【正文】 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)。 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。C） 乙醇 碳酸丙烯酯 水 相對(duì)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(duì) 以上推測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖 1圖 4。 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。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。 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(cè)技術(shù)主要有光學(xué)檢測(cè)、電化學(xué)檢測(cè)以及微天平檢測(cè)等手段。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。 在以往電控摩擦研究成果的基礎(chǔ)之上，并針對(duì)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。因此，采用潤滑介質(zhì)作為導(dǎo)電介質(zhì)不是很好的選擇。上文已經(jīng)針對(duì)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(cè)手段等方面具體闡述電控摩擦研究的發(fā)展趨勢(shì)。光譜檢測(cè)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。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]。 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(duì)相關(guān)的電控摩擦研究進(jìn)行了總結(jié)。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(duì)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。 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。銅絲與乳狀潤滑液接觸，銅絲的氧化層上脂肪酸的吸附對(duì)邊界潤滑效率至關(guān)重要。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中使用添加 ZDP 的礦物油對(duì)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(duì) 磨表面與沒有加電的對(duì)磨表面相比，前者的摩擦系數(shù)更小。 朱潤生等研究了外加電場對(duì)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(duì)摩擦系數(shù)的變化產(chǎn)生了影響。 Kelsall、 Y. Y. Zhu 等通過實(shí)驗(yàn)考察了電化學(xué)電位對(duì)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。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。同時(shí)，他們沒有對(duì)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(shì)的變化。以上研究的主要不足在于：對(duì)電控摩擦機(jī)理的認(rèn)識(shí)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。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。他們的主要結(jié) 論有：金屬表面水電解與有機(jī)離子吸脫附的共同作用決定了電控摩擦的效果，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(duì)摩擦系數(shù)具有控制作用。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(jìn)一步的證明。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。文獻(xiàn) [1113]中的電控摩擦體系均針對(duì)水溶液潤滑下的金屬 /金屬副（文獻(xiàn) [13]還研究了金屬 /非金屬副），并都引入了參比電極和獨(dú)立的對(duì)電極，而且對(duì)電極和工作電極之間的導(dǎo)電介質(zhì)皆為潤滑液。其存在的問題與文獻(xiàn) [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)。 他們還通過在對(duì)磨金屬表面之間施加電場，實(shí)現(xiàn)了摩擦副摩擦特性的改善 [22]。 Y. Y. Su通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在拔銅絲過程中可以通過電位控制改善邊界潤滑 [24]。在該實(shí)驗(yàn)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(jí)別，且 LB膜為類固態(tài)膜。他們認(rèn)為施加在摩擦副上的電場可促進(jìn)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。他們認(rèn)為實(shí)驗(yàn)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。對(duì)于水溶液潤滑體系，電控摩擦機(jī)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。阻抗譜測(cè)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。 2 電控摩擦研究的 發(fā)展趨勢(shì) 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(jìn)入 21 世紀(jì)以來，國內(nèi)的電控摩擦研究逐漸展開 [210, 18, 19]。然而，以電導(dǎo)率較高的潤滑介質(zhì)作導(dǎo)電介質(zhì)時(shí)，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。這些檢測(cè)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。使用獨(dú)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(jìn)一步澄清電控摩擦機(jī)理。 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?yàn)楹暧^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。 課題工作的可行性分析 下面結(jié)合初步的有針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論，對(duì)本課題研究工作進(jìn)行詳細(xì)的可行性分析。 文獻(xiàn)綜述與選題報(bào)告 姓名： 陽小勇 導(dǎo)師：孟永鋼 8 表 1 幾種溶劑的相對(duì)介電常數(shù)及偶極矩值（ 25176。另外，以上實(shí)驗(yàn)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。其電控摩擦系統(tǒng)示意圖如圖 5 所示，電控摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖 6。 下面介紹以電解液為導(dǎo)電介質(zhì)的電控摩擦實(shí)驗(yàn)。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(xiàn)綜述與選題報(bào)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。 橢圓偏振光檢測(cè)技術(shù)可測(cè)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(duì)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(cè)試技術(shù)有望檢測(cè)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。 文獻(xiàn)綜述與選題報(bào)告 姓名： 陽小勇 導(dǎo)師：孟永鋼 14 目前，對(duì)電化學(xué)穩(wěn)定窗口內(nèi)的電控摩擦機(jī)理的認(rèn)識(shí)尚處于猜測(cè)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。實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(dòng)力學(xué)過程。C，法向載荷 L = 10 N，相對(duì)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 16 SDS 的水溶液中的電控摩擦實(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 18 在該實(shí)驗(yàn)中激勵(lì)信號(hào)為工作電極電位階梯信號(hào)，其電控摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 16 所示。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。 ? 研究基于微觀尺度摩擦 體系 的電控摩擦 。 預(yù)期成果如下 ： ? 發(fā)表學(xué)術(shù)論文 2 篇（ SCI， IF1） ? 申請(qǐng)發(fā)明專利 1 項(xiàng) ? 學(xué)術(shù)會(huì)議 ? 十二烷基苯磺酸鈉、葡萄糖的 PC 溶液中的電控 摩擦 . 全國青年摩擦學(xué)與表面工程學(xué)術(shù)會(huì)議 , 北京 , 20xx. ? Influence factors and mechanism of potentialcontrolled friction in propylene carbonate solutions. 6th China International Symposium on Tribology, Lanzhou. (Abstract accepted.) ? Potentialcontrolled friction of ZrO2/stainless steel contacts in ethanol solutions. International tribology conference, Hiroshima, 20xx. (Abstract accepted.) 參考文獻(xiàn) [1] H. J. Jiang, Y. G. Meng, et al. Effects of external electric fields on friction behaviors of three kinds of ceramic/metal rubbing couples[J]. Tribol. Int., 1999, 32(3): 161 166. [2] 蔣洪軍 . 陶瓷 /金屬摩擦副電控摩擦行為的實(shí)驗(yàn)研究 [D]. 北京：清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系， 20xx. [3] Q. Y. Chang, Y. G. Meng, S. Z. Wen. Influence of interfacial potential on the tribological behavior of brass/silicon dioxide rubbing couple[J]. Appl. Surf. Sci., 20xx, 202(12): 120 125. [4] 常秋英 . 水溶液中金屬 /陶瓷摩擦副電控摩擦效應(yīng)的機(jī)理研究 [D]. 北京：清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系， 20xx. [5] Y. G. Meng, B. Hu, Q. Y. Chang. Control of local friction of metal/ceramic couples in aqueous solutions with an electrochemical method[J]. Wear, 20xx, 260(3): 305 309. [6] 胡波 . 電控摩 擦現(xiàn)象的電化學(xué)機(jī)理和實(shí)驗(yàn)研究 [D]. 北京：清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系，20xx. [7] 賀四清 , 孟永鋼 , 田煜 . 不同載荷和速度下氧化鋯 /不銹鋼摩擦副電控摩擦行為的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 摩擦學(xué)學(xué)報(bào) , 20xx, 29(6): 546 550. [8] 賀四清 . 離子型表面活性劑水溶液中的電控摩擦機(jī)理及響應(yīng)研究 [D]. 北京：清華大學(xué)精密儀