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Aug 28, 2023

Control de fricción de materiales elásticos sobre vidrio mediante superficies texturizadas

Informes científicos volumen 12,

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 15423 (2022) Citar este artículo

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Para investigar los comportamientos de fricción de las puntas de escritura de elastómero y poliacetal que se deslizan sobre varias superficies de vidrio texturizado, se examinaron las influencias del tamaño de paso y la altura de la textura de tamaño submilimétrico a milimétrico en la fricción mediante pruebas de fricción recíproca. Los coeficientes de fricción de cada punta de escritura podrían variarse sistemáticamente cambiando el tono y la altura de la textura. Estos cambios en la fricción se basaron en la relación entre las formas convexas-cóncavas y las partes de contacto de la punta de escritura y, por lo tanto, influyen en las fricciones adhesivas, abrasivas y de deformación. Induciendo una textura superficial con un paso más pequeño que el área de contacto de la punta de escritura, el coeficiente de fricción podría reducirse de manera efectiva. Al inducir una textura superficial con una altura mayor, el coeficiente de fricción del elastómero podría incrementarse debido a la fricción de deformación. Estos comportamientos indican la posibilidad de controlar la fricción cambiando parámetros como el paso y la altura de las superficies de vidrio texturizado.

El control de las propiedades tribológicas utilizando superficies texturizadas ha sido atractivo en una variedad de campos para mejorar las condiciones de la superficie deslizante1,2,3,4. Por ejemplo, en el campo de los automóviles, se han introducido superficies texturizadas para controlar la fricción y mejorar la eficiencia energética, lo que a su vez reduce las emisiones de CO25,6. También se ha investigado la mejora de las propiedades tribológicas de las máquinas herramienta mediante la introducción de textura en las superficies de las guías de las máquinas herramienta, los cojinetes lisos y otros componentes7,8,9.

Numerosos estudios han examinado los efectos de las superficies texturizadas sobre las características tribológicas en condiciones tanto lubricadas como sin lubricar10,11,12,13,14. Bajo condiciones lubricadas, las superficies texturizadas generalmente mejoran la lubricación hidrodinámica15,16. Por el contrario, en condiciones sin lubricación, las superficies texturizadas contribuyen a las áreas de contacto aparente, lo que también afecta significativamente la fricción adhesiva y abrasiva en el nivel de aspereza de la superficie de contacto17,18,19,20. Además, la fricción por deformación de un material elástico debido a una superficie texturizada también puede afectar los comportamientos de fricción21,22,23,24. La deformación elástica y la migración del material elástico que se mueve a lo largo de la estructura convexa y cóncava en la contracara dura texturizada puede causar desgaste por fatiga del material elástico25.

Desde el punto de vista de reducir el uso de papel y mejorar la eficiencia del trabajo, la entrada de escritura a mano en las tabletas se ha generalizado en los últimos años26. En la entrada de escritura a mano, los comportamientos de fricción de las puntas de los bolígrafos, que influyen en la experiencia de escritura, son críticos27. Los usuarios suelen tener una experiencia deficiente al escribir con un bolígrafo sobre una superficie de vidrio plana y resbaladiza. Los métodos comunes para mejorar la experiencia del usuario incluyen aumentar la fricción ajustando el módulo elástico o cambiando el material de la punta del lápiz y adjuntando una hoja de película texturizada a las tabletas. La introducción de texturas directamente en las superficies de vidrio de las tabletas tiene la ventaja de preservar la resistencia a los arañazos, la transparencia y la sensación del vidrio y, por lo tanto, ha atraído una atención considerable. Sin embargo, solo hay unos pocos estudios que tienen como objetivo mejorar la experiencia de entrada de escritura a mano mediante la introducción de texturas en el cristal. En un estudio anterior, informamos sobre la posibilidad de controlar las características de fricción utilizando dos tipos de rugosidad superficial (textura de tamaño submilimétrico a milimétrico y rugosidad fina de tamaño nanométrico)28. Descubrimos que cada rugosidad afecta la fricción adhesiva, la fricción abrasiva y la fricción de deformación y, por lo tanto, se puede controlar el coeficiente de fricción entre las puntas de escritura y las superficies de vidrio texturizado. Sin embargo, faltaba una discusión sobre la contribución de los pasos y las alturas de las formas convexas y cóncavas de mayor tamaño a los comportamientos de fricción.

En este estudio, medimos los comportamientos de fricción de dos tipos de puntas de bolígrafo disponibles en el mercado sobre vidrio texturizado cambiando la condición de rugosidad en detalle. Los comportamientos de fricción se observaron mediante pruebas de fricción recíproca en relación con superficies de vidrio texturizado con dos tipos de rugosidad: el primer tipo se debe a asperezas de tamaño nanométrico; este tipo de rugosidad puede influir en las fricciones adhesivas y abrasivas. El otro se debe a la textura de la superficie de pasos de tamaño submilimétrico a milimétrico y puede influir en la deformación. Nos enfocamos particularmente en el tamaño de tono y la altura de la textura de tamaño submilimétrico a milimétrico. Los mecanismos de fricción basados ​​en fricciones adhesivas, abrasivas y de deformación se analizaron en función de la relación entre la textura de tamaño submilimétrico a milimétrico y los cambios en la fricción.

Las muestras de punta de escritura utilizadas en este estudio fueron una punta de elastómero (ACK-20004, Pen Nibs, Wacom Co., Ltd.) y una punta de poliacetal (ACK-20001, Pen Nibs, Wacom Co., Ltd.) (Fig. . S1). La punta de elastómero consiste en elastómero de poliéster termoplástico, que tiene una estructura con ranuras. La rugosidad de la superficie (Sa) y el radio de curvatura en la punta de la punta de escritura elastomérica fueron de aproximadamente 10,5 μm y 687 μm, respectivamente, y los de la punta de poliacetal fueron de aproximadamente 0,7 μm y 665 μm, respectivamente.

El procesamiento de la superficie de vidrio texturizado se realizó a través del procesamiento de micro-slurry-jet (Figura complementaria S2) 29,30,31. Se utilizaron placas de vidrio plano con dimensiones de 70 mm (largo) × 70 mm (ancho) × 0,55 mm (grosor) (placa de vidrio plano; T2X-1, Nippon Electric Glass Co. Ltd., Japón). Se preparó una suspensión consistente en agua pura con 3% en peso de partículas de alúmina (WA # 8000, diámetro medio = 1,2 µm). La suspensión se roció verticalmente sobre las superficies de vidrio a través de una boquilla de inyección de forma cuadrada de 1 mm de ancho utilizando aire comprimido a 0,23 MPa. La boquilla de inyección podría moverse paralelamente a la superficie procesada utilizando un sistema de control numérico. Las superficies texturizadas se prepararon ajustando la velocidad y el paso de la boquilla. También se utilizó una placa de vidrio no procesada (placa de vidrio plana) para la prueba de fricción.

Las superficies de vidrio se analizaron utilizando un perfilador óptico tridimensional de superficies (NewView 7300, Zygo Co., EE. UU.). Los parámetros geométricos de la superficie de vidrio texturizado, que exhibe secciones convexas y cóncavas, se definieron a partir de la vista de pájaro en 3D y el perfil de línea (Fig. S3 complementaria). La figura también muestra el paso entre las partes cóncavas y la altura entre las partes convexa y cóncava. Medimos la rugosidad de la superficie (Sa) en un área de 75 μm × 55 μm de la sección convexa (Fig. S3 complementaria). Los valores de Sa medidos en la microregión variaron con los puntos de medición; por lo tanto, se calculó el promedio de los resultados de medición en 10 puntos cualesquiera.

La fricción se midió realizando pruebas de movimiento alternativo (Figura complementaria S4). Durante la prueba, la punta de escritura se fijó en un ángulo de orientación de 60° y se presionó sobre la placa de vidrio con una carga de 0,98 N y 1,96 N. Se aplicaron movimientos alternativos con un recorrido de 50 mm y una velocidad de 5 mm/s. durante 100 ciclos a temperatura ambiente (aproximadamente 25 °C). El coeficiente de fricción se calculó a partir de la fuerza de fricción medida por una celda de carga. La punta de escritura se reemplazó después de cada prueba. Para estabilizar la condición de la superficie antes de la prueba, la muestra de escritura de vidrio se limpió ultrasónicamente tres veces con agua ultrapura y una vez con alcohol etílico y luego se dejó reposar durante 5 días.

Se observó el área de contacto entre las puntas de escritura y una superficie de vidrio durante el movimiento deslizante (Fig. S5 complementaria). Durante las observaciones, las puntas de escritura se fijaron en un ángulo de orientación de 60° y se presionaron sobre la placa de vidrio con una carga de 1,96 N. El área de contacto entre las puntas de escritura y la superficie del vidrio se observó desde el reverso del vidrio utilizando un microscopio láser (LEXT OLS5000-SAT, Olympus Corporation, Japón). Se indujo un movimiento alternativo en la dirección derecha e izquierda, con una carrera de 12 mm y una velocidad de 1 mm/s, operando un micrómetro de etapa x con un motor paso a paso; las muestras de vidrio en la platina x se movieron contra puntas de escritura fijas. Para reducir la influencia de la vibración del dispositivo en la observación, la prueba se realizó a una velocidad de 1 mm/s, que es más lenta que las pruebas de movimiento alternativo.

La Tabla 1 muestra los parámetros superficiales de las superficies de vidrio utilizadas como muestras de superficie de escritura. La Figura 1 muestra imágenes de observación de ejemplo de vidrio plano y cada tono (altura: 21,6–23 nm). La formación de formas cóncavo-convexas continuas y uniformes se puede ver en las superficies de vidrio texturizado. Además, todo el vidrio procesado permaneció transparente32. En todos los tonos, Sa tiende a aumentar con el aumento de la altura entre las partes convexa y cóncava debido a la mayor tasa de colisión de las partículas de alúmina en cada punto. Estos aumentos en la Sa y la altura se basaron en la velocidad de alimentación de la boquilla de inyección del procesamiento de micro-slurry-jet; es decir, a menor velocidad de alimentación, más rugosa la Sa y mayor la altura de las formas convexa y cóncava.

Imágenes de superficies de vidrio consideradas como muestras de superficie de escritura (vidrio plano, paso de 500 μm, 750 μm y 1000 μm).

La figura 2 muestra los resultados experimentales de las pruebas de fricción recíproca. Las mediciones de fricción para los dos tipos de puntas y las diversas superficies se realizaron dos o tres veces, y se registró el coeficiente de fricción medio después de los ciclos 5 (Fig. 2a y c) y 95 (Fig. 2b y d)28. Para la punta de elastómero, la fricción aumentó con el número de ciclos alternativos para todas las muestras (Fig. 2a y b). Estos resultados indican daños en el elastómero; la presencia de elastómero transferido en la superficie del vidrio puede aumentar la fricción con el número de ciclos alternativos33,34,35. Para la punta de poliacetal, la fricción tendió a disminuir marginalmente con el número de ciclos alternativos (Fig. 2c y d). La misma tendencia se observó en todas las superficies de vidrio; por lo tanto, se considera que la formación de una capa de poliacetal transferido sobre las superficies de vidrio contribuye a la reducción del coeficiente de fricción36,37,38,39. Además, las propiedades de la superficie y el contacto real en el nivel de aspereza de las superficies de vidrio son cruciales para los comportamientos de fricción de las puntas de escritura y las superficies de vidrio. Las asperezas de tamaño nanométrico en las superficies de vidrio influyen en la fricción, lo que lleva a diferentes comportamientos de fricción del elastómero y el poliacetal. Además, debido a que la rugosidad de la superficie de cada punta de escritura era mucho mayor que la aspereza de tamaño nanométrico en las superficies de vidrio, las dimensiones de la aspereza de tamaño nanométrico tenían poco efecto sobre la fricción28. Las distinciones entre los comportamientos de fricción entre los pasos son evidentes en la Fig. 2. En el elastómero (Fig. 2a yb), el coeficiente de fricción de la superficie plana de vidrio fue el más alto debido a la alta fuerza de adhesión del elastómero40,41. La inducción de texturas superficiales en la superficie plana de vidrio dio como resultado una disminución en el coeficiente de fricción de todas las superficies texturizadas debido a la reducción del área de contacto entre el elastómero y las superficies de vidrio. Es decir, se puede considerar que la cantidad de fricción adhesiva disminuyó debido a la disminución del área de contacto por aspereza de tamaño nanométrico y textura de tamaño submilimétrico a milimétrico28,42. Los coeficientes de fricción de los pasos de 750 μm disminuyeron drásticamente con un aumento en la altura de las formas convexas y cóncavas. La reducción en los coeficientes de fricción de los pasos de 1000 μm fue la más lenta entre los tres pasos. Los coeficientes de fricción de los pasos de 500 μm mostraron un comportamiento intermedio. Estos resultados pueden interpretarse a partir de la relación entre el diámetro del área de contacto de la punta de elastómero (aproximadamente 850 μm) y las superficies de vidrio28. Los pasos de 750 μm son más pequeños y más cercanos al diámetro del área de contacto (850 μm), lo que podría tener un papel importante en la reducción del área de contacto aparente entre el elastómero y las superficies de vidrio. En cambio, en el caso de los pasos de 1000 μm, el elastómero puede llegar fácilmente a la parte cóncava de la textura porque el tamaño del paso es mayor que el diámetro del área de contacto; por lo tanto, la reducción en el área de contacto aparente es insignificante. En el caso de los pasos de 500 μm, aunque el efecto del área de contacto aparente fue menor que en los pasos de 750 μm, se puede obtener un coeficiente de fricción similar a medida que aumenta la altura del convexo y el cóncavo (~ aproximadamente 20 nm). Cuando la altura de los convexos y cóncavos es mayor o igual a 20 nm, el coeficiente de fricción tiende a aumentar. Este aumento del coeficiente de rozamiento a mayor altura puede deberse al rozamiento por deformación resultante de la deformación elástica al entrar el elastómero en la parte cóncava42,43,44,45. Se supone que el equilibrio del coeficiente de fricción alrededor de 20 nm de altura entre pasos de 500 y 750 μm depende del grado de fricción de deformación, lo que implica que es más fácil que el elastómero entre en las partes cóncavas de los pasos de 750 μm. En pasos de 1000 μm, es más probable que el elastómero entre en las partes cóncavas que en otros pasos, por lo que la reducción del coeficiente de fricción fue gradual. En el caso del poliacetal (Fig. 2c y d), el coeficiente de fricción del vidrio plano fue el más bajo entre las superficies de vidrio debido a la baja fricción adhesiva del poliacetal. Como la aspereza de tamaño nanométrico causó fricción abrasiva en las superficies, el coeficiente de fricción de las superficies de vidrio texturizado aumentó en comparación con el de vidrio plano46,47,48. En todos los pasos, una mayor altura tiende a corresponder a un menor coeficiente de fricción. No hubo diferencia significativa en los comportamientos de fricción entre los lanzamientos. En un estudio anterior, se determinó que el diámetro del área de contacto de la punta de poliacetal y las superficies de vidrio era de aproximadamente 180 μm28. Por lo tanto, la punta de poliacetal podía alcanzar las partes cóncavas de la textura ya que todos los tamaños de paso eran mayores que el área de contacto. Sin embargo, cuando el tamaño del paso es grande (1000 μm), es más fácil que la punta de poliacetal entre en las partes cóncavas. Por lo tanto, los coeficientes de fricción de los pasos de 1000 μm fueron ligeramente superiores a los de otros pasos. Cuando la altura de los convexos y cóncavos es mayor, se supone que, durante los movimientos de deslizamiento, la punta de poliacetal no puede alcanzar el fondo de las partes cóncavas de todos los pasos. En consecuencia, se reduce el área de contacto entre el poliacetal y las superficies de vidrio y esto contribuye a una disminución del coeficiente de fricción de las superficies de vidrio texturizado.

Relación entre el coeficiente de fricción y la altura convexa-cóncava en las superficies de vidrio para las puntas de elastómero y poliacetal. (a) Elastómero después de 5 ciclos; (b) Elastómero después de 95 ciclos; (c) Poliacetal después de 5 ciclos, (d) Poliacetal después de 95 ciclos.

Para investigar la influencia de la fricción de deformación en el elastómero cuando la altura del convexo y el cóncavo es grande, la carga aplicada en la prueba de movimiento alternativo en pasos de 750 μm se cambió de 1,96 N a 0,98 N. Se espera que una carga aplicada más pequeña reduzca la cantidad de deformación del elastómero en las partes cóncavas. La figura 3a muestra el resultado experimental (el coeficiente de fricción de los ciclos 95) con cargas aplicadas de 1,96 N y 0,98 N de carga para los pasos de 750 μm. Aunque el comportamiento del rozamiento bajo 1,96 N y 0,98 N hasta aproximadamente 22 nm de altura fue similar, se observó una diferencia alrededor de los 35 nm de altura. Cuando la carga aplicada fue de 0,98 N, el coeficiente de fricción no aumentó incluso a una gran altura de las partes convexas y cóncavas debido a la reducción de la fricción por deformación. En consecuencia, se sugiere aumentar la altura de las partes convexas y cóncavas para aumentar la fricción de deformación provocada por la entrada de la punta de escritura en las partes cóncavas (Fig. 3b). Los comportamientos de fricción se determinaron a partir de los resultados de la medición de fricción y los factores geométricos debido al contacto entre las superficies de vidrio y las puntas de escritura. Para comprender estos comportamientos, las fricciones deben interpretarse sobre la base del mecanismo de contacto entre las superficies de vidrio y las puntas de escritura. Aunque las teorías fundamentales de la mecánica de contacto basadas en el área de contacto real se han desarrollado en detalle49,50,51,52,53, el estado de contacto entre el vidrio, que contiene dos tipos de superficies rugosas con valores de rugosidad considerablemente diferentes, y la punta de escritura con superficies rugosas debe tenerse en cuenta en este estudio. Por lo tanto, en el futuro, planeamos determinar el mecanismo del fenómeno sobre una base científica, a través de la mecánica de contacto.

Diferencia en el comportamiento de fricción en pasos de 750 μm bajo las cargas de 1.96 N y 0.98 N. (a) Relación entre el coeficiente de fricción y la altura convexa-cóncava en las superficies de vidrio para el elastómero bajo 1.96 N y 0.98 N de carga. (b) Imágenes de diferencia en la cantidad de deformación bajo 1,96 N y 0,98 N de carga.

Para examinar la relación entre los cambios en el coeficiente de fricción y la textura de tamaño submilimétrico a milimétrico, la observación de los comportamientos en la región de contacto durante los movimientos de deslizamiento es crucial. Sin embargo, una observación de los cambios diminutos en la región de contacto es difícil porque la altura del convexo y el cóncavo es bastante baja (~ 50 nm). Por lo tanto, las observaciones durante los movimientos de deslizamiento se realizaron utilizando una muestra con una altura mejorada (~ 1463 nm) y un patrón de rayas con un espacio de 500 μm; las superficies de vidrio se movieron en una dirección perpendicular al patrón de rayas contra las puntas de escritura fijas (Fig. 4a). Las figuras 4b,c y 5a,b y los videos complementarios 1 y 2 muestran los resultados de la observación de la superficie con textura de rayas (figuras 4b, 5a) y la superficie de vidrio plano (figuras 4c, 5b) en elastómero y poliacetal. De una grabación en video de la observación, se extrajo una imagen cada 0,25 s para elastómero (Fig. 4b y c: (A)–(F)) y cada 0,10 s para poliacetal (Fig. 5a y b: (A)–( J)). Para la superficie texturizada en el elastómero (Fig. 4b), el cambio en la forma en la parte de contacto fue significativamente pequeño y se pudo confirmar el cambio regular en la parte de contacto (fluctuaciones entre las partes de contacto y sin contacto en la parte de contacto). . Las fluctuaciones son cambios en los que la parte de contacto se vuelve más pequeña, más grande, aparece o desaparece (las partes indicadas por las flechas naranjas) y se pueden observar en un ciclo de 0,5 s (Fig. 4b). Además, las fluctuaciones parecen moverse en contra de la dirección de deslizamiento de la punta de elastómero. Los 0,5 s corresponden al ciclo moviéndose 0,5 mm a una velocidad de 1 mm/s (velocidad de deslizamiento de la punta de escritura). Por lo tanto, estas fluctuaciones pueden indicar las partes sin contacto del elastómero por encima de las partes cóncavas de la superficie del vidrio. Estas fluctuaciones se pueden ver claramente en el video. Por el contrario, para la superficie de vidrio plana en el elastómero (Fig. 4c), no se observó un cambio regular en la parte de contacto. Se confirmó un cambio gradual en la forma en la parte de contacto y un desplazamiento hacia el lado izquierdo; esto se puede atribuir a la alta adherencia del elastómero (se confirma el cambio de la línea de puntos roja). La figura 6 muestra una imagen de la pieza de contacto entre la punta de elastómero y el convexo y el cóncavo. Cuando la punta de escritura está en contacto con la parte convexa, se genera una tensión de compresión cerca de la pendiente de la parte convexa de la punta de escritura. Una vez que la punta de escritura se aleja de la parte convexa, la tensión de compresión generada se libera y las partes sin contacto se enfatizan en las imágenes de observación. En este estudio, aunque solo se observaron claramente las partes sin contacto próximas al área liberada del esfuerzo de compresión, se considera que las partes cóncavas no estaban en contacto con la punta de escritura. Para el poliacetal, la fluctuación del ciclo de 0,50 s se pudo observar claramente en la superficie texturizada en comparación con la superficie de vidrio plano (Fig. 5a y b). En la superficie texturizada, se puede observar claramente que la forma de la parte de contacto corresponde a la de 0,50 s. Dado que el poliacetal es un material más duro que el elastómero, es difícil absorber las fluctuaciones de la vibración; por lo tanto, la observación de la liberación de la tensión de compresión es más fácil. Los resultados de la observación del patrón en forma de celosía (paso: 500 μm, Altura: 560 nm (Fig. 7a) para el elastómero se muestran en la Fig. 7b y el Video complementario 3. La Figura 7c muestra una condición de contacto entre la punta del elastómero y el convexo partes de la superficie texturizada. Se observaron fluctuaciones similares de ciclos de 0,50 s en algunas partes de la parte de contacto. Estas partes de fluctuación corresponden a las partes convexas (Fig. 7c). Las fluctuaciones se observaron principalmente dentro del rango de la línea de puntos azul que coincide con la parte convexa en la Fig. 7c (las partes indicadas por las flechas naranjas en la Fig. 7b). Por lo tanto, se sugiere que las partes sin contacto de la punta del elastómero existen después de pasar por las partes convexas. Aunque estas observaciones fueron realizado en superficies texturizadas con altura mejorada para enfatizar el fenómeno, creemos que un comportamiento similar cerca de las partes convexas ocurre a una altura baja de las formas convexas y cóncavas.

( a ) Patrón de rayas con un espacio de 500 μm y 1463 nm de altura y dirección de deslizamiento de las puntas de escritura. (b), (c) Observaciones del área de contacto entre el elastómero y las superficies de vidrio durante el movimiento deslizante ((b) Patrón de franjas con un espaciado de 0,5 mm y 1463 nm, (c) vidrio plano), e ilustración de la relación entre el elastómero y cada superficie de vidrio.

Observaciones del área de contacto entre el poliacetal y las superficies de vidrio durante el movimiento deslizante ((a) patrón de rayas con espaciado de 0,5 mm y 1463 nm, (b) vidrio plano), e ilustración de la relación entre el poliacetal y cada superficie de vidrio.

Ilustración de las partes sin contacto enfatizadas después de ser liberadas de la tensión de compresión cerca de las partes convexas del elastómero.

( a ) Patrón en forma de celosía con un espacio de 500 μm y 560 nm de altura y dirección de deslizamiento de las puntas de escritura. ( b ) Observaciones del área de contacto entre el elastómero y las superficies de vidrio estampadas en forma de celosía durante el movimiento deslizante (paso: 500 μm, altura: 560 nm). ( c ) Observación de la parte de contacto antes y después de presionar el elastómero sobre la superficie de vidrio estampada en forma de celosía (paso: 500 μm, altura: 560 nm). El patrón en forma de celosía se puede observar antes de presionar el elastómero sobre la superficie del vidrio.

La inducción de dos tipos de rugosidad superficial en la superficie del vidrio tiene un efecto interesante sobre las características de fricción. En particular, este estudio mostró que el coeficiente de fricción se puede modificar controlando el tamaño de la textura de tamaño submilimétrico a milimétrico después de comprender el papel de cada aspereza. El control de las características de ficción demostrado en este estudio puede abrir nuevas vías en varios campos además de mejorar la experiencia del usuario de los dispositivos de entrada de lápiz.

Investigamos el comportamiento de fricción de materiales elásticos en superficies de vidrio texturizado a través de pruebas de fricción recíproca. Estas pruebas se realizaron utilizando dos tipos de puntas de escritura (elastómero y poliacetal) y superficies de vidrio texturizado preparadas mediante tecnología de microchorro de suspensión. Las superficies de vidrio texturizado tienen una textura de tamaño submilimétrico a milimétrico y una rugosidad fina a escala nanométrica, lo que da como resultado una diferencia de comportamiento de fricción que surge de las fricciones adhesivas, abrasivas y de deformación. En este estudio, nos enfocamos específicamente en la altura y el tamaño de paso de la textura de tamaño submilimétrico a milimétrico, que puede afectar las características de fricción. Observamos las diferencias en la influencia de la altura y el tamaño de paso de superficies cóncavas-convexas de tamaño submilimétrico a milimétrico en los comportamientos de fricción. Las conclusiones significativas son:

Para el elastómero, la relación entre el área de contacto aparente de la punta de escritura y las superficies cóncavo-convexas para la reducción del coeficiente de fricción: cuando el tamaño del paso es menor que el diámetro de la parte de contacto, el coeficiente de fricción tiende a disminuir con respecto a la altura del cóncavo-convexo. Cuando el tamaño del paso es mayor que eso, la reducción en el coeficiente de fricción disminuye y se requiere una altura mayor del cóncavo-convexo para reducir el coeficiente de fricción.

El aumento en el coeficiente de fricción a mayor altura del cóncavo-convexo (paso: 750 μm, altura: 35 nm) se debe a la fricción de deformación causada por la entrada de la punta de escritura en las partes cóncavas.

Para el poliacetal, como el área de contacto entre la punta de escritura y las superficies cóncavo-convexas es menor que todos los pasos, la contribución del tamaño del paso es pequeña. Cuando el tamaño del paso es mucho mayor que el área de contacto (1000 μm), la punta de escritura es más susceptible a la fricción abrasiva en asperezas de tamaño nanométrico y tiene un coeficiente de fricción más alto que otros pasos (500 μm y 750 μm).

Se podría obtener una pista sobre la existencia de la parte sin contacto inmediatamente después de pasar por las partes convexas a partir de las observaciones de la parte de contacto durante los movimientos deslizantes.

Esperamos que nuestros hallazgos puedan acelerar el desarrollo para mejorar la experiencia del usuario de los dispositivos de entrada de lápiz.

Los conjuntos de datos generados y analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Este trabajo fue apoyado por el Programa de Transferencia de Tecnología Adaptable y Sin Costuras a través de I+D impulsada por objetivos (A-STEP) de la Agencia de Ciencia y Tecnología de Japón (JST) [Número de subvención JPMJTM20SK].

Grupo de investigación y desarrollo, Nippon Electric Glass Co., Ltd., 2-7-1 Seiran, Otsu, Shiga, 520-8639, Japón

Naoki Fujita, Takumi Kinoshita, Masaru Iwao y Noriaki Masuda

Escuela de posgrado en ciencia y tecnología, Universidad de Kumamoto, 2-39-1 Kurokami, Chuo-ku, Kumamoto, 860-8555, Japón

naoki fujita

Facultad de Ciencia y Tecnología Avanzadas, Universidad de Kumamoto, 2-39-1 Kurokami, Chuo-ku, Kumamoto, 860-8555, Japón

Yoshitaka Nakanishi

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NF propuso la investigación y diseñó los experimentos. TK realizó los experimentos. NF escribió el borrador del manuscrito. MI, NM y YN revisaron el manuscrito y supervisaron el trabajo.

Correspondencia a Naoki Fujita.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Fujita, N., Kinoshita, T., Iwao, M. et al. Control de fricción de materiales elásticos sobre vidrio mediante superficies texturizadas. Informe científico 12, 15423 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19338-7

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Recibido: 04 julio 2022

Aceptado: 29 de agosto de 2022

Publicado: 14 septiembre 2022

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

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