【正文】 題特色與預期成果 課題特色：課題嘗試將電控摩擦研究從水溶液潤滑向非水溶液潤滑擴展，在電化學穩(wěn)定窗口內實現(xiàn)基于非水溶液潤滑的電控摩擦；在電控摩擦研究中嘗試采用獨立的導電介質，有望提高電控摩擦效果，并擴充適合于電控摩擦的潤滑介質種類；嘗試結合多種檢測技術研究電控摩擦機理，有望建立描述電 控摩擦規(guī)律的定量模型。cklum, et al. Influence of viscoelasticity and interfacial slip on acoustic wave sensors[J]. J. Appl. Phys., 20xx, 88(12): 7304 7312. [41] J. S. Major, G. J. Blanchard. Adsorption behavior of polymermodified interfaces[J]. Langmuir, 20xx, 18(17): 6548 6553. [42] W. Pan, C. J. Durning, N. J. Turro. Kiics of alkahiol adsorption on gold[J]. Langmuir, 1996, 12(18): 4469 4473. [43] E. Guzm225。 可能的創(chuàng)新點：實現(xiàn)基于非水溶液潤滑的電控摩擦，在電化學穩(wěn)定窗口內澄清其電控摩擦機理；實現(xiàn)基于獨立導電介質的電控摩擦，提高基于非水溶液潤滑的電控摩擦效果，并使適合于電控摩擦的潤滑介質種類得到擴充；實現(xiàn)基于微觀尺度摩擦體系的電控摩擦，并全面理解電控摩擦機理。 ? ? 完成博士論文的撰寫工作 。 ? 構建電化學橢圓偏振 光 檢測系統(tǒng) 。針對這兩類微觀尺度摩擦體系的電控摩擦進行比較 研究，有助于全面理解電控摩擦的機理。由此可見，在微觀尺度摩擦體系下，通過改變潤滑膜的狀態(tài)即摩擦系數或改變有效法向力均可實現(xiàn)電控摩擦效果。應用橢圓偏振光技術的研究成果很多 [4143, 4957]，若將橢圓偏振光檢測技術與電化學恒電位技術結合，則有望實現(xiàn)在不同工作電極電位下對相應的吸附膜厚度的檢測。C，法向載荷 L = 10 N，相對轉速 n = 10 rpm。圖 14 中界面電容倒數的變化趨勢和圖 15 中摩擦系數的變化趨勢是一致的，并且對于界面電容倒數曲線和摩擦系數曲線，在正掃描和反掃描之間均存在遲滯。電控摩擦實驗條件為： wt% SDBS 的 PC 溶液作潤滑液， ZrO2球 /不銹鋼盤副，石墨對電極；實驗環(huán)境溫度 25176。通過 ECQCM對吸附膜質量變化的定量檢測，可確定工作電極電位與吸附膜質量變化之間的定量關系，有助于對電控摩擦機理的深入研究，以及對電控摩擦規(guī)律的定量描述。C，實驗中溶液體系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%； 9 vt% PEG400的乙醇溶液， PEG400 為化學純，乙醇純度為%。 第一，針對油酸鈉的 PC溶液、 PEG400 的乙醇溶液進行了 ECQCM 實驗。 掃描隧道顯微鏡（ STM）技術對固 /液界面吸附膜的成像存在一定難度，因為溶液自身的電流將干擾隧道電流，影響成像質量。 電流積分檢測技術用于將雙電層電流從法拉第電流中分離出來，并確定工作電極表面電荷量。 ECQCM 技 術結合了電化學技術以及 QCM 檢測技術，用于檢測電極表面吸附膜的吸脫附行為隨工作電極電位的變化。提高SPE 的離子電導率，并改進采用電解液作為導電介質的電控摩擦系統(tǒng)結構，有望獲得理想的電控摩擦效果。 圖 10 的電控摩擦結果表明，圖 9 中以電解液為導電介質的電控摩擦系統(tǒng)沒有產生電控摩擦效果。 World Precision Instruments），作為導電介質的電解液為 1 mM SDS 的水溶液。以上的實驗結果也證明，電極表面電荷量的變化是電控摩擦的直接原因。 文獻綜述與選題報告 姓名： 陽小勇 導師：孟永鋼 11 圖 6 以 NCSPE 為導電介質的電控摩擦實驗結果 對圖 5 中的電控摩擦系統(tǒng)進行改進，引入一旁路有源電阻，該旁路通過開關控制與雙電極系統(tǒng)導通或斷開。C，法向載荷 L = 2 N，相對速度 v = 2 mm/s。 先介紹以 NCSPE 為導電介質的電控摩擦實驗。在針對油酸鈉的 PC 溶液、SDBS 的 PC 溶液、葡萄糖的 PC 溶液的電控摩擦實驗中，當工作電極電位負跳變時，摩擦系數不同程度地升高，而在針對 PEG400的乙醇溶液的電控摩擦實驗中，當工作電極電位負跳變時，摩擦系數有所降低。圖 2為基于 SDBS 的 PC 溶液潤滑的電控摩擦實驗結果，實驗中法向載荷（ L）、相對轉速（ n）條件為： L = N， n = 50 rpm。水基潤滑液中的電控摩擦效應已被許多研究證實，若非水基潤滑液以極性的碳酸丙烯酯、乙醇作溶劑，則在此類非水溶液中很有可能也存在電控摩擦效果。以不銹鋼盤試件作為工作電極，對電極采用石墨電極，參比電極采用飽和甘汞電極，工作電極與對電極之間的導電介質為潤滑液。 本課題研究的具體技術路線如下：將電控摩擦研究中使用的潤滑介質從水溶液擴展到非水溶液，具體包括油酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉（ SDBS） [69]、葡萄糖 [70]等的 PC 溶液，聚乙二醇 400（ PEG400） [71]的乙醇溶液等；將電控摩擦研究中使用的導電介質從潤滑液擴展到獨立的導電介質，包括固態(tài)聚合物電解質、電解液等；將摩擦體系從宏觀尺度摩擦擴展到微觀尺度摩擦，使摩擦界面的法向載荷與雙電層斥力具有可比性；以橢圓偏振術、阻 抗譜技術、 QCM 技術和電流積分技術等為檢測手段，研究并澄清電化學穩(wěn)定窗口內基于非水溶液潤滑的電控摩擦機理；對基于非水溶液、水溶液潤滑的電控摩擦進行比較研究，從而揭示影響電控摩擦效果的關鍵因素，并進一步擴展適合于電控摩擦的潤滑液種類，如有望采用聚電解質溶液作潤滑液，對其進行電控摩擦研究。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。本課題綜合運用以上各種檢測手段，通過實驗方法建立電極電位、電極電流、電極表面電荷密度與潤滑膜狀態(tài)之間的函數關系，進而揭示電控摩擦內在機理。與電化學方法結合的橢圓偏振光術能檢測電極 /溶液界面吸附膜厚度隨電 極電位的變化，而電化學阻抗譜測試可得到界面電容 電極電位曲線。本課題獨辟蹊徑，采用獨立的具有高離子電導率的導電介質，包括固態(tài)聚合物電解質（ SPE）及電解液，而使?jié)櫥褐黄饾櫥饔?。本課題基于非水溶液潤滑的電控摩擦研究正是要實現(xiàn)電化學穩(wěn)定窗口內的電控摩擦，以保護金屬摩擦試件免遭電化學腐蝕。因此，本課題針對以上選定的非水基潤滑液進行電控摩擦研究是具有應用價值的，并且在保證課題具有一定普遍性的同時可以深入透徹地研究電控摩擦機理。本課題的研究內容主要有以下幾個方面：基于非水溶液和水溶液的電控摩擦比較研究，采用獨立導電介質的 電控摩擦實驗研究，結合多種檢測技術的電控摩擦機理研究，基于微觀尺度摩擦的電控摩擦理論研究。 在檢測手段方面，采用多種檢測手段相互佐證，并實現(xiàn)原位的檢測技術，這是電控摩擦 研究取得突破的必要條件。 在電控摩擦機理方面，建立電極電位、電極電流、電極表面電荷密度與摩擦系數之間的函數關系，這是電控摩擦研究的一個任務。在以往的基于潤滑液的電控摩擦研究中，潤滑介質既對摩擦界面起潤滑作用，又充當導電介質，這就要求潤滑介質具備較高的電 導率，才能獲得較好的電控摩擦效果。由于金屬摩擦副在水 溶液中易于電化學腐蝕，故水基潤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用前景受到影響。在全面掌握電控摩擦規(guī)律和機理的基礎上，有望使電控摩擦技 術產業(yè)化。石英晶振微天平（ QCM）非常文獻綜述與選題報告 姓名： 陽小勇 導師：孟永鋼 5 適合于研究固 /液界面或固 /氣界面的吸附行為 [3743]，而運用 QCM 與電化學方法相結合的 ECQCM技術則可以對不同電位下電極表面上吸附膜的質量變化進行檢測。 通過伏安法可判斷在電位掃描區(qū)間內電極 /溶液界面處是否發(fā)生了氧化還原反應，并可確定工作電極表面上未發(fā)生電化學反應的電化學穩(wěn)定窗口。在一些非水溶液潤滑體系中，電控摩擦的主導因素是電化學反應 [21, 22, 2426]，有的非水溶液潤滑體系中電控摩擦的主導因素為粘附能變化 [20]，而有的以潤滑膜結構改變?yōu)橹鲗б蛩?[23]，還有的則是電化學反應及潤滑膜狀態(tài)改 變共同主導 [18]。 對于一個具體的摩擦系統(tǒng)，其摩擦特性決定于摩擦副界面的物理化學性質和潤滑條件，因此，電控摩擦的機制必然是通過對摩擦界面及其潤滑介質的結構或狀態(tài)進行可控調節(jié)來實現(xiàn)的。從摩擦副材料來看，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 /電介質副、電介質 /電介質副 [30, 31]。C 之間。在他們的實驗中，采用了兩個金屬電極，其中一個電極為金屬摩擦件，與冰塊一側表面接觸，另一個電極與冰塊另一側表面接觸。 Bouchoucha等研究了無潤滑滑動摩擦條件下電場對銅 /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。該實驗中的電控摩擦現(xiàn)象局限于微納米結構，且機理與 LB 單分子層膜的結構無必然聯(lián)系，電場作用對摩擦力的控制是通過改變摩擦副的法向力來是實現(xiàn)的。 H. W. Liu 等借助掃描力儀（ SFM）研究了外加電場對 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，而在交流電場下，摩擦力是電壓幅值和頻率的函數，且在某個幅值和頻率的組合下，摩擦力幾乎為零?？梢?，其電控摩擦機理與電化學反應有關。他們沒有解釋液晶電控摩擦的機理，但從電 壓極性對摩擦系數變化趨勢無影響的事實，可推測液晶邊界膜的電控摩擦機理與靜電力、取向力、電化學反應無關，而很有可能是通過液晶分子結構的電場依賴特性來改變其摩擦特性的。文獻 [21]和 [22]中的電控摩擦都是通過潤滑液的電化學反應來實現(xiàn)的。他們認為，沉積在帶電金屬表面上的磷酸鐵膜具有非結晶態(tài)結構，因而其潤滑特性比傳統(tǒng)的結晶態(tài)的磷酸錳或磷酸鐵涂層更好。就他們的實驗而言，電場對摩擦系數的控制很有可能是通過鐵磁液體的磁場作用來實現(xiàn)的，但他們沒有給出更有說服力的證據。他們認為電場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的改變。他們認為電控摩擦的機理包含兩個獨立的方面：一是通過雙電層斥力改變摩擦表面間的有效法向力，二是通過表面化學控制摩擦表面上潤滑膜的剪切強度。實驗結果發(fā)現(xiàn)：對于低碳鋼銷 /砂石盤副，施加負電位時摩擦系數下降，而對于低碳鋼銷 /低碳鋼盤副，施加正電位時摩擦系數下降。在他們的實驗中，以低碳鋼盤作為工作電極，以鉑片為對電極，并采用了 SHE 參比電極。實驗結果表明，在正于－ 400mV vs. SHE的電位下，摩擦系數迅速下降，這與表面潤滑膜厚度的增加是一致的。他們認為，不同電壓下氧化還原反應所形成的邊界膜的不同性質決定了電文獻綜述與選題報告 姓名： 陽小勇 導師：孟永鋼 2 控摩擦的效果。對于實驗中出現(xiàn)的電控摩擦現(xiàn)象，他們給出了定性的解釋，認為不同電壓導 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的差異，最終引起摩擦系數的變化。他們認為，電控摩擦的機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。 胡波、孟永鋼等也對水溶液中的電控摩擦現(xiàn)象進行了實驗研究 [5, 6]，而且比較全面的分析了電控摩擦的機理，并嘗試將電控摩擦技術應用于摩擦離合器。 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的機理進行了廣泛而深入的實驗研究 [3, 4]，嘗試用金屬件 /潤滑 液界面的電化學反應來解釋電控摩擦現(xiàn)象。 蔣洪軍、孟永鋼等對潤滑條件下陶瓷 /金屬摩擦副的電控摩擦行為進行了比較全面的實驗研究 [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。在國外，德國、法國、英國、美國、日本等國家的許多學者在電控摩擦理論研究和應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驗研究和技術轉化。以上的實驗研究存在的不足有：沒有對電極電位進行準確定量表征，無法確定電極電位和摩擦系數之間的關系；對水溶液中陶瓷 /金屬摩擦副的電控摩擦機理的研究不夠深入，即電極電流在電控摩擦中發(fā)揮作用的本質沒有研究清楚。實驗表明，電控摩擦的效果依賴于水基潤滑液中的添加劑種類，因而電控摩擦的機理不能簡單的歸結于水電解。 賀四清、孟永鋼等針對離子型表面活性劑水溶液中的電控摩擦展開了相關研究 [7, 8]，探討了離子型表面活性劑水溶液中的電控摩擦機理，并探索了電極電位與摩擦系數的關系。在實驗中以摩擦副為工作電極，對電極采用石墨電極，潤滑液作為導電介質，施加的槽電壓可改變極性和大小。 該課題組在電控摩擦實驗中還嘗試了另外一種潤滑液 [10]，即離子型水基切削液，也獲得了相應的電控摩擦效果。在實驗中鐵絲作為工作電極，潤滑液中含有辛酸