【正文】 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。因此，本課題針對(duì)以上選定的非水基潤(rùn)滑液進(jìn)行電控摩擦研究是具有應(yīng)用價(jià)值的，并且在保證課題具有一定普遍性的同時(shí)可以深入透徹地研究電控摩擦機(jī)理。 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(rùn)滑液展開(kāi)，在課題研究中作潤(rùn)滑用的非水溶液主要采用碳酸烯酯類(lèi)溶液、醇類(lèi)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(lèi)。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。 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(wèn)題與不足，我們提出“基于非水溶液潤(rùn)滑的電控摩擦實(shí)驗(yàn)與理論研究”的課題。 在檢測(cè)手段方面，采用多種檢測(cè)手段相互佐證，并實(shí)現(xiàn)原位的檢測(cè)技術(shù)，這是電控摩擦 研究取得突破的必要條件。 文獻(xiàn)綜述與選題報(bào)告 姓名： 陽(yáng)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。 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)。因此，采用潤(rùn)滑介質(zhì)作為導(dǎo)電介質(zhì)不是很好的選擇。在以往的基于潤(rùn)滑液的電控摩擦研究中，潤(rùn)滑介質(zhì)既對(duì)摩擦界面起潤(rùn)滑作用，又充當(dāng)導(dǎo)電介質(zhì)，這就要求潤(rùn)滑介質(zhì)具備較高的電 導(dǎo)率，才能獲得較好的電控摩擦效果。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(duì)電控摩擦的響應(yīng)速度缺少研究，故基于非水溶液潤(rùn)滑的電控摩擦研究是十分必要的。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。上文已經(jīng)針對(duì)電控摩擦研究的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)論述，本節(jié)將從潤(rùn)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)。在全面掌握電控摩擦規(guī)律和機(jī)理的基礎(chǔ)上，有望使電控摩擦技 術(shù)產(chǎn)業(yè)化。 基于以上對(duì)電控摩擦研究現(xiàn)狀的分析以及對(duì)存在的問(wèn)題的總結(jié)，我們認(rèn)為電控摩擦研究在潤(rùn)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)手段等方面均可以有所突破。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)。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。 通過(guò)伏安法可判斷在電位掃描區(qū)間內(nèi)電極 /溶液界面處是否發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，并可確定工作電極表面上未發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的電化學(xué)穩(wěn)定窗口。對(duì)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)。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]。某些水溶液潤(rùn)滑體系中電控摩擦的主導(dǎo)因素為潤(rùn)滑膜的吸脫附 [1, 2, 7, 8, 11, 12]，而某些水溶液潤(rùn)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(rùn)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]。 對(duì)于一個(gè)具體的摩擦系統(tǒng)，其摩擦特性決定于摩擦副界面的物理化學(xué)性質(zhì)和潤(rùn)滑條件，因此，電控摩擦的機(jī)制必然是通過(guò)對(duì)摩擦界面及其潤(rùn)滑介質(zhì)的結(jié)構(gòu)或狀態(tài)進(jìn)行可控調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。從電控摩擦機(jī)理來(lái)看，一些電控摩擦研究是從電化學(xué)反應(yīng)的角度來(lái)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(rùn)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(lái)解釋電控摩擦機(jī)理。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]。 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(rùn)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)。C 之間。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。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。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(chǎng)對(duì)摩擦系數(shù)幾乎沒(méi)有影響，這說(shuō)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(yáng)小勇 導(dǎo)師：孟永鋼 4 術(shù)難度極大。 Bouchoucha等研究了無(wú)潤(rùn)滑滑動(dòng)摩擦條件下電場(chǎng)對(duì)銅 /鋼副摩擦行為的影響 [29]，發(fā)現(xiàn)氧化在干摩擦條件下的電控摩擦中起著重要作用。他們認(rèn)為其原因是，施加電場(chǎng)改變了鋼膜界面處的粘附力。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。 他們認(rèn)為在直流電場(chǎng)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。 H. W. Liu 等借助掃描力儀（ SFM）研究了外加電場(chǎng)對(duì) 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(chǎng)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(chǎng)下，摩擦力是電壓幅值和頻率的函數(shù)，且在某個(gè)幅值和頻率的組合下，摩擦力幾乎為零。潤(rùn)滑油中添加劑的電化學(xué)反應(yīng)研究中存在的主要問(wèn)題是大部分潤(rùn)滑油的低電導(dǎo)率，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中通過(guò)使用微電極、使用支持電解質(zhì)提高潤(rùn)滑油電導(dǎo)率來(lái)解決該問(wèn)題。可見(jiàn)，其電控摩擦機(jī)理與電化學(xué)反應(yīng)有關(guān)。銅絲與乳狀潤(rùn)滑液接觸，銅絲的氧化層上脂肪酸的吸附對(duì)邊界潤(rùn)滑效率至關(guān)重要。他們沒(méi)有解釋液晶電控摩擦的機(jī)理，但從電 壓極性對(duì)摩擦系數(shù)變化趨勢(shì)無(wú)影響的事實(shí)，可推測(cè)液晶邊界膜的電控摩擦機(jī)理與靜電力、取向力、電化學(xué)反應(yīng)無(wú)關(guān)，而很有可能是通過(guò)液晶分子結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)依賴(lài)特性來(lái)改變其摩擦特性的。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(rùn)滑液為向列液晶，施加的電場(chǎng)穿過(guò)該液晶膜。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。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(rùn)滑，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：施加電場(chǎng)的對(duì) 磨表面與沒(méi)有加電的對(duì)磨表面相比，前者的摩擦系數(shù)更小。他們認(rèn)為，沉積在帶電金屬表面上的磷酸鐵膜具有非結(jié)晶態(tài)結(jié)構(gòu)，因而其潤(rùn)滑特性比傳統(tǒng)的結(jié)晶態(tài)的磷酸錳或磷酸鐵涂層更好。 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(yáng)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。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)。 朱潤(rùn)生等研究了外加電場(chǎng)對(duì)鐵磁液體邊界潤(rùn)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(chǎng)下潤(rùn)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(chǎng)作用也對(duì)摩擦系數(shù)的變化產(chǎn)生了影響。他們認(rèn)為電場(chǎng)作用下金屬表面的氧化作用以及極性 分子吸附膜的狀態(tài)變化共同決定了摩擦系數(shù)的改變。他們經(jīng)過(guò)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(cè)得到的摩擦系數(shù) 電位曲線是相當(dāng)一致的。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。 Kelsall、 Y. Y. Zhu 等通過(guò)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。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：對(duì)于低碳鋼銷(xiāo) /砂石盤(pán)副，施加負(fù)電位時(shí)摩擦系數(shù)下降，而對(duì)于低碳鋼銷(xiāo) /低碳鋼盤(pán)副，施加正電位時(shí)摩擦系數(shù)下降。 Brandon 等還研究了鉆探泥漿水溶液中的電控摩擦 [13]，通過(guò)控制工作電極 /溶液界面電位來(lái)改善鉆探泥漿水 溶液的潤(rùn)滑特性。在他們的實(shí)驗(yàn)中，以低碳鋼盤(pán)作為工作電極，以鉑片為對(duì)電極，并采用了 SHE 參比電極。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(rùn)滑膜的吸附，而當(dāng)工作電極電位低于零電荷電位時(shí)，潤(rùn)滑膜的形成被抑制，因此摩擦增加。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在正于－ 400mV vs. SHE的電位下，摩擦系數(shù)迅速下降，這與表面潤(rùn)滑膜厚度的增加是一致的。 Brandon 等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了水基潤(rùn)滑條件下界面電位對(duì)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(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。同時(shí)，他們沒(méi)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(wú)法表征工作電極電勢(shì)的變化。對(duì)于實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的電控摩擦現(xiàn)象，他們給出了定性的解釋?zhuān)J(rèn)為不同電壓導(dǎo) 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(yīng)的差異，最終引起摩擦系數(shù)的變化。 翟文杰等研究了硬脂酸鋁水懸濁液中 GCr15 軸承鋼球 /45鋼盤(pán)副的電控摩擦性能 [9]，并獲得了一定的電控摩擦效果。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。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(méi)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(méi)有真正建立。 胡波、孟永鋼等也對(duì)水溶液中的電控摩擦現(xiàn)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究 [5, 6]，而且比較全面的分析了電控摩擦的機(jī)理，并嘗試將電控摩擦技術(shù)應(yīng)用于摩擦離合器。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)。 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。他們進(jìn)一步指出，電極電流是產(chǎn)生電控摩擦的直接起因。 蔣洪軍、孟永鋼等對(duì)潤(rùn)滑條件下陶瓷 /金屬摩擦副的電控摩擦行為進(jìn)行了比較全面的實(shí)驗(yàn)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。文獻(xiàn)綜述與選題報(bào)告 姓名： 陽(yáng)小勇 導(dǎo)師：孟永鋼 1 基于非水溶液潤(rùn)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(guó)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(rùn)生等。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。他們認(rèn)為發(fā)生電控摩擦的必要條件是潤(rùn)滑液具有較好的導(dǎo)電性，并且潤(rùn)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。以上的實(shí)驗(yàn)研究存在的不足有：沒(méi)有對(duì)電極電位進(jìn)行準(zhǔn)確定量表征，無(wú)法確定電極電位和摩擦系數(shù)之間的關(guān)系；對(duì)水溶液中陶瓷 /金屬摩擦副的電控摩擦機(jī)理的研究不夠深入，即電極電流在電控摩擦中發(fā)揮作用的本質(zhì)沒(méi)有研究清楚。他們分別考察了輔助電極、摩擦副、潤(rùn)滑液對(duì)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。實(shí)驗(yàn)表明，電控摩擦的效果依賴(lài)于水基潤(rùn)滑液中的添加劑種類(lèi)，因而電控摩擦的機(jī)理不能簡(jiǎn)單的歸結(jié)于水電解。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。 賀四清、孟永鋼等針對(duì)離子型表面活性劑水溶液中的電控摩擦展開(kāi)了相關(guān)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(jī)理，并探索了電極電位與摩擦系數(shù)的關(guān)系。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(méi)有確立電極電位與表面電荷密度之間