【正文】 文獻(xiàn)綜述與選題報(bào)告 姓名： 陽小勇 導(dǎo)師：孟永鋼 13 圖 10 以電解液為導(dǎo)電介質(zhì)的電控摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果 結(jié)合 多種檢測手段研究電控摩擦機(jī)理 通過初步的實(shí)驗(yàn)和理論分析，論證了結(jié)合多種檢測手段進(jìn)行電控摩擦機(jī)理研究的可行性。實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度 25176。改進(jìn)的電控摩擦系統(tǒng)如圖 7 所示，其電控摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖 8。實(shí)驗(yàn)在 UMT2 往復(fù)式摩擦試驗(yàn)機(jī)上完成，摩擦副為 Si3N4球 /銅片副，實(shí)驗(yàn)中所用的潤滑液 為 1 mM十二烷基硫酸鈉（ SDS）的水溶液。圖 3為基于葡萄糖的 PC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 = 100 rpm。 實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為 25176。 本課題在研究基于非水溶液潤滑的電控摩擦問題時(shí)，運(yùn)用比較研究的方法對基于非水溶液、水溶液 潤滑的電控摩擦進(jìn)行綜合考察，從潤滑液的溶劑極性、溶質(zhì)解離度、離子遷移率等方面研究電控摩擦中非水溶液、水溶液的異同。本課題結(jié)合電化學(xué)橢圓偏振術(shù)與阻抗譜檢測，共同表征潤滑膜狀態(tài)隨電極電位的變化。 若以非水基潤滑液作導(dǎo)電介質(zhì)，那么它的電導(dǎo)率是影響電控摩擦效果的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。本課題的主要研究目標(biāo)如下：實(shí)現(xiàn)電控摩擦過程中針對潤滑膜狀態(tài)的原位檢測技術(shù)，澄清基于非水溶液潤滑的電控摩擦機(jī)理，提高基于非水溶液潤滑的電控摩擦效果，探討基于微觀尺度摩擦的電控摩擦機(jī)理。以往的電控摩擦研 究對電極電位、電極電流、電極表面電荷密度及摩擦系數(shù)相互之間的內(nèi)在聯(lián)系缺少深入認(rèn)識(shí)和全面理解，所以有必要進(jìn)一步探索這幾個(gè)物理量之間最本質(zhì)的聯(lián)系，并建立準(zhǔn)確的函數(shù)關(guān)系。工程實(shí)踐中經(jīng)常采用非水溶液作為潤滑液，因而基于非水溶液潤滑的電控摩擦研究在技術(shù)應(yīng)用方面更有現(xiàn)實(shí)意義。 電控摩擦研究中的 問題 目前電控摩擦研究存在的主要問題有：大部分電控摩擦研究針對的都是水溶液潤滑體系，對非水溶液中的電控摩擦研究還處于起步階段；迄今為止在公開的電控摩擦文獻(xiàn)中，基于潤滑液的電控摩擦研究均采用潤滑介質(zhì)作為導(dǎo)電介質(zhì)，一方面使導(dǎo)電介質(zhì)的電導(dǎo)率受到潤滑介質(zhì)本身物理屬性的限制，導(dǎo)致低電導(dǎo)率非水溶液中的電控摩 擦效果很差，另一方面使水溶液潤滑的金屬摩擦副試件在電控摩擦中極易被腐蝕；很多電控摩擦研究對于電控摩擦機(jī)理的解釋尚處于定性和猜測的水平，缺少實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和描述電控摩擦規(guī)律的定量模型，沒有明確界定電極電位、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；幾乎所有電控摩擦研究都是在宏觀尺度摩擦范圍內(nèi)展開的，忽視了微觀尺度摩擦在電控摩擦機(jī)理研究中的作用，在微觀尺度摩擦條件下，范德華力、雙電層斥力對摩擦副有效法向力的貢獻(xiàn)將不能忽略，故基于微觀尺度摩擦的電控摩擦機(jī)理需全面考慮潤滑膜的電位依賴特性、雙電層斥力等因素，并因 此具有普適性；對電控摩擦機(jī)理的探討缺少有效的表征手段，特別是缺乏科學(xué)可靠的原位檢測手段，以考察摩擦副界面在電控摩擦過程中所經(jīng)歷的物理、化學(xué)或電化學(xué)變化。 固體膜潤滑體系的電控摩擦機(jī)理與靜電壓力 [27]、粘附力 [28]有關(guān)。從加電方式來看，導(dǎo)電介 質(zhì)基本上都是潤滑介質(zhì) [118, 21, 22, 2426]，工作電極大多為摩擦副金屬件，而對于對電極，有的研究中以摩擦副試件作為對電極，但相當(dāng)多的研究采用了獨(dú)立的惰性材料對電極 [117, 2426]。在文獻(xiàn) [30]中，還嘗試了冰 /絕緣體副，也獲得了類似的電控摩擦效果。 Lavielle 研究了電場對鋼基片上聚乙烯三聚物膜摩擦特性的影響 [28]，發(fā)現(xiàn)在膜與鋼片之間施加負(fù)電壓時(shí)，摩擦系數(shù)增大，而在正電場下摩擦系數(shù)減小。 Ogano、 Y. Zhu 等也研究了摩擦和磨損的電化學(xué)控制 [25]，并使用非水溶液電化學(xué)對潤滑油中添加劑在金屬表面上的反應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究 [26]。 Kimura 研究了液晶邊界膜的電控摩擦特性 [23]，發(fā)現(xiàn)在液晶邊界膜之間施加外電場可顯著減小摩擦系數(shù)。 Kunio 通過潤滑條件下的銷盤摩擦實(shí)驗(yàn)研究了表面誘導(dǎo)電壓（ Surface induced voltage）對不銹鋼 /不銹鋼副摩擦磨損行為的影響 [20]，證實(shí)了在不同的表面誘導(dǎo)電壓（由表面自生電壓和靜電電荷組成）下，摩擦副的摩擦及磨損狀態(tài)存在差異。 Bockris等對液體電解質(zhì)潤滑條件下金屬 /金屬副摩擦系數(shù)的界面電位依賴特性進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)檢測 [16, 17]，發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)和界面電位之間呈現(xiàn)出拋物線變化關(guān)系。他們的結(jié)論是：工作電極表面上辛酸根潤滑膜的覆蓋度和穩(wěn)定性隨工作電極電位而改變，從而導(dǎo)致摩擦系數(shù)出現(xiàn)相應(yīng)的變化。其問題也是在于，解釋缺乏直接證據(jù)，并不 能證明電化學(xué)反應(yīng)真的存在，更不能證實(shí)具體的反應(yīng)產(chǎn)物，并且忽視了工作電極電位的概念。他們的研究存在以下不足：所提出的電極表面電荷決定表面活性劑離子吸脫附的電控摩擦機(jī)理只能解釋電化學(xué)窗口內(nèi)離子型表面活性劑水溶液中的電控摩擦現(xiàn)象，且沒有確立電極電位與表面電荷密度之間的定量關(guān)系。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。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)。 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。 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。 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。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。 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。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。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)為其原因是，施加電場改變了鋼膜界面處的粘附力。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。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。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)。 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。以往基于非水溶液的電控摩擦研究在機(jī)理認(rèn)識(shí)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。 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。 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。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。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。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。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 %。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。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 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。C，法向載荷 L = 10 N，相對轉(zhuǎn)速 n = 10 rpm。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。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。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。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)。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(tái)為球盤摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)。 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。 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 。 4 課題特色與預(yù)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(kuò)展，在電化學(xué)穩(wěn)定窗口內(nèi)實(shí)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(dú)立的導(dǎo)電介質(zhì)，有望提高電控摩擦效果，并擴(kuò)充適合于電控摩擦的潤滑介質(zhì)種類；嘗試結(jié)合多種檢測技術(shù)研究電控摩擦機(jī)理，有望建立描述電 控摩擦規(guī)律的定量模型。 可能的創(chuàng)新點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)基于非水溶液潤滑的電控摩擦，在電化學(xué)穩(wěn)定窗口內(nèi)澄清其電控摩擦機(jī)理；實(shí)現(xiàn)基于獨(dú)立導(dǎo)電介質(zhì)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(zhì)種類得到擴(kuò)充；實(shí)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(jī)理。 ? 構(gòu)建電化學(xué)橢圓偏振 光 檢測系統(tǒng) 。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(shù)或改變有效法向力均可實(shí)現(xiàn)電控摩擦效果。C，法向載荷 L = 10 N，相對轉(zhuǎn)速 n = 10 rpm。電控摩擦實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度 25176。C，實(shí)驗(yàn)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(xué)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%。 掃描隧道顯微鏡（ STM）技術(shù)對固 /液界面吸附膜的成像存在一定難度，因?yàn)槿芤鹤陨淼碾娏鲗⒏蓴_隧道電流，影響成像質(zhì)量。 ECQCM 技 術(shù)結(jié)合了電化學(xué)技術(shù)以及 QCM 檢測技術(shù)，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。 圖 10 的電控摩擦結(jié)果表明，圖 9 中以電解液為導(dǎo)電介質(zhì)的電控摩擦系統(tǒng)沒有產(chǎn)生電控摩擦效果。以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明，電極表面電荷量的變化是電控摩擦的直接原因。C，法向載荷 L = 2 N，相對速度 v = 2 mm/s。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(shí)驗(yàn)