【正文】 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(diǎn)：實(shí)現(xiàn)基于非水溶液潤(rùn)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(rùn)滑的電控摩擦效果，并使適合于電控摩擦的潤(rùn)滑介質(zhì)種類(lèi)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。 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(rùn)滑向非水溶液潤(rùn)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(rùn)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(rùn)滑介質(zhì)種類(lèi)；嘗試結(jié)合多種檢測(cè)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。 ? ? 完成博士論文的撰寫(xiě)工作 。 ? ? 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 。 ? 構(gòu)建電化學(xué)橢圓偏振 光 檢測(cè)系統(tǒng) 。 工作計(jì)劃 ? ? 對(duì)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 。針對(duì)這兩類(lèi)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。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)。由此可見(jiàn)，在微觀尺度摩擦體系下，通過(guò)改變潤(rùn)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。 基于微觀尺度摩擦體系的電控摩擦研究 文獻(xiàn) [16, 17]對(duì)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。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)。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。C，法向載荷 L = 10 N，相對(duì)轉(zhuǎn)速 n = 10 rpm。實(shí)驗(yàn)以 1 mM SDS的水溶液為潤(rùn)滑液兼導(dǎo)電介質(zhì)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為球盤(pán)摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)。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。 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。電控摩擦實(shí)驗(yàn)條件為： wt% SDBS 的 PC 溶液作潤(rùn)滑液， ZrO2球 /不銹鋼盤(pán)副，石墨對(duì)電極；實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度 25176。另外，以 SDBS的 PC溶液為潤(rùn)滑液兼導(dǎo)電介質(zhì)，在球盤(pán)摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行電控摩擦實(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 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。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%。由恒電位儀控制工作電極電位，石英晶振微天平檢測(cè)工作電極 /溶液界面吸附膜的吸脫附行為。 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)。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。 掃描隧道顯微鏡（ STM）技術(shù)對(duì)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。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(cè)電流的采樣頻率非常有限，故采用計(jì)時(shí)電流法檢測(cè)到的電流為法拉第電流， 可通過(guò)軟件對(duì)其進(jìn)行積分，得到法拉第電荷量。 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。 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。 ECQCM 技 術(shù)結(jié)合了電化學(xué)技術(shù)以及 QCM 檢測(cè)技術(shù)，用于檢測(cè)電極表面吸附膜的吸脫附行為隨工作電極電位的變化。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(cè)技術(shù)，并對(duì)電化學(xué)橢圓偏振光檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了初步分析。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。 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。 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(méi)有產(chǎn)生電控摩擦效果。C，法向載荷 L = 10 N，相對(duì)轉(zhuǎn)速 n = 10 rpm。 World Precision Instruments），作為導(dǎo)電介質(zhì)的電解液為 1 mM SDS 的水溶液。實(shí)驗(yàn)在球盤(pán)摩擦試驗(yàn)機(jī)上完成，摩擦副為ZrO2球 /不銹鋼盤(pán)副，實(shí)驗(yàn)中所用的潤(rùn)滑液為 wt% SDBS 的 PC 溶液。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 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(kāi)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。 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(kāi)關(guān)控制與雙電極系統(tǒng)導(dǎo)通或斷開(kāi)。 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(méi)有獲得期望的電控摩擦效應(yīng)。C，法向載荷 L = 2 N，相對(duì)速度 v = 2 mm/s。工作電極為銅片摩擦試件，對(duì)電極采用銅片電極，作為導(dǎo)電介質(zhì)的 NCSPE 由 PEG1000、 LiClOSiO2組成。 先介紹以 NCSPE 為導(dǎo)電介質(zhì)的電控摩擦實(shí)驗(yàn)。 圖 1 基于油酸鈉的 PC溶液潤(rùn)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(yáng)小勇 導(dǎo)師：孟永鋼 9 圖 2 基于 SDBS 的 PC溶液潤(rùn)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(rùn)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(yáng)小勇 導(dǎo)師：孟永鋼 10 圖 4 基于 PEG400 的乙醇溶液潤(rùn)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(rùn)滑作用。在針對(duì)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)中，當(dāng)工作電極電位負(fù)跳變時(shí)，摩擦系數(shù)不同程度地升高，而在針對(duì) PEG400的乙醇溶液的電控摩擦實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)工作電極電位負(fù)跳變時(shí)，摩擦系數(shù)有所降低。圖 4為基于 PEG400 的乙醇溶液潤(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 = 10 N， n = 180 rpm。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。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(rùn)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(jiàn)圖 1圖 4。水基潤(rùn)滑液中的電控摩擦效應(yīng)已被許多研究證實(shí)，若非水基潤(rùn)滑液以極性的碳酸丙烯酯、乙醇作溶劑，則在此類(lèi)非水溶液中很有可能也存在電控摩擦效果。C，實(shí)驗(yàn)中所用的各種潤(rùn)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 %。以不銹鋼盤(pán)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。 基于非水溶液潤(rùn)滑的電控摩擦 實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)中使用的潤(rùn)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。 本課題研究的具體技術(shù)路線如下：將電控摩擦研究中使用的潤(rùn)滑介質(zhì)從水溶液擴(kuò)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(dǎo)電介質(zhì)從潤(rùn)滑液擴(kuò)展到獨(dú)立的導(dǎo)電介質(zhì)，包括固態(tài)聚合物電解質(zhì)、電解液等；將摩擦體系從宏觀尺度摩擦擴(kuò)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(shù)、阻 抗譜技術(shù)、 QCM 技術(shù)和電流積分技術(shù)等為檢測(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；對(duì)基于非水溶液、水溶液潤(rùn)滑的電控摩擦進(jìn)行比較研究，從而揭示影響電控摩擦效果的關(guān)鍵因素，并進(jìn)一步擴(kuò)展適合于電控摩擦的潤(rùn)滑液種類(lèi)，如有望采用聚電解質(zhì)溶液作潤(rùn)滑液，對(duì)其進(jìn)行電控摩擦研究。通過(guò)比較研究，試圖發(fā)現(xiàn)具有較好電控摩擦效果的潤(rùn)滑液特性，并指導(dǎo)適合于電控摩擦的潤(rùn)滑液的選型，同時(shí)將電控摩擦研究中使用的潤(rùn)滑液向聚電解質(zhì)溶液 [43, 6468]擴(kuò)展。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(lèi)摩擦副的電控摩擦效果差異。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。本課題綜合運(yùn)用以上各種檢測(cè)手段，通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法建立電極電位、電極電流、電極表面電荷密度與潤(rùn)滑膜狀態(tài)之間的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而揭示電控摩擦內(nèi)在機(jī)理。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(cè)潤(rùn)滑膜質(zhì)量隨電極電位的變化。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。 在電化學(xué)穩(wěn)定窗口內(nèi)的電控摩擦機(jī)理與潤(rùn)滑膜狀態(tài)的電位依賴(lài)特性有關(guān)，表征潤(rùn)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。本課題獨(dú)辟蹊徑，采用獨(dú)立的具有高離子電導(dǎo)率的導(dǎo)電介質(zhì)，包括固態(tài)聚合物電解質(zhì)（ SPE）及電解液，而使?jié)櫥褐黄饾?rùn)滑作用。非水基潤(rùn)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(rùn)滑液的電導(dǎo)率都很低。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。幸運(yùn)的是，孟永鋼、賀四清在基于水溶液的電控摩