【正文】 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)，且溶液電流對摩擦系數(shù)具有控制作用。他們分別考察了輔助電極、摩擦副、潤滑液對電控摩擦的影響規(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)為發(fā)生電控摩擦的必要條件是潤滑液具有較好的導(dǎo)電性，并且潤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。文獻(xiàn)綜述與選題報(bào)告 姓名： 陽小勇 導(dǎo)師：孟永鋼 1 基于非水溶液潤滑的電控摩擦實(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，北航的朱潤生等。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。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)。以上研究的主要不足在于：對電控摩擦機(jī)理的認(rèn)識還不夠深入，沒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)系沒有真正建立。 翟文杰等研究了硬脂酸鋁水懸濁液中 GCr15 軸承鋼球 /45鋼盤副的電控摩擦性能 [9]，并獲得了一定的電控摩擦效果。同時(shí)，他們沒有對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，無法表征工作電極電勢的變化。 Brandon 等通過實(shí)驗(yàn)研究了水基潤滑條件下界面電位對鐵絲 /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 于辛酸根潤滑膜的吸附，而當(dāng)工作電極電位低于零電荷電位時(shí)，潤滑膜的形成被抑制，因此摩擦增加。 Brandon 等還研究了鉆探泥漿水溶液中的電控摩擦 [13]，通過控制工作電極 /溶液界面電位來改善鉆探泥漿水 溶液的潤滑特性。 Kelsall、 Y. Y. Zhu 等通過實(shí)驗(yàn)考察了電化學(xué)電位對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。他們經(jīng)過理論 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)檢測得到的摩擦系數(shù) 電位曲線是相當(dāng)一致的。 朱潤生等研究了外加電場對鐵磁液體邊界潤滑狀態(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)為不同直流電場下潤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)生的磁場作用也對摩擦系數(shù)的變化產(chǎn)生了影響。 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。他們在實(shí)驗(yàn)中使用添加 ZDP 的礦物油對摩擦副進(jìn)行潤滑，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：施加電場的對 磨表面與沒有加電的對磨表面相比，前者的摩擦系數(shù)更小。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，潤滑液為向列液晶，施加的電場穿過該液晶膜。銅絲與乳狀潤滑液接觸，銅絲的氧化層上脂肪酸的吸附對邊界潤滑效率至關(guān)重要。潤滑油中添加劑的電化學(xué)反應(yīng)研究中存在的主要問題是大部分潤滑油的低電導(dǎo)率，他們在實(shí)驗(yàn)中通過使用微電極、使用支持電解質(zhì)提高潤滑油電導(dǎo)率來解決該問題。 他們認(rèn)為在直流電場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。他們認(rèn)為其原因是，施加電場改變了鋼膜界面處的粘附力。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)，電場對摩擦系數(shù)幾乎沒有影響，這說明實(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： 陽小勇 導(dǎo)師：孟永鋼 4 術(shù)難度極大。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。 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)理等方面對相關(guān)的電控摩擦研究進(jìn)行了總結(jié)。從電控摩擦機(jī)理來看，一些電控摩擦研究是從電化學(xué)反應(yīng)的角度來解釋電控摩擦機(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、靜電壓力等角度來解釋電控摩擦機(jī)理。某些水溶液潤滑體系中電控摩擦的主導(dǎo)因素為潤滑膜的吸脫附 [1, 2, 7, 8, 11, 12]，而某些水溶液潤滑體系中電化學(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]。對于干摩擦體系，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)。光譜檢測可獲得電極 /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。 基于以上對電控摩擦研究現(xiàn)狀的分析以及對存在的問題的總結(jié)，我們認(rèn)為電控摩擦研究在潤滑介質(zhì)、導(dǎo)電介質(zhì)、電控摩擦機(jī)理、摩擦體系和檢測手段等方面均可以有所突破。上文已經(jīng)針對電控摩擦研究的現(xiàn)狀和存在的問題進(jìn)行了詳細(xì)論述，本節(jié)將從潤滑介質(zhì)、導(dǎo)電介質(zhì)、電控摩擦機(jī)理、摩擦體系和檢測手段等方面具體闡述電控摩擦研究的發(fā)展趨勢。以往基于非水溶液的電控摩擦研究在機(jī)理認(rèn)識方面還不成熟，且對電控摩擦的響應(yīng)速度缺少研究，故基于非水溶液潤滑的電控摩擦研究是十分必要的。因此，采用潤滑介質(zhì)作為導(dǎo)電介質(zhì)不是很好的選擇。 文獻(xiàn)綜述與選題報(bào)告 姓名： 陽小勇 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。 在以往電控摩擦研究成果的基礎(chǔ)之上，并針對存在的問題與不足，我們提出“基于非水溶液潤滑的電控摩擦實(shí)驗(yàn)與理論研究”的課題。 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)鏈的非水基潤滑液展開，在課題研究中作潤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。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。非水基潤滑液的最大電導(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，很多非水基潤滑液的電導(dǎo)率都很低。 在電化學(xué)穩(wěn)定窗口內(nèi)的電控摩擦機(jī)理與潤滑膜狀態(tài)的電位依賴特性有關(guān)，表征潤滑膜狀態(tài)隨電極電位變化的檢測技術(shù)主要有光學(xué)檢測、電化學(xué)檢測以及微天平檢測等手段。另外，本課題還利用電化學(xué)石英晶振微天平（ ECQCM）技術(shù)檢測潤滑膜質(zhì)量隨電極電位的變化。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。通過比較研究，試圖發(fā)現(xiàn)具有較好電控摩擦效果的潤滑液特性，并指導(dǎo)適合于電控摩擦的潤滑液的選型，同時(shí)將電控摩擦研究中使用的潤滑液向聚電解質(zhì)溶液 [43, 6468]擴(kuò)展。 基于非水溶液潤滑的電控摩擦 實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)中使用的潤滑液依次為油酸鈉的 PC溶液、 SDBS的 PC溶液、葡萄糖的 PC 溶液、 PEG400的乙醇溶液。C，實(shí)驗(yàn)中所用的各種潤滑液的濃度及組分純度如下： wt%油酸鈉的 PC溶液，油酸鈉為化學(xué)純， PC純度為 99%； wt% SDBS 的 PC 溶液， SDBS 為化學(xué)純，PC純度為 99%； wt%葡萄糖的 PC溶液，葡萄糖為分析純， PC 純度為 99%； 9 vt% PEG400的乙醇溶液， PEG400 為化學(xué)純，乙醇純度為 %。C） 乙醇 碳酸丙烯酯 水 相對介電常數(shù) 偶極矩 /D 基于非水溶液潤滑的電控摩擦實(shí)驗(yàn)可對 以上推測進(jìn)行驗(yàn)證，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖 1圖 4。圖 4為基于 PEG400 的乙醇溶液潤滑的電控摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn) 中法向載荷（ L）、相對轉(zhuǎn)速（ n）條件為： L = 10 N， n = 180 rpm。 圖 1 基于油酸鈉的 PC溶液潤滑的電控摩擦實(shí) 驗(yàn)結(jié)果 文獻(xiàn)綜述與選題報(bào)告 姓名： 陽小勇 導(dǎo)師：孟永鋼 9 圖 2 基于 SDBS 的 PC溶液潤滑的電控摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果 圖 3 基于葡萄糖的 PC溶液潤滑的電控摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果 文獻(xiàn)綜述與選題報(bào)告 姓名： 陽小勇 導(dǎo)師：孟永鋼 10 圖 4 基于 PEG400 的乙醇溶液潤滑的電控摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果 基于獨(dú)立 導(dǎo)電介質(zhì) 的電控摩擦 實(shí)驗(yàn) 嘗試采用獨(dú)立的導(dǎo)電介質(zhì)進(jìn)行電控摩擦實(shí)驗(yàn)，而使?jié)櫥橘|(zhì)僅起潤滑作用。工作電極為銅片摩擦試件，對電極采用銅片電極，作為導(dǎo)電介質(zhì)的 NCSPE 由 PEG1000、 LiClOSiO2組成。 C o p p e r s h e e tS P EC o p p e r s h e e tSi 3 N 4 b a l lR e c i p r o c at i n g w i th s tr o k e o f 1m m 圖 5 以 NCSPE 為導(dǎo)電介質(zhì)的電控摩擦系統(tǒng)示意圖 由圖 6 的電控摩擦結(jié)果可知，圖 5所示的電控摩擦系統(tǒng)并沒有獲得期望的電控摩擦效應(yīng)。 C o p p e r s h e e tS P EC o p p e r s h e e tSi 3 N 4 b a l lR e c i p r o c ati n g w i th s tr o k e o f 1m mR ac tE S S w i tch 圖 7 以 NCSPE 為導(dǎo)電介質(zhì)改進(jìn)的電控摩擦系統(tǒng)示意圖 圖 8 中內(nèi)圖在 120 s 附件出現(xiàn)的電流脈沖由圖 7 中旁路開關(guān)的頻繁通斷引起，在該電流脈沖的激勵(lì)下，工作電極界面逐漸充負(fù)電，故摩擦系數(shù)逐漸升高，直到 160 s 附件，摩擦系數(shù)達(dá)到最大，此后，工作電極界面的負(fù)電荷在放電作用下逐漸減少，因此摩擦系數(shù)逐漸恢復(fù)到充電前水平。實(shí)驗(yàn)在球盤摩擦試驗(yàn)機(jī)上完成，摩擦副為ZrO2球 /不銹鋼盤副，實(shí)驗(yàn)中所用的潤滑液為 wt% SDBS 的 PC 溶液。C，法向載荷 L = 10 N，相對轉(zhuǎn)速 n = 10 rpm。 以上采用獨(dú)立導(dǎo)電介質(zhì)的電控摩擦實(shí)驗(yàn)表明，采用 SPE 作為獨(dú)立導(dǎo)電介質(zhì)的電控摩擦有效果，但電控摩擦效果不能持續(xù)維持，而采用電解液作為獨(dú)立導(dǎo)電介質(zhì)的電控摩擦基本沒效果。在實(shí)驗(yàn)中分別采用了電化學(xué)石英晶振微天平（ ECQCM）、電化學(xué)交流阻抗譜（ EIS）和電流積分等檢測技術(shù)，并對電化學(xué)橢圓偏振光檢測技術(shù)進(jìn)行了初步分析。 利用電化學(xué)交流阻抗譜（ EIS）檢測技術(shù)可獲得不同工作電極電位下電極 /溶液界面處吸附介電層的界面電容，該界面電容大小的變化反映了在電位變 化下吸附膜的吸脫附動(dòng)力學(xué)過程。由于雙電層電流持續(xù)時(shí)間非常短，而相比之下采用計(jì)時(shí)電流法檢測電流的采樣頻率非常有限，故采用計(jì)時(shí)電流法檢測到的電流為法拉第電流， 可通過軟件對其進(jìn)行積分，得到法拉第電荷量。在以往的電控摩擦研究中，雖然對工作電極電位、電流、表面電荷以及潤滑膜厚度、質(zhì)量等參數(shù)的重要性有所認(rèn)識，但對這些物理量之間的內(nèi)在聯(lián)系沒有深入的考察。由恒電位儀控制工作電極電位，石英晶振微天平檢測工作電極 /溶液界面吸附膜的吸脫附行為。 圖 1圖 12 中油酸鈉的 PC 溶液、 PEG400 的乙醇溶液隨工作電極電位的吸脫附動(dòng)力學(xué)過程分別與圖 圖 4 中油酸鈉的 PC 溶液、 PEG400 的乙醇溶 液的電控摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，說明吸附膜隨工作電極電位的吸脫附行為在電控摩擦中發(fā)揮了作用。另外，以 SDBS的 PC溶液為潤滑液兼導(dǎo)電介質(zhì)，在球盤摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行電控摩擦實(shí)驗(yàn)。 界面電容的測試結(jié)果見圖 1圖 14，圖 15 是電控摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)以 1 mM SDS的水溶液為潤滑液兼導(dǎo)電介質(zhì)，實(shí)驗(yàn)平臺為球盤摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)。圖 16的結(jié)果表明，對工作電極電位的階躍，工作電極表面電荷表現(xiàn)出比較可觀的響應(yīng)，進(jìn)而引起摩擦系數(shù)的變化，從而證明工作電極表面電荷的變化是電控摩擦的直接原因。 基于微觀尺度摩擦體系的電控摩擦研究 文獻(xiàn) [16, 17]對微觀尺度摩擦體系的電控摩擦現(xiàn)象作了初步的實(shí)驗(yàn)及理論分析，并將摩擦力的變化歸結(jié)為摩擦系數(shù)的變化。在金屬 /陶瓷副微觀尺度摩擦體系下，摩擦界面不存在雙電層斥力，電控摩擦只能通過改變潤滑膜的狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)。 工作計(jì)劃 ? ? 對電控摩擦研究進(jìn)行相關(guān)的文獻(xiàn)調(diào)研，選擇課題，并完成初步的實(shí)驗(yàn)論證 。 ? ? 結(jié)合電流積分技術(shù)、阻抗譜技術(shù)、橢圓偏振 光 技術(shù)、 ECQCM技術(shù)等檢測手段研究并澄清 電化學(xué)穩(wěn)定窗口內(nèi)基于非水溶液潤滑的電控摩擦機(jī)理 。 4 課