny spadek η_efekt, zgodnie z równaniem (109), w którym

n ma wartości w zakresie od

2 1

− do –1, czyli następuje rozrzedzenie cieczy; • warstwy graniczne – występują przy bardzo dużych obciążeniach, ηefekt

nadal rośnie ze wzrostem obciążenia i szybkość ścinanie maleje do zera dla cieczy niutonowskiej; potem ze wzrostem szybkości ścinania od razu łagodnie przechodzi do wartości .γ_min Przejście do ślizgania przy dużych szybkościach jest nieciągłe (linia kropkowana); występuje wtedy zjawisko stick-slip.

Rys. 62. Zależność lepkości efektywnej (η_efekt) od prędkości ścinania [79]

Przy bardzo dużych obciążeniach, powyżej których występuje tarcie gra- niczne, η_efekt przyjmuje skończoną wartość.

W skali nanometrowej konwencjonalne teorie warstwy ciekłej, lepkości i smarowania hydrodynamicznego mają znaczenie relatywnie małe w procesach tarcia i zużycia. Ważniejsze są mechanika styku i rozkład naprężeń. Jeśli rozważamy przypadek rozkładu naprężeń dla warstwy cieczy (warstwa sprężysta) na stałej powierzchni (powierzchnia twarda), to rozkład naprężeń przez dwie warstwy staje się bardziej złożony. Dodatkowo, stałe podłoże często jest wielowarstwowe i wtedy naprężenia i odkształcenia w nanostyku stają się

bardzo trudne do analizy. Podstawowymi problemami w smarowaniu nano- warstwowym są zatem: redystrybucja naprężeń w międzyfazie zapewniająca łatwe ścinanie warstw, wzrost rzeczywistej powierzchni styku przez wygła-dzenie powierzchni w celu obniżenia ciśnienia w styku, zabezpieczenie protekcyjnej warstwy powierzchniowej przed wpływem wilgoci i/albo koro-zyjnych składników atmosfery oraz zabezpieczenie warstwy na wielokrotne styki tarciowe.

Statyczne (w stanie równowagi) i dynamiczne właściwości cieczy (takie jak ściśliwość i lepkość), kiedy jest ona ściskana w cienkiej warstwie (o gru- bości od 5 do 10 średnic cząsteczek) pomiędzy dwiema powierzchniami, nie mogą być opisywane nawet jakościowo kategoriami właściwości ciągłych w masie cieczy.

W tych warunkach cząsteczki są zorganizowane w warstwy i wewnątrz każdej warstwy zorganizowane są również na boki w płaszczyźnie poziomej. Taka warstwa może być uważana jako bardziej stałopodobna niż ciekłopodobna.

Siły działające w warstwie kilkucząsteczkowej cieczy pomiędzy dwoma powierzchniami ciał stałych, mierzone w poprzek tej warstwy, wykazują ekspotencjalne, zanikające oscylacje, zmieniające się wykładniczo pomiędzy przyciąganiem i odpychaniem z periodycznością równą rozmiarom cząsteczko- wym cząsteczek cieczy. Takie warstwy mogą przeto wytrzymywać skończone naprężenie normalne, a adhezja pomiędzy dwiema powierzchniami przez warstwy jest „skwantowana” zależnie od liczby warstw pomiędzy powierzch- niami [35]. Wielkości adhezji zależą również od struktury sieci krystalicznej ciała stałego i kąta „skręcenia” pomiędzy dwiema powierzchniowymi sieciami. Struktury cząsteczek cienkich warstw i siły oscylacyjne są obecnie znane od strony praktycznej i teoretycznej dla kilku cieczy.

Istotne jest poznanie sił związanych z cząsteczkowymi wymiarami warstw w warunkach dynamicznych. Wyniki doświadczalne i teoretyczne wykazują, że nawet kiedy dwie powierzchnie są w stanie ustalonym ślizgania, preferują one pozostawanie w jednym z ich minimum stałej energii potencjalnej. Tak jest w ścinaniu; warstwa cieczy może zachowywać swe podstawowe struktury warstwowe, chociaż jej „poprzeczne” uporządkowanie może być modyfiko- wane lub zaburzone. Zatem nawet podczas ruchu warstwa nie staje się całkowicie ciekłopodobna. Rzeczywiście, takie warstwy wykazują granice plastyczności zanim zaczną płynąć. Mogą przeto utrzymywać skończone naprężanie ścinające.

Wartość granicy plastyczności zależy od liczby warstw ściskanych w warstwie. Dynamiczne właściwości ciekłej warstwy poddanej ścinaniu są bardzo złożone. Zależnie od tego, czy warstwa jest ciekło- czy stałopodobna, ruch może być odpowiednio gładki lub typu stick-slip. Ten drugi wykazuje punkty plastyczności i/albo periodyczne, charakterystyczne „ząbkowania” zależ- ności naprężenie – odkształcenie ciał plastycznych.

Podczas ślizgania może występować przejście pomiędzy warstwami stało-podobnymi, a szczegóły ruchu zależą od krytycznego zewnętrznego obciążenia, temperatury, prędkości ślizgania, kąta skręcenia i kierunku ślizgania do siatki powierzchniowej.