【正文】 控摩擦的效果，電控摩擦機理不僅與水電解而且與有機離子的吸脫附有關，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)合幾種電化學方法研究了電控摩擦的機理。他們認為發(fā)生電控摩擦的必要條件是潤滑液具有較好的導電性，并且潤滑液中是否存在極性分子將嚴重影響電控摩擦的效果好壞。文獻綜述與選題報告 姓名： 陽小勇 導師：孟永鋼 1 基于非水溶液潤滑的電控摩擦實驗與理論研究 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。他們進一步指出，電極電流是產(chǎn)生電控摩擦的直接起因。他們認為電控摩擦的機理與水電解產(chǎn)物在金屬表面上發(fā)生的電化學反應關系密切，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：對電控摩擦機理的認識還不夠深入，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，他們沒有對工作電極表面電位進行定量控制，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 等通過實驗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，工作電極帶正電，有利 于辛酸根潤滑膜的吸附，而當工作電極電位低于零電荷電位時，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 等通過實驗考察了電化學電位對水溶液中金屬副的摩擦磨損特性的影響 [14, 15]，而且分析了實驗中電極電位影響摩擦行為的原因。他們經(jīng)過理論 推導得到了摩擦系數(shù)表達式，并且理論分析得到的摩擦系數(shù) 界面電位曲線與實驗檢測得到的摩擦系數(shù) 電位曲線是相當一致的。 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)的主動控制 [19]，他們認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，導致摩擦系數(shù)發(fā)生變化，同時，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 提出了一個用于解釋實驗結(jié)果的模型：文獻綜述與選題報告 姓名： 陽小勇 導師：孟永鋼 3 在低表面誘導電壓條件下，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；在高表面誘導電壓條件下，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。他們在實驗中使用添加 ZDP 的礦物油對摩擦副進行潤滑，實驗結(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。實驗中使用了鋼 /鋼副，其中一個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重要。潤滑油中添加劑的電化學反應研究中存在的主要問題是大部分潤滑油的低電導率，他們在實驗中通過使用微電極、使用支持電解質(zhì)提高潤滑油電導率來解決該問題。 他們認為在直流電場下硅片和針尖之間產(chǎn)生額外的吸引力，導致摩擦力增大。他們認為其原因是，施加電場改變了鋼膜界面處的粘附力。在該實驗中，產(chǎn)生電控摩擦效果需要極大的電流，當電流低于 40A 時，電場對摩擦系數(shù)幾乎沒有影響，這說明實現(xiàn)干摩擦下的電控摩擦技文獻綜述與選題報告 姓名： 陽小勇 導師：孟永鋼 4 術難度極大。以上實驗中施加極高的電壓才能獲得電控摩擦效果，并且實驗的溫度范圍均在－ 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理等方面對相關的電控摩擦研究進行了總結(jié)。從電控摩擦機理來看，一些電控摩擦研究是從電化學反應的角度來解釋電控摩擦機理的，有的研究中的電控摩擦機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、剪切強度、雙電層斥力、靜電壓力等角度來解釋電控摩擦機理。某些水溶液潤滑體系中電控摩擦的主導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反應是電控摩 擦的主導因素 [3, 4, 10]，有的以雙電層斥力為主導 [16, 17]，還有的是電化學反應與潤滑膜吸脫附共同主導 [5, 6, 9]，有的則是電化學反應與雙電層斥力共同主導 [14, 15]。對于干摩擦體系，其電控摩擦機理與電化學氧化 [29]、靜電壓力 [30, 31]有關。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)，我們認為電控摩擦研究在潤滑介質(zhì)、導電介質(zhì)、電控摩擦機理、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)狀和存在的問題進行了詳細論述，本節(jié)將從潤滑介質(zhì)、導電介質(zhì)、電控摩擦機理、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理認識方面還不成熟，且對電控摩擦的響應速度缺少研究，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)作為導電介質(zhì)不是很好的選擇。 文獻綜述與選題報告 姓名： 陽小勇 導師：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較新的課題。 在以往電控摩擦研究成果的基礎之上，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驗與理論研究”的課題。 3 課題方案與計劃 課題 整體方案與 具體 技術路線 本課題電控摩擦研究主要圍繞含有帶電有機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穩(wěn)定窗口內(nèi)也可以 產(chǎn)生電控摩擦效果，即電化學反應不是電控摩擦的必要條件。非水基潤滑液的最大電導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率都很低。 在電化學穩(wěn)定窗口內(nèi)的電控摩擦機理與潤滑膜狀態(tài)的電位依賴特性有關，表征潤滑膜狀態(tài)隨電極電位變化的檢測技術主要有光學檢測、電化學檢測以及微天平檢測等手段。另外，本課題還利用電化學石英晶振微天平（ ECQCM）技術檢測潤滑膜質(zhì)量隨電極電位的變化。為了全面理解電化學穩(wěn)定窗口內(nèi)的電控摩擦機理，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，并指導適合于電控摩擦的潤滑液的選型，同時將電控摩擦研究中使用的潤滑液向聚電解質(zhì)溶液 [43, 6468]擴展。 基于非水溶液潤滑的電控摩擦 實驗 實驗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，實驗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，油酸鈉為化學純， PC純度為 99%； wt% SDBS 的 PC 溶液， SDBS 為化學純，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驗可對 以上推測進行驗證，其實驗結(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 = 180 rpm。 圖 1 基于油酸鈉的 PC溶液潤滑的電控摩擦實 驗結(jié)果 文獻綜述與選題報告 姓名： 陽小勇 導師：孟永鋼 9 圖 2 基于 SDBS 的 PC溶液潤滑的電控摩擦實驗結(jié)果 圖 3 基于葡萄糖的 PC溶液潤滑的電控摩擦實驗結(jié)果 文獻綜述與選題報告 姓名： 陽小勇 導師：孟永鋼 10 圖 4 基于 PEG400 的乙醇溶液潤滑的電控摩擦實驗結(jié)果 基于獨立 導電介質(zhì) 的電控摩擦 實驗 嘗試采用獨立的導電介質(zhì)進行電控摩擦實驗，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。 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 為導電介質(zhì)改進的電控摩擦系統(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 中旁路開關的頻繁通斷引起，在該電流脈沖的激勵下，工作電極界面逐漸充負電，故摩擦系數(shù)逐漸升高，直到 160 s 附件，摩擦系數(shù)達到最大，此后，工作電極界面的負電荷在放電作用下逐漸減少，因此摩擦系數(shù)逐漸恢復到充電前水平。實驗在球盤摩擦試驗機上完成，摩擦副為ZrO2球 /不銹鋼盤副，實驗中所用的潤滑液為 wt% SDBS 的 PC 溶液。C，法向載荷 L = 10 N，相對轉(zhuǎn)速 n = 10 rpm。 以上采用獨立導電介質(zhì)的電控摩擦實驗表明，采用 SPE 作為獨立導電介質(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立導電介質(zhì)的電控摩擦基本沒效果。在實驗中分別采用了電化學石英晶振微天平（ ECQCM）、電化學交流阻抗譜（ EIS）和電流積分等檢測技術，并對電化學橢圓偏振光檢測技術進行了初步分析。 利用電化學交流阻抗譜（ EIS）檢測技術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力學過程。由于雙電層電流持續(xù)時間非常短，而相比之下采用計時電流法檢測電流的采樣頻率非常有限，故采用計時電流法檢測到的電流為法拉第電流， 可通過軟件對其進行積分，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力學過程分別與圖 圖 4 中油酸鈉的 PC 溶液、 PEG400 的乙醇溶 液的電控摩擦實驗結(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溶液為潤滑液兼導電介質(zhì)，在球盤摩擦實驗機上進行電控摩擦實驗。 界面電容的測試結(jié)果見圖 1圖 14，圖 15 是電控摩擦實驗結(jié)果。實驗以 1 mM SDS的水溶液為潤滑液兼導電介質(zhì)，實驗平臺為球盤摩擦實驗機。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，進而引起摩擦系數(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 [16, 17]對微觀尺度摩擦體系的電控摩擦現(xiàn)象作了初步的實驗及理論分析，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)來實現(xiàn)。 工作計劃 ? ? 對電控摩擦研究進行相關的文獻調(diào)研，選擇課題，并完成初步的實驗論證 。 ? ? 結(jié)合電流積分技術、阻抗譜技術、橢圓偏振 光 技術、 ECQCM技術等檢測手段研究并澄清 電化學穩(wěn)定窗口內(nèi)基于非水溶液潤滑的電控摩擦機理 。 4 課