基于非水溶液潤滑的電控摩擦實驗與理論研究選題報告

1、基于非水溶液潤滑的電控摩擦實驗與理論研究1 研究背景及意義1.1 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。在國外，德國、法國、英國、美國、日本等國家的許多學(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驗研究和技術(shù)轉(zhuǎn)化。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(jìn)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。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

2、中是否存在極性分子將嚴(yán)重影響電控摩擦的效果好壞。他們進(jìn)一步指出，電極電流是產(chǎn)生電控摩擦的直接起因。以上的實驗研究存在的不足有：沒有對電極電位進(jìn)行準(zhǔn)確定量表征，無法確定電極電位和摩擦系數(shù)之間的關(guān)系；對水溶液中陶瓷/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)沒有研究清楚。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驗研究3, 4，嘗試用金屬件/潤滑液界面的電化學(xué)反應(yīng)來解釋電控摩擦現(xiàn)象。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。他們認(rèn)為電控摩擦的機(jī)理與水電解產(chǎn)物在金屬表

3、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)。實驗表明，電控摩擦的效果依賴于水基潤滑液中的添加劑種類，因而電控摩擦的機(jī)理不能簡單的歸結(jié)于水電解。胡波、孟永鋼等也對水溶液中的電控摩擦現(xiàn)象進(jìn)行了實驗研究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)，且溶液電流對摩擦系數(shù)具有控制作用。以上研究的主要不足在于：對電控摩擦機(jī)理的認(rèn)識還不夠深入，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)

4、之間的定量關(guān)系沒有真正建立。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(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。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。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。在實驗中以摩擦副為工作電極，

5、對電極采用石墨電極，潤滑液作為導(dǎo)電介質(zhì)，施加的槽電壓可改變極性和大小。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(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。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。同時，他們沒有對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的變化。該課題組在電控摩擦實驗中還嘗試了另外一種潤滑液10，即離子型水基切削液，也獲得了相應(yīng)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)決定了電控摩擦的效

6、果。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，更不能證實具體的反應(yīng)產(chǎn)物，并且忽視了工作電極電位的概念。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。在實驗中鐵絲作為工作電極，潤滑液中含有辛酸根離子。實驗結(jié)果表明，在正于400mV vs. SHE的電位下，摩擦系數(shù)迅速下降，這與表面潤滑膜厚度的增加是一致的。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。在工作電極電位高于零電荷電位（PZC）時，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

7、，潤滑膜的形成被抑制，因此摩擦增加。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(xiàn)11類似的結(jié)果。在他們的實驗中，以低碳鋼盤作為工作電極，以鉑片為對電極，并采用了SHE參比電極。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。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。實驗采用了低碳鋼銷/低碳鋼盤副以及低碳鋼銷/砂石盤副，并以低碳鋼銷作為工作電極。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：對于低碳鋼銷/砂石盤副，施加負(fù)電位時摩擦系數(shù)下降

8、，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。文獻(xiàn)11-13中的電控摩擦體系均針對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立的對電極，而且對電極和工作電極之間的導(dǎo)電介質(zhì)皆為潤滑液。Kelsall、Y. Y. Zhu等通過實驗考察了電化學(xué)電位對水溶液中金屬副的摩擦磨損特性的影響14, 15，而且分析了實驗中電極電位影響摩擦行為的原因。他們在實驗中使用伏安法、阻抗譜和傅立葉變換紅外光譜（FTIR）等技術(shù)研究了電極電位控制下金屬表面膜的化學(xué)特性，并對摩擦的電位依賴特性進(jìn)行了理論建模。他們認(rèn)為電控摩擦的機(jī)理包含兩個獨立的方面：一是通過雙電層斥力改變

9、摩擦表面間的有效法向力，二是通過表面化學(xué)控制摩擦表面上潤滑膜的剪切強(qiáng)度。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(guān)系。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)-界面電位曲線與實驗檢測得到的摩擦系數(shù)-電位曲線是相當(dāng)一致的。翟文杰等對H60基礎(chǔ)油、硬脂酸/H60、硬脂醇/H60三種潤滑劑邊界潤滑條件下SUJ2鋼球/S45C鋼盤副的電控摩擦效果分別進(jìn)行了實驗研究18，實驗結(jié)果表明，在H60基礎(chǔ)油、硬脂醇/H60中均存在不同程度的電控摩擦效果，施加正電壓（鋼盤接電

10、源正極，電流從鋼盤流向鋼球）使摩擦系數(shù)減小，施加負(fù)電壓使摩擦系數(shù)升高；而在硬脂酸/H60中沒有電控摩擦效果。他們認(rèn)為電場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。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)。朱潤生等研究了外加電場對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，電流所產(chǎn)生的磁場作用也對摩擦系數(shù)的變化產(chǎn)生了影響。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，

11、因為電壓施加在構(gòu)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。就他們的實驗而言，電場對摩擦系數(shù)的控制很有可能是通過鐵磁液體的磁場作用來實現(xiàn)的，但他們沒有給出更有說服力的證據(jù)。Kunio通過潤滑條件下的銷盤摩擦實驗研究了表面誘導(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。Kunio提出了一個用于解釋實驗結(jié)果的模型：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

12、，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。Tung等發(fā)現(xiàn)在活塞環(huán)金屬表面上的電化學(xué)沉積膜具有較好的減摩特性21，即從某種潤滑液中沉積到帶電活塞環(huán)表面上的磷酸鐵膜可進(jìn)一步降低摩擦系數(shù)。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。他們還通過在對磨金屬表面之間施加電場，實現(xiàn)了摩擦副摩擦特性的改善22。他們在實驗中使用添加ZDP的礦物油對摩擦副進(jìn)行潤滑，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：施加電場的對磨表面與沒有加電的對磨表面相比，前者的摩擦系數(shù)更小。他們將加電后摩擦特性的改善歸因于ZDP-礦物油混合物的電化學(xué)反應(yīng)在金屬表面上生成磷酸或硫

13、酸膜。文獻(xiàn)21和22中的電控摩擦都是通過潤滑液的電化學(xué)反應(yīng)來實現(xiàn)的。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)。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。實驗結(jié)果表明，施加直流和低頻交流電壓均導(dǎo)致摩擦系數(shù)降低。他們沒有解釋液晶電控摩擦的機(jī)理，但從電壓極性對摩擦系數(shù)變化趨勢無影響的事實，可推測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)無關(guān)，而很有可能是通過液晶分子結(jié)構(gòu)的電場依賴特性來改變其摩擦特性的。Y. Y. Su通過實驗證實，在拔銅絲過程中可以通過電位控制改善邊界潤滑24。

14、銅絲與乳狀潤滑液接觸，銅絲的氧化層上脂肪酸的吸附對邊界潤滑效率至關(guān)重要。拔絲過程中的磨損導(dǎo)致銅絲上的氧化層不斷脫落，而通過對銅絲施加適當(dāng)電位，電化學(xué)反應(yīng)在銅絲裸露的銅表面上產(chǎn)生新的鈍化層，從而使表面質(zhì)量大為提高，摩擦系數(shù)降低，能量耗散顯著減小?？梢姡潆娍啬Σ翙C(jī)理與電化學(xué)反應(yīng)有關(guān)。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)行了實驗研究26。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，他們在實驗中通過使用微電極、使用支持電解質(zhì)提高潤滑油電導(dǎo)率來解決該問題。實驗結(jié)果表明，采用毫米級電極，只能研究

15、極性很強(qiáng)的潤滑油，并且需要提供較大濃度的支持電解質(zhì)以提高電導(dǎo)率，該技術(shù)可以考察減摩劑和極壓劑的機(jī)理；應(yīng)用微電極，則可研究極性較弱的潤滑油，但仍然需要支持電解質(zhì)，該技術(shù)可用于檢測溶液中添加劑的有效濃度；使用納米電極系統(tǒng)，可針對極性很低的潤滑油進(jìn)行電化學(xué)測試，甚至不需要支持電解質(zhì)。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。在該實驗中，LB膜沉積在單晶硅（100）基片上，電場施加

16、在硅片和針尖之間，而兩電極之間的距離在單分子層級別，且LB膜為類固態(tài)膜。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。對于在特定的交流電場下摩擦力幾乎為零的現(xiàn)象，他們認(rèn)為部分是由于交流電場下懸臂共振的改善引起的。該實驗中的電控摩擦現(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)無必然聯(lián)系，電場作用對摩擦力的控制是通過改變摩擦副的法向力來是實現(xiàn)的。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，摩擦系數(shù)增大，而在正電場下摩擦系數(shù)減小。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。文獻(xiàn)28和20都認(rèn)為對摩擦副施加電

17、場會影響摩擦界面的粘附性質(zhì)。Bouchoucha等研究了無潤滑滑動摩擦條件下電場對銅/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。在該實驗中，產(chǎn)生電控摩擦效果需要極大的電流，當(dāng)電流低于40A時，電場對摩擦系數(shù)幾乎沒有影響，這說明實現(xiàn)干摩擦下的電控摩擦技術(shù)難度極大。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。在他們的實驗中，采用了兩個金屬電極，其中一個電極為金屬摩擦件，與冰塊一側(cè)表

18、面接觸，另一個電極與冰塊另一側(cè)表面接觸。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。以上實驗中施加極高的電壓才能獲得電控摩擦效果，并且實驗的溫度范圍均在5C至30C之間。他們認(rèn)為實驗出現(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。1.2 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)理等方面對相關(guān)的電控摩擦研究進(jìn)行了總結(jié)。從潤滑條件來看，大部分電控摩擦研究中使用了潤滑介質(zhì)，而其中以水基潤滑液為主1-17，也有以非水溶液作潤滑液的18-26，其中的少數(shù)研究還采用了固體膜潤滑27, 28；還

19、有一些電控摩擦研究是在干摩擦條件下進(jìn)行的29-31。從摩擦副材料來看，在以往的電控摩擦研究中以金屬/金屬副居多9-23, 25, 26 , 29，其次是金屬/陶瓷副1-8，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。從加電方式來看，導(dǎo)電介質(zhì)基本上都是潤滑介質(zhì)1-18, 21, 22, 24-26，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)多的研究采用了獨立的惰性材料對電極1-17, 24-26。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

20、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?？傊嘘P(guān)電控摩擦機(jī)理的論述涉及到物理、化學(xué)、電化學(xué)等因素，針對不同的電控摩擦體系，起主導(dǎo)作用的電控摩擦機(jī)理存在差異。對于一個具體的摩擦系統(tǒng)，其摩擦特性決定于摩擦副界面的物理化學(xué)性質(zhì)和潤滑條件，因此，電控摩擦的機(jī)制必然是通過對摩擦界面及其潤滑介質(zhì)的結(jié)構(gòu)或狀態(tài)進(jìn)行可控調(diào)節(jié)來實現(xiàn)的。對于水溶液潤滑體系，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。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,

21、 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。非水溶液潤滑體系的電控摩擦機(jī)理與電化學(xué)反應(yīng)、粘附能變化、潤滑膜結(jié)構(gòu)改變、潤滑膜狀態(tài)改變等相關(guān)。在一些非水溶液潤滑體系中，電控摩擦的主導(dǎo)因素是電化學(xué)反應(yīng)21, 22, 24-26，有的非水溶液潤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)及潤滑膜狀態(tài)改變共同主導(dǎo)18。固體膜潤滑體系的電控摩擦機(jī)理與靜電

22、壓力27、粘附力28有關(guān)。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)。在以往的電控摩擦研究中，為了深入探索電控摩擦的機(jī)理，研究人員使用了電化學(xué)方法、光譜法、顯微技術(shù)、微天平技術(shù)等檢測手段，這些檢測手段主要包括伏安法4, 6, 14, 15, 25, 26、阻抗譜8, 11, 14, 15, 25, 26、紅外光譜14, 15、拉曼光譜6、電化學(xué)原子力顯微技術(shù)（ECAFM）8、電化學(xué)石英晶振微天平技術(shù)（ECQCM）8等。通過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。阻抗譜測試可獲得電極

23、-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。光譜檢測可獲得電極/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。原子力顯微鏡（AFM）廣泛應(yīng)用于固體薄膜原子級成像、界面吸附層表征等檢測領(lǐng)域32-37，AFM與電化學(xué)方法結(jié)合的ECAFM技術(shù)則可檢測不同電位下電極表面上吸附膜的形貌變化。石英晶振微天平（QCM）非常適合于研究固/液界面或固/氣界面的吸附行為37-43，而運(yùn)用QCM與電化學(xué)方法相結(jié)合的ECQCM技術(shù)則可以對不同電位下電極表面上吸附膜的質(zhì)量變化進(jìn)行檢測。1.3 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

24、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(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

25、，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?；谝陨蠈﹄娍啬Σ裂芯楷F(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。通過各種檢測手段的相互佐證，并且借助原位的檢測手段，有望真正揭示電控摩擦的機(jī)理，并真正建立電極電位、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。

26、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。2 電控摩擦研究的發(fā)展趨勢 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11-15, 20-25, 28-30，進(jìn)入21世紀(jì)以來，國內(nèi)的電控摩擦研究逐漸展開2-10, 18, 19。上文已經(jīng)針對電控摩擦研究的現(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、摩擦體系和檢測手段等方面具體闡述電控摩擦研究的發(fā)展趨勢。在潤滑介質(zhì)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(yīng)用背景的課題。由于金屬摩擦副在水溶液中易于電化學(xué)腐蝕，故水基潤滑的使用具有很大局

27、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。工程實踐中經(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)實意義。以往基于非水溶液的電控摩擦研究在機(jī)理認(rèn)識方面還不成熟，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。在導(dǎo)電介質(zhì)方面，將導(dǎo)電介質(zhì)從潤滑介質(zhì)中獨立出來是一種全新的思路。在以往的基于潤滑液的電控摩擦研究中，潤滑介質(zhì)既對摩擦界面起潤滑作用，又充當(dāng)導(dǎo)電介質(zhì)，這就要求潤滑介質(zhì)具備較高的電導(dǎo)率，才能獲得較好的電控摩擦效果。然而，以電導(dǎo)率較高的潤滑介質(zhì)作導(dǎo)電介質(zhì)時，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。因此，采用

28、潤滑介質(zhì)作為導(dǎo)電介質(zhì)不是很好的選擇。若采用獨立的電解液或固態(tài)電解質(zhì)44-48作為導(dǎo)電介質(zhì)，則可以在獲得較好電控摩擦效果的同時，避免金屬試件摩擦表面的電化學(xué)腐蝕，并且對潤滑介質(zhì)的電導(dǎo)率也沒有要求，從而使適合于電控摩擦的潤滑介質(zhì)種類得到擴(kuò)充。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任務(wù)。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)識和全面理解，所以有必要進(jìn)一步探索這幾個物理量之間最本質(zhì)的聯(lián)系，并建立準(zhǔn)確的函數(shù)關(guān)系。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。以往

29、基于宏觀尺度摩擦的電控摩擦研究中，摩擦界面的雙電層斥力是可以忽略的，但在基于微觀尺度摩擦的電控摩擦研究中，摩擦界面的雙電層斥力不能忽略，因此，基于微觀尺度摩擦的電控摩擦研究有助于全面理解電控摩擦機(jī)理。在檢測手段方面，采用多種檢測手段相互佐證，并實現(xiàn)原位的檢測技術(shù)，這是電控摩擦研究取得突破的必要條件。這些檢測手段包括阻抗譜、橢圓偏振光儀41-43, 49-57、原子力顯微鏡（AFM）、掃描隧道顯微鏡（STM）58-63、石英晶振微天平（QCM）等。在以往電控摩擦研究成果的基礎(chǔ)之上，并針對存在的問題與不足，我們提出“基于非水溶液潤滑的電控摩擦實驗與理論研究”的課題。選擇該課題也是基于對電控摩擦研究

30、發(fā)展趨勢的考慮，本課題的工作將促進(jìn)電控摩擦研究的發(fā)展，并推動電控摩擦技術(shù)的成果轉(zhuǎn)化。本課題的研究內(nèi)容主要有以下幾個方面：基于非水溶液和水溶液的電控摩擦比較研究，采用獨立導(dǎo)電介質(zhì)的電控摩擦實驗研究，結(jié)合多種檢測技術(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。本課題的主要研究目標(biāo)如下：實現(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。3 課題方案與計劃3.1 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

31、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。表面活性劑、脂肪酸及衍生物廣泛應(yīng)用于工業(yè)潤滑領(lǐng)域，而碳酸烯酯類中的碳酸丙烯酯（PC）、醇類中的乙醇都是良好的極性有機(jī)溶劑。因此，本課題針對以上選定的非水基潤滑液進(jìn)行電控摩擦研究是具有應(yīng)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(jī)理。以往基于非水溶液的一些電控摩擦研究21, 22, 24-26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。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)

32、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。這便啟示我們，在基于非水溶液的電控摩擦研究中，也有可能實現(xiàn)電化學(xué)穩(wěn)定窗口內(nèi)的電控摩擦。本課題基于非水溶液潤滑的電控摩擦研究正是要實現(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。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關(guān)鍵指標(biāo)。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。為了提高非水基潤滑液的電導(dǎo)率，往往需要添加一些支持電解質(zhì)25, 26。本課題獨辟蹊徑，采用獨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

33、液，而使?jié)櫥褐黄饾櫥饔?。使用獨立的?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。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技術(shù)主要有光學(xué)檢測、電化學(xué)檢測以及微天平檢測等手段。橢圓偏振光檢測技術(shù)可表征固/液界面的吸附行為，其分辨率可達(dá)0.1nm。與電化學(xué)方法結(jié)合的橢圓偏振光術(shù)能檢測電極/溶液界面吸附膜厚度隨電極電位的變化，而電化學(xué)阻抗譜測試可得到界面電容-電極電位曲線。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。另外，本課題還利用電化學(xué)石英晶振微天平（ECQC

34、M）技術(shù)檢測潤滑膜質(zhì)量隨電極電位的變化。此外，本課題利用電流積分技術(shù)，將雙電層電流與法拉第電流分開，從而得到電極表面電荷密度與電極電位之間的定量關(guān)系。本課題綜合運(yùn)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(guān)系，進(jìn)而揭示電控摩擦內(nèi)在機(jī)理?；诤暧^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，因為宏觀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。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。在微觀尺度下有效法向力必須引入雙電層斥力的貢獻(xiàn)，因此，基于微觀尺度摩擦的電控摩擦研究應(yīng)該綜合考慮電位

35、對潤滑膜狀態(tài)的影響、電位對有效法向力的影響。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/金屬副這兩類摩擦副的電控摩擦效果差異。本課題在研究基于非水溶液潤滑的電控摩擦問題時，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。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，同時將電控摩擦研究中使用的潤滑液向聚電解質(zhì)溶液43, 64-68擴(kuò)展。本課題的整體研究方案如下：以非水溶液為潤滑介質(zhì)，并以潤滑介質(zhì)為導(dǎo)電介質(zhì)，進(jìn)行電控摩擦實驗，

36、結(jié)合多種檢測技術(shù)初步確定基于非水溶液潤滑的電控摩擦機(jī)理；采用獨立的導(dǎo)電介質(zhì)，進(jìn)行基于非水溶液潤滑的電控摩擦實驗，以提高電控摩擦效果，并進(jìn)一步驗證電控摩擦機(jī)理；結(jié)合實驗和理論分析來研究基于微觀尺度摩擦的電控摩擦，以便全面理解電控摩擦機(jī)理。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)從潤滑液擴(kuò)展到獨立的導(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

37、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)基于非水溶液潤滑的電控摩擦機(jī)理；對基于非水溶液、水溶液潤滑的電控摩擦進(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滑液種類，如有望采用聚電解質(zhì)溶液作潤滑液，對其進(jìn)行電控摩擦研究。3.2 課題工作的可行性分析下面結(jié)合初步的有針對性的實驗結(jié)果和討論，對本課題研究工作進(jìn)行詳細(xì)的可行性分析。3.2.1 基于非水溶液潤滑的電控摩擦實驗實驗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。以上實驗均在球盤摩擦試驗

38、機(jī)上完成，摩擦副為ZrO2球/不銹鋼盤副。以不銹鋼盤試件作為工作電極，對電極采用石墨電極，參比電極采用飽和甘汞電極，工作電極與對電極之間的導(dǎo)電介質(zhì)為潤滑液。實驗環(huán)境溫度為25C，實驗中所用的各種潤滑液的濃度及組分純度如下：0.05 wt%油酸鈉的PC溶液，油酸鈉為化學(xué)純，PC純度為99%；0.05 wt% SDBS的PC溶液，SDBS為化學(xué)純，PC純度為99%；0.05 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99.9%。表1列出了乙醇、碳酸丙烯酯、水等溶劑的相對介電常數(shù)、偶極矩值，表中三種溶劑按極性由強(qiáng)到弱

39、排序依次為：碳酸丙烯酯水乙醇。水基潤滑液中的電控摩擦效應(yīng)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。表1幾種溶劑的相對介電常數(shù)及偶極矩值（25C）乙醇碳酸丙烯酯水相對介電常數(shù)24.32.0278.5偶極矩/D1.694.981.85基于非水溶液潤滑的電控摩擦實驗可對以上推測進(jìn)行驗證，其實驗結(jié)果見圖1-圖4。圖1為基于油酸鈉的PC溶液潤滑的電控摩擦實驗結(jié)果，實驗中法向載荷（L）、相對轉(zhuǎn)速（n）條件為：L = 10 N，n = 180 rpm。圖2為基于SDBS的PC溶液潤滑的電控摩擦實驗結(jié)果，實驗中法向載荷（L）、相對轉(zhuǎn)速（n）條

40、件為：L = 8.6 N，n = 50 rpm。圖3為基于葡萄糖的PC溶液潤滑的電控摩擦實驗結(jié)果，實驗中法向載荷（L）、相對轉(zhuǎn)速（n）條件為：L = 10 N，n = 100 rpm。圖4為基于PEG400的乙醇溶液潤滑的電控摩擦實驗結(jié)果，實驗中法向載荷（L）、相對轉(zhuǎn)速（n）條件為：L = 10 N，n = 180 rpm。實驗結(jié)果表明，在某些非水基潤滑液中確實存在電控摩擦效應(yīng)。在針對油酸鈉的PC溶液、SDBS的PC溶液、葡萄糖的PC溶液的電控摩擦實驗中，當(dāng)工作電極電位負(fù)跳變時，摩擦系數(shù)不同程度地升高，而在針對PEG400的乙醇溶液的電控摩擦實驗中，當(dāng)工作電極電位負(fù)跳變時，摩擦系數(shù)有所降低。另

41、外，以上實驗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。圖1 基于油酸鈉的PC溶液潤滑的電控摩擦實驗結(jié)果圖2 基于SDBS的PC溶液潤滑的電控摩擦實驗結(jié)果圖3 基于葡萄糖的PC溶液潤滑的電控摩擦實驗結(jié)果圖4 基于PEG400的乙醇溶液潤滑的電控摩擦實驗結(jié)果3.2.2 基于獨立導(dǎo)電介質(zhì)的電控摩擦實驗嘗試采用獨立的導(dǎo)電介質(zhì)進(jìn)行電控摩擦實驗，而使?jié)櫥橘|(zhì)僅起潤滑作用。所用的導(dǎo)電介質(zhì)先后采用了納米復(fù)合材料固態(tài)聚合物電解質(zhì)（NCSPE）、電解液。先介紹以NCSPE為導(dǎo)電介質(zhì)的電控摩擦實驗。實驗在UMT-2往復(fù)式摩擦試驗機(jī)上完成，摩擦副為Si3N4球/銅片副，實

42、驗中所用的潤滑液為1 mM十二烷基硫酸鈉（SDS）的水溶液。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、LiClO4、SiO2組成。實驗環(huán)境溫度25C，法向載荷L = 2 N，相對速度v = 2 mm/s。其電控摩擦系統(tǒng)示意圖如圖5所示，電控摩擦實驗結(jié)果見圖6。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)并沒有獲得期望的電控摩擦效應(yīng)。對這種結(jié)果的解釋如下：實驗中所制備的SPE體相阻抗太大，以致于槽電壓變化導(dǎo)致的工作電極界面電位的變化很小，故工作電極表面的電荷量幾乎不變，因此沒有產(chǎn)生電控摩擦效果。圖6

43、以NCSPE為導(dǎo)電介質(zhì)的電控摩擦實驗結(jié)果對圖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，該旁路通過開關(guān)控制與雙電極系統(tǒng)導(dǎo)通或斷開。改進(jìn)的電控摩擦系統(tǒng)如圖7所示，其電控摩擦實驗結(jié)果見圖8。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。圖8的電控摩擦實驗結(jié)果表明，改進(jìn)的電控摩擦系統(tǒng)具有電控摩擦效應(yīng)，但電控摩擦的效果不能持續(xù)維持。以上的

44、實驗結(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。下面介紹以電解液為導(dǎo)電介質(zhì)的電控摩擦實驗。實驗在球盤摩擦試驗機(jī)上完成，摩擦副為ZrO2球/不銹鋼盤副，實驗中所用的潤滑液為0.05 wt% SDBS的PC溶液。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（DRIREF-2SH; World Precision Instruments），作為導(dǎo)電介質(zhì)的電解液為1 mM SDS的水溶液。實驗環(huán)境溫度25C，法向載荷L = 10 N，相對轉(zhuǎn)速n = 10 rpm。其電控摩擦系統(tǒng)示意圖如圖9所示，電控摩擦實驗結(jié)果見圖10。圖10的電控摩擦結(jié)果表明，圖9中以

45、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。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。以上采用獨立導(dǎo)電介質(zhì)的電控摩擦實驗表明，采用SPE作為獨立導(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立導(dǎo)電介質(zhì)的電控摩擦基本沒效果。不過，盡管沒有獲得較好的電控摩擦效果，但采用獨立導(dǎo)電介質(zhì)實現(xiàn)電控摩擦依然是可行的。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

46、摩擦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，有望獲得理想的電控摩擦效果。圖8 以NCSPE為導(dǎo)電介質(zhì)改進(jìn)的電控摩擦實驗結(jié)果 圖9 以電解液為導(dǎo)電介質(zhì)的電控摩擦系統(tǒng)示意圖圖10 以電解液為導(dǎo)電介質(zhì)的電控摩擦實驗結(jié)果3.2.3 結(jié)合多種檢測手段研究電控摩擦機(jī)理通過初步的實驗和理論分析，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。在實驗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。采用QCM檢測方法可獲得固/液界面、固/氣界面吸附膜的吸脫附行為，針對不同性質(zhì)的吸附膜（粘彈性膜或剛性膜），需要對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。ECQCM技

47、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。橢圓偏振光檢測技術(shù)可測量固/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試技術(shù)有望檢測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。利用電化學(xué)交流阻抗譜（EIS）檢測技術(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力學(xué)過程。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

48、每個電位處的阻抗，然后從阻抗虛部計算得到相應(yīng)的界面電容大小。電流積分檢測技術(shù)用于將雙電層電流從法拉第電流中分離出來，并確定工作電極表面電荷量。電化學(xué)系統(tǒng)的總電流為雙電層電流與法拉第電流之和，通過硬件積分器模塊對總電流進(jìn)行積分，得到總電荷量。由于雙電層電流持續(xù)時間非常短，而相比之下采用計時電流法檢測電流的采樣頻率非常有限，故采用計時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。總電荷量減去法拉第電荷量，其差值便是工作電極表面電荷量。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，因為溶液自身的電流將干擾隧道電流，影響成像質(zhì)量。目前，對電化學(xué)穩(wěn)定窗口內(nèi)

49、的電控摩擦機(jī)理的認(rèn)識尚處于猜測和定性階段，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。在以往的電控摩擦研究中，雖然對工作電極電位、電流、表面電荷以及潤滑膜厚度、質(zhì)量等參數(shù)的重要性有所認(rèn)識，但對這些物理量之間的內(nèi)在聯(lián)系沒有深入的考察。因此，有必要采用針對性的測試技術(shù)對電控摩擦過程中相關(guān)物理量進(jìn)行檢測，并通過對這些物理量相互關(guān)系的全面分析，真正建立起工作電極電位、電流、表面電荷變化與潤滑膜狀態(tài)（厚度、質(zhì)量）改變之間的關(guān)系，從而澄清電控摩擦機(jī)理，并確立描述電控摩擦規(guī)律的定量模型。第一，針對油酸鈉的PC溶液、PEG400的乙醇溶液進(jìn)行了ECQCM實驗。實驗平臺為石英晶振微天平，其對電極為鉑電極

50、，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(xué)池中注入待研究的溶液。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。實驗環(huán)境溫度為25C，實驗中溶液體系的濃度及組分純度如下：0.05 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99.9%。實驗結(jié)果見圖11、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力學(xué)過程。圖11、圖12中油酸鈉的PC溶液、PEG400的乙醇溶液

51、隨工作電極電位的吸脫附動力學(xué)過程分別與圖1、圖4中油酸鈉的PC溶液、PEG400的乙醇溶液的電控摩擦實驗結(jié)果一致，說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。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(dǎo)致其潤滑特性的改變。通過ECQCM對吸附膜質(zhì)量變化的定量檢測，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，有助于對電控摩擦機(jī)理的深入研究，以及對電控摩擦規(guī)律的定量描述。圖11 油酸鈉的PC溶液中吸附膜隨工作電極電位的吸脫附動力學(xué)過程圖12 PEG400的乙醇溶液中吸附膜隨工作電極電位的吸脫附動力學(xué)過程第二，針對SDBS的PC溶液進(jìn)行了EIS實驗，測

52、量不同工作電極電位下不銹鋼工作電極/溶液界面的界面電容。另外，以SDBS的PC溶液為潤滑液兼導(dǎo)電介質(zhì)，在球盤摩擦實驗機(jī)上進(jìn)行電控摩擦實驗。EIS實驗條件為：DC電位掃描范圍1V至1V，掃描間隔0.1V；交流擾動信號幅值10mV，頻率10Hz。電控摩擦實驗條件為：0.05 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25C，法向載荷L = 10 N，相對轉(zhuǎn)速n = 10 rpm；DC電位掃描范圍1V至1V，掃描間隔0.01V，掃描速度0.01V/s。界面電容的測試結(jié)果見圖13、圖14，圖15是電控摩擦實驗結(jié)果。圖13的實驗結(jié)果表明，在+0.25V電位之下，

53、界面電容倒數(shù)隨工作電極電位增大而增大，在+0.25V電位之上，界面電容倒數(shù)隨工作電極電位增大而減小，且這種趨勢對純PC、SDBS的PC溶液都是一樣的。圖14中界面電容倒數(shù)的變化趨勢和圖15中摩擦系數(shù)的變化趨勢是一致的，并且對于界面電容倒數(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。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 0.05 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）圖15 0.05 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

54、積分技術(shù)，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(guān)系。實驗以1 mM SDS的水溶液為潤滑液兼導(dǎo)電介質(zhì)，實驗平臺為球盤摩擦實驗機(jī)。電控摩擦實驗的其他條件為：ZrO2球/不銹鋼盤副，石墨對電極；實驗環(huán)境溫度25C，法向載荷L = 10 N，相對轉(zhuǎn)速n = 10 rpm。圖16 SDS的水溶液中的電控摩擦實驗結(jié)果在該實驗中激勵信號為工作電極電位階梯信號，其電控摩擦實驗結(jié)果如圖16所示。圖16的結(jié)果表明，對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。第四， EC橢圓偏振光檢

55、測技術(shù)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(jìn)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(xué)關(guān)系提供實驗數(shù)據(jù)。應(yīng)用橢圓偏振光技術(shù)的研究成果很多41-43, 49-57，若將橢圓偏振光檢測技術(shù)與電化學(xué)恒電位技術(shù)結(jié)合，則有望實現(xiàn)在不同工作電極電位下對相應(yīng)的吸附膜厚度的檢測。以上結(jié)合具體實驗和分析，初步證明了在電控摩擦機(jī)理研究中綜合應(yīng)用ECQCM技術(shù)、電化學(xué)交流阻抗譜（EIS）技術(shù)、電流積分技術(shù)和EC橢圓偏振光技術(shù)是完全可行的。3.2.4 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)象作了初步的實驗及理論分析，并將摩擦力的變化歸結(jié)為摩擦

56、系數(shù)的變化。其實，在微觀尺度摩擦體系下，電位改變引起的雙電層斥力改變不能忽略，從而導(dǎo)致有效法向力變化，摩擦力相應(yīng)地發(fā)生變化。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。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。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，電控摩擦只能通過改變潤滑膜的狀態(tài)來實現(xiàn)。而在金屬/金屬副微觀尺度摩擦體系下，摩擦界面存在雙電層斥力，電控摩擦通過改變潤滑膜的狀態(tài)以及有效法向力來實現(xiàn)。針對這兩類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。參考以往相

57、關(guān)的文獻(xiàn)，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(dāng)?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。3.3 工作計劃 2009.9-2011.5 對電控摩擦研究進(jìn)行相關(guān)的文獻(xiàn)調(diào)研，選擇課題，并完成初步的實驗論證。 2011.6-2011.12 采用獨立導(dǎo)電介質(zhì)進(jìn)行電控摩擦實驗。 構(gòu)建電化學(xué)橢圓偏振光檢測系統(tǒng)。 研究基于微觀尺度摩擦體系的電控摩擦。 2012.1-2012.6 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)基于非水溶液潤滑的電控摩擦機(jī)理。 對實驗結(jié)果和研究成果進(jìn)行總結(jié)，發(fā)表相關(guān)的學(xué)術(shù)論文，并申請發(fā)明專利。 2012.7-2012.9 完成博士論文的撰寫工作。 2012.10-2012.12 論文送審，并準(zhǔn)備答辯。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。工作難點：難點之一是基于非水溶液潤滑的電控摩擦機(jī)理研究，難點之二是基于微觀尺度摩擦體系的電控摩擦實驗研究?？赡?/p>