【正文】 文獻(xiàn)綜述與選題報(bào)告 姓名： 陽(yáng)小勇 導(dǎo)師：孟永鋼 1 基于非水溶液潤(rùn)滑的電控摩擦實(shí)驗(yàn)與理論研究 1 研究 背景 及意義 電控摩擦的研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)研究電控摩擦的學(xué)者主要有清華的孟永鋼等，哈工大的翟文杰等，北航的朱潤(rùn)生等。在國(guó)外，德國(guó)、法國(guó)、英國(guó)、美國(guó)、日本等國(guó)家的許多學(xué)者在電控摩擦理論研究和應(yīng)用方面取得了一些成果，其中一些研究人員仍在致力于電控摩擦的實(shí)驗(yàn)研究和技術(shù)轉(zhuǎn)化。 蔣洪軍、孟永鋼等對(duì)潤(rùn)滑條件下陶瓷 /金屬摩擦副的電控摩擦行為進(jìn)行了比較全面的實(shí)驗(yàn)研究 [1, 2]，所用的陶瓷件主要有氧化鋁、氧化硅、氮化硅等，金屬件包括黃銅、不銹鋼、 45鋼等，發(fā)現(xiàn)在硬脂酸鋅懸濁液中可獲 得較好的電控摩擦效果。他們認(rèn)為發(fā)生電控摩擦的必要條件是潤(rùn)滑液具有較好的導(dǎo)電性，并且潤(rùn)滑液中是否存在極性分子將嚴(yán)重影響電控摩擦的效果好壞。他們進(jìn)一步指出，電極電流是產(chǎn)生電控摩擦的直接起因。以上的實(shí)驗(yàn)研究存在的不足有：沒(méi)有對(duì)電極電位進(jìn)行準(zhǔn)確定量表征，無(wú)法確定電極電位和摩擦系數(shù)之間的關(guān)系；對(duì)水溶液中陶瓷 /金屬摩擦副的電控摩擦機(jī)理的研究不夠深入，即電極電流在電控摩擦中發(fā)揮作用的本質(zhì)沒(méi)有研究清楚。 常秋英、孟永鋼等圍繞水溶液中金屬 /陶瓷摩擦副電控摩擦效應(yīng)的機(jī)理進(jìn)行了廣泛而深入的實(shí)驗(yàn)研究 [3, 4]，嘗試用金屬件 /潤(rùn)滑 液界面的電化學(xué)反應(yīng)來(lái)解釋電控摩擦現(xiàn)象。他們分別考察了輔助電極、摩擦副、潤(rùn)滑液對(duì)電控摩擦的影響規(guī)律，并結(jié)合幾種電化學(xué)方法研究了電控摩擦的機(jī)理。他們認(rèn)為電控摩擦的機(jī)理與水電解產(chǎn)物在金屬表面上發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)關(guān)系密切，顯然這一解釋具有很大的局限性，也缺乏直接證據(jù)。實(shí)驗(yàn)表明，電控摩擦的效果依賴(lài)于水基潤(rùn)滑液中的添加劑種類(lèi)，因而電控摩擦的機(jī)理不能簡(jiǎn)單的歸結(jié)于水電解。 胡波、孟永鋼等也對(duì)水溶液中的電控摩擦現(xiàn)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究 [5, 6]，而且比較全面的分析了電控摩擦的機(jī)理，并嘗試將電控摩擦技術(shù)應(yīng)用于摩擦離合器。他們的主要結(jié) 論有：金屬表面水電解與有機(jī)離子吸脫附的共同作用決定了電控摩擦的效果，電控摩擦機(jī)理不僅與水電解而且與有機(jī)離子的吸脫附有關(guān)，且溶液電流對(duì)摩擦系數(shù)具有控制作用。以上研究的主要不足在于：對(duì)電控摩擦機(jī)理的認(rèn)識(shí)還不夠深入，沒(méi)有澄清溶液電流控制摩擦系數(shù)的本質(zhì)，且電極電位、電極電流與摩擦系數(shù)之間的定量關(guān)系沒(méi)有真正建立。 賀四清、孟永鋼等針對(duì)離子型表面活性劑水溶液中的電控摩擦展開(kāi)了相關(guān)研究 [7, 8]，探討了離子型表面活性劑水溶液中的電控摩擦機(jī)理，并探索了電極電位與摩擦系數(shù)的關(guān)系。他們認(rèn)為，電控摩擦的機(jī)理在于摩擦副金屬件表面 的電荷累積所引起的表面活性劑離子的吸脫附。他們的研究存在以下不足：所提出的電極表面電荷決定表面活性劑離子吸脫附的電控摩擦機(jī)理只能解釋電化學(xué)窗口內(nèi)離子型表面活性劑水溶液中的電控摩擦現(xiàn)象，且沒(méi)有確立電極電位與表面電荷密度之間的定量關(guān)系。 翟文杰等研究了硬脂酸鋁水懸濁液中 GCr15 軸承鋼球 /45鋼盤(pán)副的電控摩擦性能 [9]，并獲得了一定的電控摩擦效果。在實(shí)驗(yàn)中以摩擦副為工作電極，對(duì)電極采用石墨電極，潤(rùn)滑液作為導(dǎo)電介質(zhì)，施加的槽電壓可改變極性和大小。對(duì)于實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的電控摩擦現(xiàn)象，他們給出了定性的解釋?zhuān)J(rèn)為不同電壓導(dǎo) 致摩擦副表面的皂化膜的吸附狀態(tài)不同，以及摩擦副表面氧化還原反應(yīng)的差異，最終引起摩擦系數(shù)的變化。主要問(wèn)題在于，摩擦副在硬脂酸鋁水懸濁液中是否發(fā)生了皂化反應(yīng)，他們沒(méi)有給出進(jìn)一步的證明。同時(shí)，他們沒(méi)有對(duì)工作電極表面電位進(jìn)行定量控制，而僅僅用槽電壓作為電控摩擦的控制量，無(wú)法表征工作電極電勢(shì)的變化。 該課題組在電控摩擦實(shí)驗(yàn)中還嘗試了另外一種潤(rùn)滑液 [10]，即離子型水基切削液，也獲得了相應(yīng)的電控摩擦效果。他們認(rèn)為，不同電壓下氧化還原反應(yīng)所形成的邊界膜的不同性質(zhì)決定了電文獻(xiàn)綜述與選題報(bào)告 姓名： 陽(yáng)小勇 導(dǎo)師：孟永鋼 2 控摩擦的效果。其問(wèn)題也是在于，解釋缺乏直接證據(jù)，并不 能證明電化學(xué)反應(yīng)真的存在，更不能證實(shí)具體的反應(yīng)產(chǎn)物，并且忽視了工作電極電位的概念。 Brandon 等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了水基潤(rùn)滑條件下界面電位對(duì)鐵絲 /低碳鋼環(huán)副靜摩擦系數(shù)的影響[11]，并且獲得了較好的電控摩擦效果。在實(shí)驗(yàn)中鐵絲作為工作電極，潤(rùn)滑液中含有辛酸根離子。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在正于－ 400mV vs. SHE的電位下，摩擦系數(shù)迅速下降，這與表面潤(rùn)滑膜厚度的增加是一致的。他們認(rèn)為，工作電極與負(fù)電性辛酸根離子之間的靜電相互作用可以解釋這種電位依賴(lài)行為。在工作電極電位高于零電荷電位（ PZC）時(shí)，工作電極帶正電，有利 于辛酸根潤(rùn)滑膜的吸附，而當(dāng)工作電極電位低于零電荷電位時(shí)，潤(rùn)滑膜的形成被抑制，因此摩擦增加。 他們還考察了辛酸鈉水溶液中工作電極電位對(duì)低碳鋼銷(xiāo) /低碳鋼盤(pán)副的動(dòng)摩擦系數(shù)的影響[12]，并獲得了與文獻(xiàn) [11]類(lèi)似的結(jié)果。在他們的實(shí)驗(yàn)中，以低碳鋼盤(pán)作為工作電極，以鉑片為對(duì)電極，并采用了 SHE 參比電極。他們的結(jié)論是：工作電極表面上辛酸根潤(rùn)滑膜的覆蓋度和穩(wěn)定性隨工作電極電位而改變，從而導(dǎo)致摩擦系數(shù)出現(xiàn)相應(yīng)的變化。 Brandon 等還研究了鉆探泥漿水溶液中的電控摩擦 [13]，通過(guò)控制工作電極 /溶液界面電位來(lái)改善鉆探泥漿水 溶液的潤(rùn)滑特性。實(shí)驗(yàn)采用了低碳鋼銷(xiāo) /低碳鋼盤(pán)副以及低碳鋼銷(xiāo) /砂石盤(pán)副，并以低碳鋼銷(xiāo)作為工作電極。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：對(duì)于低碳鋼銷(xiāo) /砂石盤(pán)副，施加負(fù)電位時(shí)摩擦系數(shù)下降，而對(duì)于低碳鋼銷(xiāo) /低碳鋼盤(pán)副，施加正電位時(shí)摩擦系數(shù)下降。文獻(xiàn) [1113]中的電控摩擦體系均針對(duì)水溶液潤(rùn)滑下的金屬 /金屬副（文獻(xiàn) [13]還研究了金屬 /非金屬副），并都引入了參比電極和獨(dú)立的對(duì)電極，而且對(duì)電極和工作電極之間的導(dǎo)電介質(zhì)皆為潤(rùn)滑液。 Kelsall、 Y. Y. Zhu 等通過(guò)實(shí)驗(yàn)考察了電化學(xué)電位對(duì)水溶液中金屬副的摩擦磨損特性的影響 [14, 15]，而且分析了實(shí)驗(yàn)中電極電位影響摩擦行為的原因。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中使用伏安法、阻抗譜和傅立葉變換紅外光譜（ FTIR）等技術(shù)研究了電極電位控制下金屬表面膜的化學(xué)特性，并對(duì)摩擦的電位依賴(lài)特性進(jìn)行了理論建模。他們認(rèn)為電控摩擦的機(jī)理包含兩個(gè)獨(dú)立的方面：一是通過(guò)雙電層斥力改變摩擦表面間的有效法向力，二是通過(guò)表面化學(xué)控制摩擦表面上潤(rùn)滑膜的剪切強(qiáng)度。 Bockris等對(duì)液體電解質(zhì)潤(rùn)滑條件下金屬 /金屬副摩擦系數(shù)的界面電位依賴(lài)特性進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)檢測(cè) [16, 17]，發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)和界面電位之間呈現(xiàn)出拋物線變化關(guān)系。他們經(jīng)過(guò)理論 推導(dǎo)得到了摩擦系數(shù)表達(dá)式，并且理論分析得到的摩擦系數(shù) 界面電位曲線與實(shí)驗(yàn)檢測(cè)得到的摩擦系數(shù) 電位曲線是相當(dāng)一致的。 翟文杰等對(duì) H60 基礎(chǔ)油、硬脂酸 /H60、硬脂醇 /H60 三種潤(rùn)滑劑邊界潤(rùn)滑條件下 SUJ2 鋼球/S45C 鋼盤(pán)副的電控摩擦效果分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究 [18]，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在 H60 基礎(chǔ)油、硬脂醇 /H60中均存在不同程度的電控摩擦效果，施加正電壓（鋼盤(pán)接電源正極，電流從鋼盤(pán)流向鋼球）使摩擦系數(shù)減小，施加負(fù)電壓使摩擦系數(shù)升高；而在硬脂酸 /H60 中沒(méi)有電控摩擦效果。他們認(rèn)為電場(chǎng)作用下金屬表面的氧化作用以及極性 分子吸附膜的狀態(tài)變化共同決定了摩擦系數(shù)的改變。其存在的問(wèn)題與文獻(xiàn) [9]類(lèi)似，沒(méi)有提供有關(guān)工作電極電位的具體信息，而且也缺乏金屬表面氧化的客觀證據(jù)。 朱潤(rùn)生等研究了外加電場(chǎng)對(duì)鐵磁液體邊界潤(rùn)滑狀態(tài)下 GCr15 軸承鋼摩擦副的摩擦系數(shù)的主動(dòng)控制 [19]，他們認(rèn)為不同直流電場(chǎng)下潤(rùn)滑劑中極性分子在摩擦副表面的吸附狀態(tài)存在差異，導(dǎo)致摩擦系數(shù)發(fā)生變化，同時(shí)，電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用也對(duì)摩擦系數(shù)的變化產(chǎn)生了影響。他們的解釋存在一些可疑之處，在他們的實(shí)驗(yàn)中其實(shí)并不存在直流電場(chǎng)，因?yàn)殡妷菏┘釉跇?gòu)成摩擦副的金屬銷(xiāo)和盤(pán)上，而銷(xiāo)和盤(pán)通過(guò)接 觸電阻連接，故形成電場(chǎng)所需要的兩極板并不存在。就他們的實(shí)驗(yàn)而言，電場(chǎng)對(duì)摩擦系數(shù)的控制很有可能是通過(guò)鐵磁液體的磁場(chǎng)作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但他們沒(méi)有給出更有說(shuō)服力的證據(jù)。 Kunio 通過(guò)潤(rùn)滑條件下的銷(xiāo)盤(pán)摩擦實(shí)驗(yàn)研究了表面誘導(dǎo)電壓（ Surface induced voltage）對(duì)不銹鋼 /不銹鋼副摩擦磨損行為的影響 [20]，證實(shí)了在不同的表面誘導(dǎo)電壓（由表面自生電壓和靜電電荷組成）下，摩擦副的摩擦及磨損狀態(tài)存在差異。 Kunio 提出了一個(gè)用于解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果的模型：文獻(xiàn)綜述與選題報(bào)告 姓名： 陽(yáng)小勇 導(dǎo)師：孟永鋼 3 在低表面誘導(dǎo)電壓條件下，摩擦副粘附能大，易于發(fā)生粘附及金屬轉(zhuǎn)移 ，粘著磨損占主導(dǎo)；在高表面誘導(dǎo)電壓條件下，摩擦副粘附能小，粘附和金屬轉(zhuǎn)移很難發(fā)生，故以磨粒磨損為主。 Tung 等發(fā)現(xiàn)在活塞環(huán)金屬表面上的電化學(xué)沉積膜具有較好的減摩特性 [21]，即從某種潤(rùn)滑液中沉積到帶電活塞環(huán)表面上的磷酸鐵膜可進(jìn)一步降低摩擦系數(shù)。他們認(rèn)為，沉積在帶電金屬表面上的磷酸鐵膜具有非結(jié)晶態(tài)結(jié)構(gòu)，因而其潤(rùn)滑特性比傳統(tǒng)的結(jié)晶態(tài)的磷酸錳或磷酸鐵涂層更好。 他們還通過(guò)在對(duì)磨金屬表面之間施加電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了摩擦副摩擦特性的改善 [22]。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中使用添加 ZDP 的礦物油對(duì)摩擦副進(jìn)行潤(rùn)滑，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：施加電場(chǎng)的對(duì) 磨表面與沒(méi)有加電的對(duì)磨表面相比，前者的摩擦系數(shù)更小。他們將加電后摩擦特性的改善歸因于 ZDP礦物油混合物的電化學(xué)反應(yīng)在金屬表面上生成磷酸或硫酸膜。文獻(xiàn) [21]和 [22]中的電控摩擦都是通過(guò)潤(rùn)滑液的電化學(xué)反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 Kimura 研究了液晶邊界膜的電控摩擦特性 [23]，發(fā)現(xiàn)在液晶邊界膜之間施加外電場(chǎng)可顯著減小摩擦系數(shù)。實(shí)驗(yàn)中使用了鋼 /鋼副，其中一個(gè)配合面上鍍有一層絕緣薄膜，潤(rùn)滑液為向列液晶，施加的電場(chǎng)穿過(guò)該液晶膜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，施加直流和低頻交流電壓均導(dǎo)致摩擦系數(shù)降低。他們沒(méi)有解釋液晶電控摩擦的機(jī)理，但從電 壓極性對(duì)摩擦系數(shù)變化趨勢(shì)無(wú)影響的事實(shí)，可推測(cè)液晶邊界膜的電控摩擦機(jī)理與靜電力、取向力、電化學(xué)反應(yīng)無(wú)關(guān)，而很有可能是通過(guò)液晶分子結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)依賴(lài)特性來(lái)改變其摩擦特性的。 Y. Y. Su通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在拔銅絲過(guò)程中可以通過(guò)電位控制改善邊界潤(rùn)滑 [24]。銅絲與乳狀潤(rùn)滑液接觸，銅絲的氧化層上脂肪酸的吸附對(duì)邊界潤(rùn)滑效率至關(guān)重要。拔絲過(guò)程中的磨損導(dǎo)致銅絲上的氧化層不斷脫落，而通過(guò)對(duì)銅絲施加適當(dāng)電位，電化學(xué)反應(yīng)在銅絲裸露的銅表面上產(chǎn)生新的鈍化層，從而使表面質(zhì)量大為提高，摩擦系數(shù)降低，能量耗散顯著減小?？梢?jiàn)，其電控摩擦機(jī)理與電化學(xué)反應(yīng)有關(guān)。 Ogano、 Y. Zhu 等也研究了摩擦和磨損的電化學(xué)控制 [25]，并使用非水溶液電化學(xué)對(duì)潤(rùn)滑油中添加劑在金屬表面上的反應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究 [26]。潤(rùn)滑油中添加劑的電化學(xué)反應(yīng)研究中存在的主要問(wèn)題是大部分潤(rùn)滑油的低電導(dǎo)率，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中通過(guò)使用微電極、使用支持電解質(zhì)提高潤(rùn)滑油電導(dǎo)率來(lái)解決該問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用毫米級(jí)電極，只能研究極性很強(qiáng)的潤(rùn)滑油，并且需要提供較大濃度的支持電解質(zhì)以提高電導(dǎo)率，該技術(shù)可以考察減摩劑和極壓劑的機(jī)理；應(yīng)用微電極，則可研究極性較弱的潤(rùn)滑油，但仍然需要支持電解質(zhì)，該技術(shù) 可用于檢測(cè)溶液中添加劑的有效濃度；使用納米電極系統(tǒng)，可針對(duì)極性很低的潤(rùn)滑油進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試，甚至不需要支持電解質(zhì)。 H. W. Liu 等借助掃描力儀（ SFM）研究了外加電場(chǎng)對(duì) LB單分子層膜微摩擦特性的控制及改善 [27]，發(fā)現(xiàn)在直流電場(chǎng)下，二十酸 LB膜與氮化硅針尖之間的摩擦力隨外加電壓增大而增大，而在交流電場(chǎng)下，摩擦力是電壓幅值和頻率的函數(shù)，且在某個(gè)幅值和頻率的組合下，摩擦力幾乎為零。在該實(shí)驗(yàn)中， LB 膜沉積在單晶硅（ 100）基片上，電場(chǎng)施加在硅片和針尖之間，而兩電極之間的距離在單分子層級(jí)別，且 LB膜為類(lèi)固態(tài)膜。 他們認(rèn)為在直流電場(chǎng)下硅片和針尖之間產(chǎn)生額外的吸引力，導(dǎo)致摩擦力增大。對(duì)于在特定的交流電場(chǎng)下摩擦力幾乎為零的現(xiàn)象，他們認(rèn)為部分是由于交流電場(chǎng)下懸臂共振的改善引起的。該實(shí)驗(yàn)中的電控摩擦現(xiàn)象局限于微納米結(jié)構(gòu)，且機(jī)理與 LB 單分子層膜的結(jié)構(gòu)無(wú)必然聯(lián)系，電場(chǎng)作用對(duì)摩擦力的控制是通過(guò)改變摩擦副的法向力來(lái)是實(shí)現(xiàn)的。 Lavielle 研究了電場(chǎng)對(duì)鋼基片上聚乙烯三聚物膜摩擦特性的影響 [28]，發(fā)現(xiàn)在膜與鋼片之間施加負(fù)電壓時(shí)，摩擦系數(shù)增大，而在正電場(chǎng)下摩擦系數(shù)減小。他們認(rèn)為其原因是，施加電場(chǎng)改變了鋼膜界面處的粘附力。文獻(xiàn) [28]和 [20]都認(rèn)為對(duì)摩擦副施加電場(chǎng)會(huì)影響摩擦界面的粘附性質(zhì)。 Bouchoucha等研究了無(wú)潤(rùn)滑滑動(dòng)摩擦條件下電場(chǎng)對(duì)銅 /鋼副摩擦行為的影響 [29]，發(fā)現(xiàn)氧化在干摩擦條件下的電控摩擦中起著重要作用。他們認(rèn)為施加在摩擦副上的電場(chǎng)可促進(jìn)陽(yáng)極金屬表面上氧化層的生長(zhǎng)，從而改變摩擦副的摩擦磨損特性。在該實(shí)驗(yàn)中，產(chǎn)生電控摩擦效果需要極大的電流，當(dāng)電流低于 40A 時(shí)，電場(chǎng)對(duì)摩擦系數(shù)幾乎沒(méi)有影響，這說(shuō)明實(shí)現(xiàn)干摩擦下的電控摩擦技文獻(xiàn)綜述與選題報(bào)告 姓名： 陽(yáng)小勇 導(dǎo)師：孟永鋼 4 術(shù)難度極大。 Petrenko、 Arakawa 等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了外加電場(chǎng)對(duì)冰面摩擦的影響 [30, 31]， 發(fā)現(xiàn)施加 kV 級(jí)直流或交流電壓后冰 /金屬副的摩擦有所增大。在他們的實(shí)驗(yàn)中，采用了兩個(gè)金屬電極，其中一個(gè)電極為金屬摩擦件，與冰塊一側(cè)表面接觸，另一個(gè)電極與冰塊另一側(cè)表面接觸。在文獻(xiàn) [30]中，還嘗試了冰