【正文】 工作難點(diǎn)：難點(diǎn)之一是基于非水溶液潤(rùn)滑的電控摩擦機(jī)理研究，難點(diǎn)之二是基于微觀尺度摩文獻(xiàn)綜述與選題報(bào)告 姓名： 陽(yáng)小勇 導(dǎo)師：孟永鋼 19 擦體系的電控摩擦實(shí)驗(yàn)研究。 ? ? 采用獨(dú)立導(dǎo)電介質(zhì)進(jìn)行電控 摩擦實(shí)驗(yàn) 。其實(shí)，在微觀尺度摩擦體系下，電 位改變引起的雙電層斥力改變不能忽略，從而導(dǎo)致有效法向力變化，摩擦力相應(yīng)地發(fā)生變化。電控摩擦實(shí)驗(yàn)的其他條件為： ZrO2 球 /不銹鋼盤副，石墨對(duì)電極；實(shí)驗(yàn)環(huán) 境溫度 25176。 EIS 實(shí)驗(yàn)條件為： DC 電位掃描范圍－ 1V 至＋ 1V，掃描間隔 ；交流擾動(dòng)信號(hào)幅值 10mV，頻率 10Hz。 實(shí)驗(yàn)環(huán) 境溫度為 25176?？傠姾闪繙p去法拉第電荷量，其差值便是工作電極表面電荷量。 采用 QCM 檢測(cè)方法可獲得固 /液界面、固 /氣界面吸附膜的吸脫附行為，針對(duì)不同性質(zhì)的吸附膜（粘彈性膜或剛性膜），需要對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。其電控摩擦系統(tǒng)示意圖如圖 9 所示，電控摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖 10。圖 8 的電控摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)的電控摩擦系統(tǒng)具有電控摩擦效應(yīng)，但電控摩擦的效果不能持續(xù)維持。實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度 25176。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在某些非水基潤(rùn)滑液中確實(shí)存在電控摩擦效應(yīng)。 表 1 列出了乙醇、碳酸丙烯酯、水等溶劑的相對(duì)介電常數(shù)、偶極矩值，表中三種溶劑按極性由強(qiáng)到弱排序依次為：碳酸丙烯酯 水 乙醇。 本課題的整體研究方案如下：以非水溶液為潤(rùn)滑介質(zhì)，并以潤(rùn)滑介質(zhì)為導(dǎo)電介質(zhì)，進(jìn)行電控摩擦實(shí)驗(yàn)，結(jié)合多種檢測(cè)技術(shù)初步確定基于非水溶液潤(rùn)滑的電控摩擦機(jī)理；采用獨(dú)立的導(dǎo)電介質(zhì)，進(jìn)行基于非水溶液潤(rùn)滑的電控摩擦實(shí)驗(yàn)，以提高電控摩擦效果，并進(jìn)一步 驗(yàn)證電控摩擦機(jī)理；結(jié)合實(shí)驗(yàn)和理論分析來(lái)研究基于微觀尺度摩擦的電控摩擦，以便全面理解電控摩擦機(jī)理。此外，本課題利用電流積分技術(shù)，將雙電層電流與法拉第電流分開，從而得到電極表面電荷密度文獻(xiàn)綜述與選題報(bào)告 姓名： 陽(yáng)小勇 導(dǎo)師：孟永鋼 7 與電極電位之間的定量關(guān)系。為了提高非水基潤(rùn)滑液的電導(dǎo)率，往往需要添加一些支持電解質(zhì) [25, 26]。表面活性劑、脂肪 酸及衍生物廣泛應(yīng)用于工業(yè)潤(rùn)滑領(lǐng)域，而碳酸烯酯類中的碳酸丙烯酯（ PC）、醇類中的乙醇都是良好的極性有機(jī)溶劑。以往基于宏觀尺度摩擦的電控摩擦研究中，摩擦界面的雙電層斥力是可以忽略的，但在基于微觀尺度摩擦的電控摩擦研究中，摩擦界面的雙電層斥力不能忽略，因此，基于微觀尺度摩擦的電控摩擦研究有助于全面理解電控摩擦機(jī)理。 在導(dǎo)電介質(zhì)方面，將導(dǎo)電介質(zhì)從潤(rùn)滑介質(zhì)中獨(dú)立出來(lái)是一種全新的思路。通過(guò)各種檢測(cè)手段的相互佐證，并且借助原位的檢測(cè)手段，有望真正揭示電控摩擦的機(jī)理，并真正建立電極電位、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。 在以往的電控摩擦研究中，為了深入探索電控摩擦的機(jī)理，研究人員使用了電化學(xué)方法、光譜法、顯微技術(shù)、微天平技術(shù)等檢測(cè)手段，這些檢測(cè)手段主要包括伏安法 [4, 6, 14, 15, 25, 26]、阻抗譜[8, 11, 14, 15, 25, 26]、紅外光譜 [14, 15]、拉曼光譜 [6]、電化學(xué)原子力顯微技術(shù)（ ECAFM） [8]、電化學(xué)石英晶振微天平技術(shù)（ ECQCM） [8]等。總之，有關(guān)電控摩擦機(jī)理的論述涉及到物理、化學(xué)、電化 學(xué)等因素，針對(duì)不同的電控摩擦體系，起主導(dǎo)作用的電控摩擦機(jī)理存在差異。C 至－ 30176。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)。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)。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。 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)。 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（鋼盤接電源正極，電流從鋼盤流向鋼球）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。實(shí)驗(yàn)采用了低碳鋼銷 /低碳鋼盤副以及低碳鋼銷 /砂石盤副，并以低碳鋼銷作為工作電極。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。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。實(shí)驗(yàn)表明，電控摩擦的效果依賴于水基潤(rùn)滑液中的添加劑種類，因而電控摩擦的機(jī)理不能簡(jiǎn)單的歸結(jié)于水電解。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。 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。在他們的實(shí)驗(yàn)中，以低碳鋼盤作為工作電極，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。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)。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?？梢?jiàn)，其電控摩擦機(jī)理與電化學(xué)反應(yīng)有關(guān)。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。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。從摩擦副材料來(lái)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(zhì)副、電介質(zhì) /電介質(zhì)副 [30, 31]。在一些非水溶液潤(rùn)滑體系中，電控摩擦的主導(dǎo)因素是電化學(xué)反應(yīng) [21, 22, 2426]，有的非水溶液潤(rùn)滑體系中電控摩擦的主導(dǎo)因素為粘附能變化 [20]，而有的以潤(rùn)滑膜結(jié)構(gòu)改變?yōu)橹鲗?dǎo)因素 [23]，還有的則是電化學(xué)反應(yīng)及潤(rùn)滑膜狀態(tài)改 變共同主導(dǎo) [18]。石英晶振微天平（ QCM）非常文獻(xiàn)綜述與選題報(bào)告 姓名： 陽(yáng)小勇 導(dǎo)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(yùn)用 QCM 與電化學(xué)方法相結(jié)合的 ECQCM技術(shù)則可以對(duì)不同電位下電極表面上吸附膜的質(zhì)量變化進(jìn)行檢測(cè)。由于金屬摩擦副在水 溶液中易于電化學(xué)腐蝕，故水基潤(rùn)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(yīng)用前景受到影響。 在電控摩擦機(jī)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(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，這是電控摩擦研究的一個(gè)任務(wù)。本課題的研究?jī)?nèi)容主要有以下幾個(gè)方面：基于非水溶液和水溶液的電控摩擦比較研究，采用獨(dú)立導(dǎo)電介質(zhì)的 電控摩擦實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)合多種檢測(cè)技術(shù)的電控摩擦機(jī)理研究，基于微觀尺度摩擦的電控摩擦理論研究。本課題基于非水溶液潤(rùn)滑的電控摩擦研究正是要實(shí)現(xiàn)電化學(xué)穩(wěn)定窗口內(nèi)的電控摩擦，以保護(hù)金屬摩擦試件免遭電化學(xué)腐蝕。與電化學(xué)方法結(jié)合的橢圓偏振光術(shù)能檢測(cè)電極 /溶液界面吸附膜厚度隨電 極電位的變化，而電化學(xué)阻抗譜測(cè)試可得到界面電容 電極電位曲線。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。以不銹鋼盤試件作為工作電極，對(duì)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(duì)電極之間的導(dǎo)電介質(zhì)為潤(rùn)滑液。圖 2為基于 SDBS 的 PC 溶液潤(rùn)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(duì)轉(zhuǎn)速（ n）條件為： L = N， n = 50 rpm。 先介紹以 NCSPE 為導(dǎo)電介質(zhì)的電控摩擦實(shí)驗(yàn)。 文獻(xiàn)綜述與選題報(bào)告 姓名： 陽(yáng)小勇 導(dǎo)師：孟永鋼 11 圖 6 以 NCSPE 為導(dǎo)電介質(zhì)的電控摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果 對(duì)圖 5 中的電控摩擦系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，引入一旁路有源電阻，該旁路通過(guò)開關(guān)控制與雙電極系統(tǒng)導(dǎo)通或斷開。 World Precision Instruments），作為導(dǎo)電介質(zhì)的電解液為 1 mM SDS 的水溶液。提高SPE 的離子電導(dǎo)率，并改進(jìn)采用電解液作為導(dǎo)電介質(zhì)的電控摩擦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，有望獲得理想的電控摩擦效果。 電流積分檢測(cè)技術(shù)用于將雙電層電流從法拉第電流中分離出來(lái)，并確定工作電極表面電荷量。 第一，針對(duì)油酸鈉的 PC溶液、 PEG400 的乙醇溶液進(jìn)行了 ECQCM 實(shí)驗(yàn)。通過(guò) ECQCM對(duì)吸附膜質(zhì)量變化的定量檢測(cè)，可確定工作電極電位與吸附膜質(zhì)量變化之間的定量關(guān)系，有助于對(duì)電控摩擦機(jī)理的深入研究，以及對(duì)電控摩擦規(guī)律的定量描述。圖 14 中界面電容倒數(shù)的變化趨勢(shì)和圖 15 中摩擦系數(shù)的變化趨勢(shì)是一致的，并且對(duì)于界面電容倒數(shù)曲線和摩擦系數(shù)曲線，在正掃描和反掃描之間均存在遲滯。應(yīng)用橢圓偏振光技術(shù)的研究成果很多 [4143, 4957]，若將橢圓偏振光檢測(cè)技術(shù)與電化學(xué)恒電位技術(shù)結(jié)合，則有望實(shí)現(xiàn)在不同工作電極電位下對(duì)相應(yīng)的吸附膜厚度的檢測(cè)。針對(duì)這兩類微觀尺度摩擦體系的電控摩擦進(jìn)行比較 研究，有助于全面理解電控摩擦的機(jī)理。 ? ? 完成博士論文的撰寫工作 。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。 ? ? 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(cè)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(rùn)滑的電控摩擦機(jī)理 。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(guò)改變潤(rùn)滑膜的狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖 16的結(jié)果表明，對(duì)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。 界面電容的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖 1圖 14，圖 15 是電控摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 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(guò)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(shuō)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。在以往的電控摩擦研究中，雖然對(duì)工作電極電位、電流、表面電荷以及潤(rùn)滑膜厚度、質(zhì)量等參數(shù)的重要性有所認(rèn)識(shí)，但對(duì)這些物理量之間的內(nèi)在聯(lián)系沒(méi)有深入的考察。 利用電化學(xué)交流阻抗譜（ EIS）檢測(cè)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(guò)程。 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(méi)效果。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(rùn)滑液為 wt% SDBS 的 PC 溶液。 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