【正文】 ? 對實驗結果和研究成果進行總結，發(fā)表相關的學術論文，并申請發(fā)明專利 。 第四， EC 橢圓偏振光檢測技術可對工作電極 /潤滑液界面處潤滑膜厚度隨工作電極電位的變化進行表征，為建立工作電極電位變化和潤滑膜厚度變化之間的數(shù)學關系提供實驗 數(shù)據(jù)。工作電極 /溶液界面起潤滑作用的吸附膜的狀態(tài)隨工作電極電位而改變，直接導致其潤滑特性的改變。為了獲得不同工作電極電位處的界面電容值，采用單頻掃電位方法測量每個電位處的阻抗，然后從阻抗虛部計算得到相應的界面電容大小。工作電極為不銹鋼盤摩擦試件，對電極采用石墨電極，參比電極采用 Ag/AgCl固體電極（ DRIREF2SH。所用的導電介質先后采用了納米復合材料固態(tài)聚合物電解質（ NCSPE）、電解液。以上實驗均在球盤摩擦試驗機上完成，摩擦副為 ZrO2球 /不銹鋼盤副。橢圓偏振光檢測技術可表征固 /液界面的吸附行為，其分辨率可達 。選擇該課題也是基于對電控摩擦研究發(fā)展趨勢的考慮，本課題的工作將促進電控摩擦研究的發(fā)展，并推動電控摩擦技術的成果轉化。 在潤滑介質方面，基于非水溶液潤滑的電控摩擦研究是一個比較新穎且具有廣泛應用背景的課題。 非水溶液潤滑體系的電控摩擦機理與電化學反應、粘附能變化、潤滑膜結構改變、潤滑膜狀態(tài)改變等相關。 Petrenko、 Arakawa 等通過實驗研究了外加電場對冰面摩擦的影響 [30, 31]， 發(fā)現(xiàn)施加 kV 級直流或交流電壓后冰 /金屬副的摩擦有所增大。拔絲過程中的磨損導致銅絲上的氧化層不斷脫落，而通過對銅絲施加適當電位，電化學反應在銅絲裸露的銅表面上產生新的鈍化層，從而使表面質量大為提高，摩擦系數(shù)降低，能量耗散顯著減小。他們的解釋存在一些可疑之處，在他們的實驗中其實并不存在直流電場，因為電壓施加在構成摩擦副的金屬銷和盤上，而銷和盤通過接 觸電阻連接，故形成電場所需要的兩極板并不存在。 他們還考察了辛酸鈉水溶液中工作電極電位對低碳鋼銷 /低碳鋼盤副的動摩擦系數(shù)的影響[12]，并獲得了與文獻 [11]類似的結果。 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(shù)的關系。 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。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(shù)的變化。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(shù)下降，而對于低碳鋼銷 /低碳鋼盤副，施加正電位時摩擦系數(shù)下降。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。 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(shù)，且在某個幅值和頻率的組合下，摩擦力幾乎為零。C 之間。 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。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(shù)關系，進而揭示電控摩擦內在機理。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。C，法向載荷 L = 2 N，相對速度 v = 2 mm/s。 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。 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。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現(xiàn)電控摩擦效果。 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。 工作計劃 ? ? 對電控摩擦研究進行相關的文獻調研，選擇課題，并完成初步的實驗論證 。實驗以 1 mM SDS的水溶液為潤滑液兼導電介質，實驗平臺為球盤摩擦實驗機。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。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。 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 為導電介質改進的電控摩擦系統(tǒng)示意圖 圖 8 中內圖在 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。圖 4為基于 PEG400 的乙醇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 = 10 N， n = 180 rpm。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溶液 [43, 6468]擴展。非水基潤滑液的最大電導率由其溶劑的極性和溶質的解離度、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。 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。 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，我們認為電控摩擦研究在潤滑介質、導電介質、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。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。他們認為其原因是，施加電場改變了鋼膜界面處的粘附力。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。他們經過理論 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。 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。他們認為電控摩擦的機理與水電解產物在金屬表面上發(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)。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，并結合幾種電化學方法研究了電控摩擦的機理。其問題也是在于，解釋缺乏直接證據(jù)，并不 能證明電化學反應真的存在，更不能證實具體的反應產物，并且忽視了工作電極電位的概念。 Bockris等對液體電解質潤滑條件下金屬 /金屬副摩擦系數(shù)的界面電位依賴特性進行了理論分析和實驗檢測 [16, 17]，發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)和界面電位之間呈現(xiàn)出拋物線變化關系。 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)。 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電壓時，摩擦系數(shù)增大，而在正電場下摩擦系數(shù)減小。從加電方式來看，導電介 質基本上都是潤滑介質 [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，但相當多的研究采用了獨立的惰性材料對電極 [117, 2426]。 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中，基于潤滑液的電控摩擦研究均采用潤滑介質作為導電介質，一方面使導電介質的電導率受到潤滑介質本身物理屬性的限制，導致低電導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理的解釋尚處于定性和猜測的水平，缺少實驗驗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)關系；幾乎所有電控摩擦研究都是在宏觀尺度摩擦范圍內展開的，忽視了微觀尺度摩擦在電控摩擦機理研究中的作用，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將不能忽略，故基于微觀尺度摩擦的電控摩擦機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；對電控摩擦機理的探討缺少有效的表征手段，特別是缺乏科學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歷的物理、化學或電化學變化。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)相互之間的內在聯(lián)系缺少深入認識和全面理解，所以有必要進一步探索這幾個物理量之間最本質的聯(lián)系，并建立準確的函數(shù)關系。 若以非水基潤滑液作導電介質，那么它的電導率是影響電控摩擦效果的一個關鍵指標。 本課題在研究基于非水溶液潤滑的電控摩擦問題時，運用比較研究的方法對基于非水溶液、水溶液 潤滑的電控摩擦進行綜合考察，從潤滑液的溶劑極性、溶質解離度、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。圖 3為基于葡萄糖的 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 = 10 N， n = 100 rpm。改進的電控摩擦系統(tǒng)如圖 7 所示，其電控摩擦實驗結果見圖 8。 圖 8 以 NCSPE 為導電介質改進的電控摩擦實驗結果 圖 9 以電解液為導電介質的電控摩擦系統(tǒng)示意圖 文獻綜述與選題報告 姓名： 陽小勇 導師：孟永鋼 13 圖 10 以電解液為導電介質的電控摩擦實驗結果 結合 多種檢測手段研究電控摩擦機理 通過初步的實驗和理論分析，論證了結合多種檢測手段進行電控摩擦機理研究的可行性。實驗平臺為石英晶振微天平，其對電極為鉑電極，工作電極為鍍不銹鋼膜石英晶片，參比電極為 Ag/AgCl電極，電化學池中注入待研究的溶液。 文獻綜述與選題報告 姓名： 陽小勇 導師：孟永鋼 16 圖 13 純 PC、 SDBS 的 PC溶液中的界面電容倒數(shù)隨工作電極電 位的變化曲線（正掃描） 圖 14 wt% SDBS 的 PC溶液中界面電容倒數(shù)隨工作電極電位的變化曲線（正、反掃描） 文獻綜述與選題報告 姓名： 陽小勇 導師：孟永鋼 17 圖 15 wt% SDBS 的 PC溶液中摩擦系數(shù)隨工作電極電位的變化曲線（正、反掃描） 第三，在電控摩擦實驗中創(chuàng)造性地集成電流積分技術，綜合考察電控摩擦中工作電極電位變化、工作電極表面電荷變化、摩擦系數(shù)三者之間的關系。參考以往相關的文獻，并利用現(xiàn)有的條件，將法向載荷控制在與雙電層斥力相當?shù)募墑e，則基于微觀尺度摩擦體系的電控摩擦研究是可行的。 預期成果如下 ： ? 發(fā)表學術論文 2 篇（ SCI， IF1） ? 申請發(fā)明專利 1 項 ? 學術會議 ? 十二烷基苯磺酸鈉、葡萄糖的 PC 溶液中的電控 摩擦 . 全國青年摩擦學與表面工程學