【正文】 factants at solid surfaces[J]. Langmuir, 20xx, 18(21): 7930 7935. [39] S. J. Martin, V. E. Granstaff, G. C. Frye. Characterization of a quartz crystal microbalance with simultaneous mass and liquid loading[J]. Anal. Chem., 1991, 63: 2272 2281. [40] G. Mchale, R. L252。 ? ? 論文送審，并準(zhǔn)備答辯 。 ? 研究基于微觀尺度摩擦 體系 的電控摩擦 。參考以往相關(guān)的文獻，并利用現(xiàn)有的條件，將法向載荷控制在與雙電層斥力相當(dāng)?shù)募墑e，則基于微觀尺度摩擦體系的電控摩擦研究是可行的。在本課題研究中，將采用金屬 /陶瓷副、金屬 /金屬副兩類不同的微觀尺度摩擦體系。 以上結(jié)合具體實驗和分析，初步證明了在電控摩擦機理研究中綜合應(yīng)用 ECQCM技術(shù)、電化學(xué)交流阻抗譜（ EIS）技術(shù)、電流積分技術(shù)和 EC 橢圓偏振光技術(shù)是完全可行的。 圖 16 SDS 的水溶液中的電控摩擦實驗結(jié)果 文獻綜述與選題報告 姓名： 陽小勇 導(dǎo)師：孟永鋼 18 在該實驗中激勵信號為工作電極電位階梯信號，其電控摩擦實驗結(jié)果如圖 16 所示。 文獻綜述與選題報告 姓名： 陽小勇 導(dǎo)師：孟永鋼 16 圖 13 純 PC、 SDBS 的 PC溶液中的界面電容倒數(shù)隨工作電極電 位的變化曲線（正掃描） 圖 14 wt% SDBS 的 PC溶液中界面電容倒數(shù)隨工作電極電位的變化曲線（正、反掃描） 文獻綜述與選題報告 姓名： 陽小勇 導(dǎo)師：孟永鋼 17 圖 15 wt% SDBS 的 PC溶液中摩擦系數(shù)隨工作電極電位的變化曲線（正、反掃描） 第三，在電控摩擦實驗中創(chuàng)造性地集成電流積分技術(shù)，綜合考察電控摩擦中工作電極電位變化、工作電極表面電荷變化、摩擦系數(shù)三者之間的關(guān)系。C，法向載荷 L = 10 N，相對轉(zhuǎn)速 n = 10 rpm；DC 電位掃描范圍－ 1V至＋ 1V，掃描間隔 ，掃描速 度 。 圖 11 油酸鈉的 PC溶液中吸附膜隨工作電極電位的吸脫附動力學(xué)過程 文獻綜述與選題報告 姓名： 陽小勇 導(dǎo)師：孟永鋼 15 圖 12 PEG400 的乙醇溶液中吸附膜隨工作電極電位的吸脫附動力學(xué)過程 第二，針對 SDBS 的 PC 溶液進行了 EIS 實驗，測量不同工作電極電位下不銹鋼工作電極 /溶液界面的界面電容。實驗結(jié)果見圖 1圖 12，圖 11 為油酸鈉的 PC溶液中吸附膜隨工作電極電位的吸脫附動力學(xué)過程，圖 12 為 PEG400 的乙醇溶液中吸附膜隨工作電極電位的吸脫附動力學(xué)過程。實驗平臺為石英晶振微天平，其對電極為鉑電極，工作電極為鍍不銹鋼膜石英晶片，參比電極為 Ag/AgCl電極，電化學(xué)池中注入待研究的溶液。 文獻綜述與選題報告 姓名： 陽小勇 導(dǎo)師：孟永鋼 14 目前，對電化學(xué)穩(wěn)定窗口內(nèi)的電控摩擦機理的認(rèn)識尚處于猜測和定性階段，客觀證據(jù)不足，也沒有建立定量模型以描述電控摩擦規(guī)律。電化學(xué)系統(tǒng)的總電流為雙電層電流與法拉第電流之和，通過硬件積分器模塊對總電流進行積分，得到總電荷量。 橢圓偏振光檢測技術(shù)可測量固 /液界面、固 /氣界面、液 /氣界面或液 /液界面的吸附膜厚度，對于金屬 /溶液界面的吸附膜，若結(jié)合電化學(xué)方法控制金屬 /溶液界面電位，則吸附膜的狀態(tài)將依賴于此電位，結(jié)合電化學(xué)方法的橢圓偏振光測試技術(shù)有望檢測不同工作電極界面電位下電極 /溶液界面處吸附膜狀態(tài)的變化。 圖 8 以 NCSPE 為導(dǎo)電介質(zhì)改進的電控摩擦實驗結(jié)果 圖 9 以電解液為導(dǎo)電介質(zhì)的電控摩擦系統(tǒng)示意圖 文獻綜述與選題報告 姓名： 陽小勇 導(dǎo)師：孟永鋼 13 圖 10 以電解液為導(dǎo)電介質(zhì)的電控摩擦實驗結(jié)果 結(jié)合 多種檢測手段研究電控摩擦機理 通過初步的實驗和理論分析，論證了結(jié)合多種檢測手段進行電控摩擦機理研究的可行性。一種可能的解釋是：由于電荷從不銹鋼盤下表面向上表面的遷移受阻，因此工作電極 /電文獻綜述與選題報告 姓名： 陽小勇 導(dǎo)師：孟永鋼 12 解液界面電位的變化所引起的電極表面電荷量的變化只局限于工作電極 /電解液界面，以致 于工作電極 /潤滑液界面的電荷量幾乎不變，潤滑膜的狀態(tài)也維持不變，故沒有獲得電控摩擦效果。實驗環(huán)境溫度 25176。 下面介紹以電解液為導(dǎo)電介質(zhì)的電控摩擦實驗。改進的電控摩擦系統(tǒng)如圖 7 所示，其電控摩擦實驗結(jié)果見圖 8。其電控摩擦系統(tǒng)示意圖如圖 5 所示，電控摩擦實驗結(jié)果見圖 6。實驗在 UMT2 往復(fù)式摩擦試驗機上完成，摩擦副為 Si3N4球 /銅片副，實驗中所用的潤滑液 為 1 mM十二烷基硫酸鈉（ SDS）的水溶液。另外，以上實驗中所用的非水基潤滑液均沒有添加支持電解質(zhì)，這與 Ogano等的工作 [25, 26]是有區(qū)別的。圖 3為基于葡萄糖的 PC溶液潤滑的電控摩擦實驗結(jié)果，實驗中法向載荷（ L）、相對轉(zhuǎn)速（ n）條件為： L = 10 N， n = 100 rpm。 文獻綜述與選題報告 姓名： 陽小勇 導(dǎo)師：孟永鋼 8 表 1 幾種溶劑的相對介電常數(shù)及偶極矩值（ 25176。 實驗環(huán)境溫度為 25176。 課題工作的可行性分析 下面結(jié)合初步的有針對性的實驗結(jié)果和討論，對本課題研究工作進行詳細(xì)的可行性分析。 本課題在研究基于非水溶液潤滑的電控摩擦問題時，運用比較研究的方法對基于非水溶液、水溶液 潤滑的電控摩擦進行綜合考察，從潤滑液的溶劑極性、溶質(zhì)解離度、離子遷移率等方面研究電控摩擦中非水溶液、水溶液的異同。 基于宏觀尺度摩擦的電控摩擦研究只需關(guān) 注潤滑膜狀態(tài)的電位依賴特性，因為宏觀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。本課題結(jié)合電化學(xué)橢圓偏振術(shù)與阻抗譜檢測，共同表征潤滑膜狀態(tài)隨電極電位的變化。使用獨立的導(dǎo)電介質(zhì)，一方面可提高基于非水溶液潤滑的電控摩擦效果，另一方面也可以進一步澄清電控摩擦機理。 若以非水基潤滑液作導(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關(guān)鍵指標(biāo)。 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，在電控摩擦過程中金屬試件摩擦表面的電化學(xué)腐蝕不可避免。本課題的主要研究目標(biāo)如下：實現(xiàn)電控摩擦過程中針對潤滑膜狀態(tài)的原位檢測技術(shù)，澄清基于非水溶液潤滑的電控摩擦機理，提高基于非水溶液潤滑的電控摩擦效果，探討基于微觀尺度摩擦的電控摩擦機理。這些檢測手段包括阻抗譜、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。以往的電控摩擦研 究對電極電位、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)識和全面理解，所以有必要進一步探索這幾個物理量之間最本質(zhì)的聯(lián)系，并建立準(zhǔn)確的函數(shù)關(guān)系。然而，以電導(dǎo)率較高的潤滑介質(zhì)作導(dǎo)電介質(zhì)時，金屬試件摩擦表面在電控摩擦過程中容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕。工程實踐中經(jīng)常采用非水溶液作為潤滑液，因而基于非水溶液潤滑的電控摩擦研究在技術(shù)應(yīng)用方面更有現(xiàn)實意義。 2 電控摩擦研究的 發(fā)展趨勢 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年代得到了長足的發(fā)展 [1115, 2025, 2830]，進入 21 世紀(jì)以來，國內(nèi)的電控摩擦研究逐漸展開 [210, 18, 19]。 電控摩擦研究中的 問題 目前電控摩擦研究存在的主要問題有：大部分電控摩擦研究針對的都是水溶液潤滑體系，對非水溶液中的電控摩擦研究還處于起步階段；迄今為止在公開的電控摩擦文獻中，基于潤滑液的電控摩擦研究均采用潤滑介質(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于電控摩擦機理的解釋尚處于定性和猜測的水平，缺少實驗驗證和描述電控摩擦規(guī)律的定量模型，沒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)展開的，忽視了微觀尺度摩擦在電控摩擦機理研究中的作用，在微觀尺度摩擦條件下，范德華力、雙電層斥力對摩擦副有效法向力的貢獻將不能忽略，故基于微觀尺度摩擦的電控摩擦機理需全面考慮潤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；對電控摩擦機理的探討缺少有效的表征手段，特別是缺乏科學(xué)可靠的原位檢測手段，以考察摩擦副界面在電控摩擦過程中所經(jīng)歷的物理、化學(xué)或電化學(xué)變化。阻抗譜測試可獲得電極 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。 固體膜潤滑體系的電控摩擦機理與靜電壓力 [27]、粘附力 [28]有關(guān)。對于水溶液潤滑體系，電控摩擦機理與電化學(xué)反應(yīng)、潤滑膜吸脫附、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。從加電方式來看，導(dǎo)電介 質(zhì)基本上都是潤滑介質(zhì) [118, 21, 22, 2426]，工作電極大多為摩擦副金屬件，而對于對電極，有的研究中以摩擦副試件作為對電極，但相當(dāng)多的研究采用了獨立的惰性材料對電極 [117, 2426]。他們認(rèn)為實驗出現(xiàn)電控摩擦結(jié)果的原因很可能是靜電壓力和電場誘導(dǎo)的冰 /金屬間接觸面積增加。在文獻 [30]中，還嘗試了冰 /絕緣體副，也獲得了類似的電控摩擦效果。他們認(rèn)為施加在摩擦副上的電場可促進陽極金屬表面上氧化層的生長，從而改變摩擦副的摩擦磨損特性。 Lavielle 研究了電場對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，摩擦系數(shù)增大，而在正電場下摩擦系數(shù)減小。在該實驗中， LB 膜沉積在單晶硅（ 100）基片上，電場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別，且 LB膜為類固態(tài)膜。 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)對潤滑油中添加劑在金屬表面上的反應(yīng)進行了實驗研究 [26]。 Y. Y. Su通過實驗證實，在拔銅絲過程中可以通過電位控制改善邊界潤滑 [24]。 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可顯著減小摩擦系數(shù)。 他們還通過在對磨金屬表面之間施加電場，實現(xiàn)了摩擦副摩擦特性的改善 [22]。 Kunio 通過潤滑條件下的銷盤摩擦實驗研究了表面誘導(dǎo)電壓（ Surface induced voltage）對不銹鋼 /不銹鋼副摩擦磨損行為的影響 [20]，證實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。其存在的問題與文獻 [9]類似，沒有提供有關(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)。 Bockris等對液體電解質(zhì)潤滑條件下金屬 /金屬副摩擦系數(shù)的界面電位依賴特性進行了理論分析和實驗檢測 [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。文獻 [1113]中的電控摩擦體系均針對水溶液潤滑下的金屬 /金屬副（文獻 [13]還研究了金屬 /非金屬副），并都引入了參比電極和獨立的對電極，而且對電極和工作電極之間的導(dǎo)電介質(zhì)皆為潤滑液。他們的結(jié)論是：工作電極表面上辛酸根潤滑膜的覆蓋度和穩(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。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行為。其問題也是在于，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，更不能證實具體的反應(yīng)產(chǎn)物，并且忽視了工作電極電位的概念。主要問題在于，摩擦副在硬脂酸鋁水懸濁液中是否發(fā)生了皂化反應(yīng)，他們沒有給出進一步的證明。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，且沒有確立電極電位與表面電荷密度之間的定量關(guān)系。他們的主要結(jié) 論有：金屬表面水電解與有機離子吸脫附的共同作用決定了電