【正文】 /絕緣體副，也獲得了類似的電控摩擦效果。以上實(shí)驗(yàn)中施加極高的電壓才能獲得電控摩擦效果，并且實(shí)驗(yàn)的溫度范圍均在－ 5176。C 至－ 30176。C 之間。他們認(rèn)為實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)電控摩擦結(jié)果的原因很可能是靜電壓力和電場(chǎng)誘導(dǎo)的冰 /金屬間接觸面積增加。 電控摩擦研究現(xiàn)狀的總結(jié) 以上逐一詳細(xì)地介紹了以往的電控摩擦研究，從潤(rùn)滑條件、摩擦副材料、加電 方式以及電控摩擦機(jī)理等方面對(duì)相關(guān)的電控摩擦研究進(jìn)行了總結(jié)。從潤(rùn)滑條件來(lái)看，大部分電控摩擦研究中使用了潤(rùn)滑介質(zhì)，而其中以水基潤(rùn)滑液為主 [117]，也有以非水溶液作潤(rùn)滑液的 [1826]，其中的少數(shù)研究還采用了固體膜潤(rùn)滑 [27, 28]；還有一些電控摩擦研究是在干摩擦條件下進(jìn)行的 [2931]。從摩擦副材料來(lái)看，在以往的電控摩擦研究中以金屬 /金屬副居多 [923, 25, 26 , 29]，其次是金屬 /陶瓷副 [18]，還有少量研究是基于金屬 /電介質(zhì)副、電介質(zhì) /電介質(zhì)副 [30, 31]。從加電方式來(lái)看，導(dǎo)電介 質(zhì)基本上都是潤(rùn)滑介質(zhì) [118, 21, 22, 2426]，工作電極大多為摩擦副金屬件，而對(duì)于對(duì)電極，有的研究中以摩擦副試件作為對(duì)電極，但相當(dāng)多的研究采用了獨(dú)立的惰性材料對(duì)電極 [117, 2426]。從電控摩擦機(jī)理來(lái)看，一些電控摩擦研究是從電化學(xué)反應(yīng)的角度來(lái)解釋電控摩擦機(jī)理的，有的研究中的電控摩擦機(jī)理主要考慮的是潤(rùn)滑膜吸脫附狀態(tài)的變化以及分子結(jié)構(gòu)的改變，還有的電控摩擦研究嘗試從摩擦界面的粘附能、剪切強(qiáng)度、雙電層斥力、靜電壓力等角度來(lái)解釋電控摩擦機(jī)理?？傊?，有關(guān)電控摩擦機(jī)理的論述涉及到物理、化學(xué)、電化 學(xué)等因素，針對(duì)不同的電控摩擦體系，起主導(dǎo)作用的電控摩擦機(jī)理存在差異。 對(duì)于一個(gè)具體的摩擦系統(tǒng)，其摩擦特性決定于摩擦副界面的物理化學(xué)性質(zhì)和潤(rùn)滑條件，因此，電控摩擦的機(jī)制必然是通過(guò)對(duì)摩擦界面及其潤(rùn)滑介質(zhì)的結(jié)構(gòu)或狀態(tài)進(jìn)行可控調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于水溶液潤(rùn)滑體系，電控摩擦機(jī)理與電化學(xué)反應(yīng)、潤(rùn)滑膜吸脫附、雙電層斥力有關(guān)，其主導(dǎo)因素可以是唯一的，也可能是多元的，這取決于特定的電控摩擦體系。某些水溶液潤(rùn)滑體系中電控摩擦的主導(dǎo)因素為潤(rùn)滑膜的吸脫附 [1, 2, 7, 8, 11, 12]，而某些水溶液潤(rùn)滑體系中電化學(xué)反應(yīng)是電控摩 擦的主導(dǎo)因素 [3, 4, 10]，有的以雙電層斥力為主導(dǎo) [16, 17]，還有的是電化學(xué)反應(yīng)與潤(rùn)滑膜吸脫附共同主導(dǎo) [5, 6, 9]，有的則是電化學(xué)反應(yīng)與雙電層斥力共同主導(dǎo) [14, 15]。 非水溶液潤(rùn)滑體系的電控摩擦機(jī)理與電化學(xué)反應(yīng)、粘附能變化、潤(rùn)滑膜結(jié)構(gòu)改變、潤(rùn)滑膜狀態(tài)改變等相關(guān)。在一些非水溶液潤(rùn)滑體系中，電控摩擦的主導(dǎo)因素是電化學(xué)反應(yīng) [21, 22, 2426]，有的非水溶液潤(rùn)滑體系中電控摩擦的主導(dǎo)因素為粘附能變化 [20]，而有的以潤(rùn)滑膜結(jié)構(gòu)改變?yōu)橹鲗?dǎo)因素 [23]，還有的則是電化學(xué)反應(yīng)及潤(rùn)滑膜狀態(tài)改 變共同主導(dǎo) [18]。 固體膜潤(rùn)滑體系的電控摩擦機(jī)理與靜電壓力 [27]、粘附力 [28]有關(guān)。對(duì)于干摩擦體系，其電控摩擦機(jī)理與電化學(xué)氧化 [29]、靜電壓力 [30, 31]有關(guān)。 在以往的電控摩擦研究中，為了深入探索電控摩擦的機(jī)理，研究人員使用了電化學(xué)方法、光譜法、顯微技術(shù)、微天平技術(shù)等檢測(cè)手段，這些檢測(cè)手段主要包括伏安法 [4, 6, 14, 15, 25, 26]、阻抗譜[8, 11, 14, 15, 25, 26]、紅外光譜 [14, 15]、拉曼光譜 [6]、電化學(xué)原子力顯微技術(shù)（ ECAFM） [8]、電化學(xué)石英晶振微天平技術(shù)（ ECQCM） [8]等。 通過(guò)伏安法可判斷在電位掃描區(qū)間內(nèi)電極 /溶液界面處是否發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，并可確定工作電極表面上未發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的電化學(xué)穩(wěn)定窗口。阻抗譜測(cè)試可獲得電極 溶液體系的等效電路，且可以得到反映電極表面上吸附膜狀態(tài)的微分電容 電位曲線。光譜檢測(cè)可獲得電極 /溶液界面處吸附膜的分子水平狀態(tài)信息，包括分子組成和分子排列等。原子力顯微鏡（ AFM）廣泛應(yīng)用于固體薄膜原子級(jí)成像、界面吸附層表征等檢測(cè)領(lǐng)域 [3237]， AFM 與電化學(xué)方法結(jié)合的ECAFM 技術(shù)則可檢測(cè)不同電位下電極表面上吸附膜 的形貌變化。石英晶振微天平（ QCM）非常文獻(xiàn)綜述與選題報(bào)告 姓名： 陽(yáng)小勇 導(dǎo)師：孟永鋼 5 適合于研究固 /液界面或固 /氣界面的吸附行為 [3743]，而運(yùn)用 QCM 與電化學(xué)方法相結(jié)合的 ECQCM技術(shù)則可以對(duì)不同電位下電極表面上吸附膜的質(zhì)量變化進(jìn)行檢測(cè)。 電控摩擦研究中的 問(wèn)題 目前電控摩擦研究存在的主要問(wèn)題有：大部分電控摩擦研究針對(duì)的都是水溶液潤(rùn)滑體系，對(duì)非水溶液中的電控摩擦研究還處于起步階段；迄今為止在公開(kāi)的電控摩擦文獻(xiàn)中，基于潤(rùn)滑液的電控摩擦研究均采用潤(rùn)滑介質(zhì)作為導(dǎo)電介質(zhì)，一方面使導(dǎo)電介質(zhì)的電導(dǎo)率受到潤(rùn)滑介質(zhì)本身物理屬性的限制，導(dǎo)致低電導(dǎo)率非水溶液中的電控摩 擦效果很差，另一方面使水溶液潤(rùn)滑的金屬摩擦副試件在電控摩擦中極易被腐蝕；很多電控摩擦研究對(duì)于電控摩擦機(jī)理的解釋尚處于定性和猜測(cè)的水平，缺少實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和描述電控摩擦規(guī)律的定量模型，沒(méi)有明確界定電極電位、電極電流、電極表面電荷密度與摩擦系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系；幾乎所有電控摩擦研究都是在宏觀尺度摩擦范圍內(nèi)展開(kāi)的，忽視了微觀尺度摩擦在電控摩擦機(jī)理研究中的作用，在微觀尺度摩擦條件下，范德華力、雙電層斥力對(duì)摩擦副有效法向力的貢獻(xiàn)將不能忽略，故基于微觀尺度摩擦的電控摩擦機(jī)理需全面考慮潤(rùn)滑膜的電位依賴特性、雙電層斥力等因素，并因 此具有普適性；對(duì)電控摩擦機(jī)理的探討缺少有效的表征手段，特別是缺乏科學(xué)可靠的原位檢測(cè)手段，以考察摩擦副界面在電控摩擦過(guò)程中所經(jīng)歷的物理、化學(xué)或電化學(xué)變化。 基于以上對(duì)電控摩擦研究現(xiàn)狀的分析以及對(duì)存在的問(wèn)題的總結(jié)，我們認(rèn)為電控摩擦研究在潤(rùn)滑介質(zhì)、導(dǎo)電介質(zhì)、電控摩擦機(jī)理、摩擦體系和檢測(cè)手段等方面均可以有所突破。通過(guò)各種檢測(cè)手段的相互佐證，并且借助原位的檢測(cè)手段，有望真正揭示電控摩擦的機(jī)理，并真正建立電極電位、電極電流、電極表面電荷密度與摩擦系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。在全面掌握電控摩擦規(guī)律和機(jī)理的基礎(chǔ)上，有望使電控摩擦技 術(shù)產(chǎn)業(yè)化。 2 電控摩擦研究的 發(fā)展趨勢(shì) 電控摩擦研究興起于 20世紀(jì) 60、 70年代 [16, 17]，并在 20 世紀(jì) 90年代得到了長(zhǎng)足的發(fā)展 [1115, 2025, 2830]，進(jìn)入 21 世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)的電控摩擦研究逐漸展開(kāi) [210, 18, 19]。上文已經(jīng)針對(duì)電控摩擦研究的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)論述，本節(jié)將從潤(rùn)滑介質(zhì)、導(dǎo)電介質(zhì)、電控摩擦機(jī)理、摩擦體系和檢測(cè)手段等方面具體闡述電控摩擦研究的發(fā)展趨勢(shì)。 在潤(rùn)滑介質(zhì)方面，基于非水溶液潤(rùn)滑的電控摩擦研究是一個(gè)比較新穎且具有廣泛應(yīng)用背景的課題。由于金屬摩擦副在水 溶液中易于電化學(xué)腐蝕，故水基潤(rùn)滑的使用具有很大局限性，并使得水溶液中的電控摩擦研究的應(yīng)用前景受到影響。工程實(shí)踐中經(jīng)常采用非水溶液作為潤(rùn)滑液，因而基于非水溶液潤(rùn)滑的電控摩擦研究在技術(shù)應(yīng)用方面更有現(xiàn)實(shí)意義。以往基于非水溶液的電控摩擦研究在機(jī)理認(rèn)識(shí)方面還不成熟，且對(duì)電控摩擦的響應(yīng)速度缺少研究，故基于非水溶液潤(rùn)滑的電控摩擦研究是十分必要的。 在導(dǎo)電介質(zhì)方面，將導(dǎo)電介質(zhì)從潤(rùn)滑介質(zhì)中獨(dú)立出來(lái)是一種全新的思路。在以往的基于潤(rùn)滑液的電控摩擦研究中，潤(rùn)滑介質(zhì)既對(duì)摩擦界面起潤(rùn)滑作用，又充當(dāng)導(dǎo)電介質(zhì)，這就要求潤(rùn)滑介質(zhì)具備較高的電 導(dǎo)率，才能獲得較好的電控摩擦效果。然而，以電導(dǎo)率較高的潤(rùn)滑介質(zhì)作導(dǎo)電介質(zhì)時(shí)，金屬試件摩擦表面在電控摩擦過(guò)程中容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕。因此，采用潤(rùn)滑介質(zhì)作為導(dǎo)電介質(zhì)不是很好的選擇。若采用獨(dú)立的電解液或固態(tài)電解質(zhì) [4448]作為導(dǎo)電介質(zhì)，則可以在獲得較好電控摩擦效果的同時(shí)，避免金屬試件摩擦表面的電化學(xué)腐蝕，并且對(duì)潤(rùn)滑介質(zhì)的電導(dǎo)率也沒(méi)有要求，從而使適合于電控摩擦的潤(rùn)滑介質(zhì)種類得到擴(kuò)充。 在電控摩擦機(jī)理方面，建立電極電位、電極電流、電極表面電荷密度與摩擦系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，這是電控摩擦研究的一個(gè)任務(wù)。以往的電控摩擦研 究對(duì)電極電位、電極電流、電極表面電荷密度及摩擦系數(shù)相互之間的內(nèi)在聯(lián)系缺少深入認(rèn)識(shí)和全面理解，所以有必要進(jìn)一步探索這幾個(gè)物理量之間最本質(zhì)的聯(lián)系，并建立準(zhǔn)確的函數(shù)關(guān)系。 文獻(xiàn)綜述與選題報(bào)告 姓名： 陽(yáng)小勇 導(dǎo)師：孟永鋼 6 在摩擦體系方面，基于微觀尺度摩擦的電控摩擦研究是一個(gè)較新的課題。以往基于宏觀尺度摩擦的電控摩擦研究中，摩擦界面的雙電層斥力是可以忽略的，但在基于微觀尺度摩擦的電控摩擦研究中，摩擦界面的雙電層斥力不能忽略，因此，基于微觀尺度摩擦的電控摩擦研究有助于全面理解電控摩擦機(jī)理。 在檢測(cè)手段方面，采用多種檢測(cè)手段相互佐證，并實(shí)現(xiàn)原位的檢測(cè)技術(shù)，這是電控摩擦 研究取得突破的必要條件。這些檢測(cè)手段包括阻抗譜、橢圓偏振光儀 [4143, 4957]、原子力顯微鏡（ AFM）、掃描隧道顯微鏡（ STM） [5863]、石英晶振微天平（ QCM）等。 在以往電控摩擦研究成果的基礎(chǔ)之上，并針對(duì)存在的問(wèn)題與不足，我們提出“基于非水溶液潤(rùn)滑的電控摩擦實(shí)驗(yàn)與理論研究”的課題。選擇該課題也是基于對(duì)電控摩擦研究發(fā)展趨勢(shì)的考慮，本課題的工作將促進(jìn)電控摩擦研究的發(fā)展，并推動(dòng)電控摩擦技術(shù)的成果轉(zhuǎn)化。本課題的研究?jī)?nèi)容主要有以下幾個(gè)方面：基于非水溶液和水溶液的電控摩擦比較研究，采用獨(dú)立導(dǎo)電介質(zhì)的 電控摩擦實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)合多種檢測(cè)技術(shù)的電控摩擦機(jī)理研究，基于微觀尺度摩擦的電控摩擦理論研究。本課題的主要研究目標(biāo)如下：實(shí)現(xiàn)電控摩擦過(guò)程中針對(duì)潤(rùn)滑膜狀態(tài)的原位檢測(cè)技術(shù)，澄清基于非水溶液潤(rùn)滑的電控摩擦機(jī)理，提高基于非水溶液潤(rùn)滑的電控摩擦效果，探討基于微觀尺度摩擦的電控摩擦機(jī)理。 3 課題方案與計(jì)劃 課題 整體方案與 具體 技術(shù)路線 本課題電控摩擦研究主要圍繞含有帶電有機(jī)鏈的非水基潤(rùn)滑液展開(kāi)，在課題研究中作潤(rùn)滑用的非水溶液主要采用碳酸烯酯類溶液、醇類溶液，而溶液中的溶質(zhì)主要采用表面活性劑、脂肪酸及衍生物兩類。表面活性劑、脂肪 酸及衍生物廣泛應(yīng)用于工業(yè)潤(rùn)滑領(lǐng)域，而碳酸烯酯類中的碳酸丙烯酯（ PC）、醇類中的乙醇都是良好的極性有機(jī)溶劑。因此，本課題針對(duì)以上選定的非水基潤(rùn)滑液進(jìn)行電控摩擦研究是具有應(yīng)用價(jià)值的，并且在保證課題具有一定普遍性的同時(shí)可以深入透徹地研究電控摩擦機(jī)理。 以往基于非水溶液的一些電控摩擦研究 [21, 22, 2426]表明，電化學(xué)反應(yīng)在電控摩擦中起主導(dǎo)作用，在電控摩擦過(guò)程中金屬試件摩擦表面的電化學(xué)腐蝕不可避免。幸運(yùn)的是，孟永鋼、賀四清在基于水溶液的電控摩擦研究 [7, 8]中發(fā)現(xiàn)，控制電極電位處于電化學(xué)穩(wěn)定窗口內(nèi)也可以 產(chǎn)生電控摩擦效果，即電化學(xué)反應(yīng)不是電控摩擦的必要條件。這便啟示我們，在基于非水溶液的電控摩擦研究中，也有可能實(shí)現(xiàn)電化學(xué)穩(wěn)定窗口內(nèi)的電控摩擦。本課題基于非水溶液潤(rùn)滑的電控摩擦研究正是要實(shí)現(xiàn)電化學(xué)穩(wěn)定窗口內(nèi)的電控摩擦，以保護(hù)金屬摩擦試件免遭電化學(xué)腐蝕。 若以非水基潤(rùn)滑液作導(dǎo)電介質(zhì)，那么它的電導(dǎo)率是影響電控摩擦效果的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。非水基潤(rùn)滑液的最大電導(dǎo)率由其溶劑的極性和溶質(zhì)的解離度、離子間的相互作用決定，不幸的是，很多非水基潤(rùn)滑液的電導(dǎo)率都很低。為了提高非水基潤(rùn)滑液的電導(dǎo)率，往往需要添加一些支持電解質(zhì) [25, 26]。本課題獨(dú)辟蹊徑，采用獨(dú)立的具有高離子電導(dǎo)率的導(dǎo)電介質(zhì)，包括固態(tài)聚合物電解質(zhì)（ SPE）及電解液，而使?jié)櫥褐黄饾?rùn)滑作用。使用獨(dú)立的導(dǎo)電介質(zhì)，一方面可提高基于非水溶液潤(rùn)滑的電控摩擦效果，另一方面也可以進(jìn)一步澄清電控摩擦機(jī)理。 在電化學(xué)穩(wěn)定窗口內(nèi)的電控摩擦機(jī)理與潤(rùn)滑膜狀態(tài)的電位依賴特性有關(guān)，表征潤(rùn)滑膜狀態(tài)隨電極電位變化的檢測(cè)技術(shù)主要有光學(xué)檢測(cè)、電化學(xué)檢測(cè)以及微天平檢測(cè)等手段。橢圓偏振光檢測(cè)技術(shù)可表征固 /液界面的吸附行為，其分辨率可達(dá) 。與電化學(xué)方法結(jié)合的橢圓偏振光術(shù)能檢測(cè)電極 /溶液界面吸附膜厚度隨電 極電位的變化，而電化學(xué)阻抗譜測(cè)試可得到界面電容 電極電位曲線。本課題結(jié)合電化學(xué)橢圓偏振術(shù)與阻抗譜檢測(cè)，共同表征潤(rùn)滑膜狀態(tài)隨電極電位的變化。另外，本課題還利用電化學(xué)石英晶振微天平（ ECQCM）技術(shù)檢測(cè)潤(rùn)滑膜質(zhì)量隨電極電位的變化。此外，本課題利用電流積分技術(shù)，將雙電層電流與法拉第電流分開(kāi)，從而得到電極表面電荷密度文獻(xiàn)綜述與選題報(bào)告 姓名： 陽(yáng)小勇 導(dǎo)師：孟永鋼 7 與電極電位之間的定量關(guān)系。本課題綜合運(yùn)用以上各種檢測(cè)手段，通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法建立電極電位、電極電流、電極表面電荷密度與潤(rùn)滑膜狀態(tài)之間的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而揭示電控摩擦內(nèi)在機(jī)理。 基于宏觀尺度摩擦的電控摩擦研究只需關(guān) 注潤(rùn)滑膜狀態(tài)的電位依賴特性，因?yàn)楹暧^尺度下摩擦界面的雙電層斥力與法向載荷相比是可以忽略的。為了全面理解電化學(xué)穩(wěn)定窗口內(nèi)的電控摩擦機(jī)理，本課題提出基于微觀尺度摩擦的電控摩擦研究。在微觀尺度下有效法向力必須引入雙電層斥力的貢獻(xiàn)，因此，基于微觀尺度摩擦的電控摩擦研究應(yīng)該綜合考慮電位對(duì)潤(rùn)滑膜狀態(tài)的影響、電位對(duì)有效法向力的影響。在基于微觀尺度摩擦的電控摩擦研究中，將主要考察金屬 /陶瓷副、金屬 /金屬副這兩類摩擦副的電控摩擦效果差異。 本課題在研究基于非水溶液潤(rùn)滑的電控摩擦問(wèn)題時(shí)，運(yùn)用比較研究的方法對(duì)基于非水溶液、水溶液 潤(rùn)滑的電控摩擦進(jìn)行綜合考察，從潤(rùn)滑液的溶劑極性、溶質(zhì)解離度、離子遷移率等方面研究電控摩