基于非水溶液润滑的电控摩擦实验与理论研究选题报告(编辑修改稿)

基于非水溶液润滑的电控摩擦实验与理论研究选题报告(编辑修改稿)内容摘要：

擦中非水溶液、水溶液的异同。 通过比较研究，试图发现具有较好电控摩擦效果的润滑液特性，并指导适合于电控摩擦的润滑液的选型，同时将电控摩擦研究中使用的润滑液向聚电解质溶液 [43, 6468]扩展。 本课题的整体研究方案如下：以非水溶液为润滑介质，并以润滑介质为导电介质，进行电控摩擦实验，结合多种检测技术初步确定基于非水溶液润滑的电控摩擦机理；采用独立的导电介质，进行基于非水溶液润滑的电控摩擦实验，以提高电控摩擦效果，并进一步 验证电控摩擦机理；结合实验和理论分析来研究基于微观尺度摩擦的电控摩擦，以便全面理解电控摩擦机理。 本课题研究的具体技术路线如下：将电控摩擦研究中使用的润滑介质从水溶液扩展到非水溶液，具体包括油酸钠、十二烷基苯磺酸钠（ SDBS） [69]、葡萄糖 [70]等的 PC 溶液，聚乙二醇 400（ PEG400） [71]的乙醇溶液等；将电控摩擦研究中使用的导电介质从润滑液扩展到独立的导电介质，包括固态聚合物电解质、电解液等；将摩擦体系从宏观尺度摩擦扩展到微观尺度摩擦，使摩擦界面的法向载荷与双电层斥力具有可比性；以椭圆偏振术、阻 抗谱技术、 QCM 技术和电流积分技术等为检测手段，研究并澄清电化学稳定窗口内基于非水溶液润滑的电控摩擦机理；对基于非水溶液、水溶液润滑的电控摩擦进行比较研究，从而揭示影响电控摩擦效果的关键因素，并进一步扩展适合于电控摩擦的润滑液种类，如有望采用聚电解质溶液作润滑液，对其进行电控摩擦研究。 课题工作的可行性分析 下面结合初步的有针对性的实验结果和讨论，对本课题研究工作进行详细的可行性分析。 基于非水溶液润滑的电控摩擦 实验 实验中使用的润滑液依次为油酸钠的 PC溶液、 SDBS的 PC溶液、葡萄糖的 PC 溶液、 PEG400的乙醇溶液。 以上实验均在球盘摩擦试验机上完成，摩擦副为 ZrO2球 /不锈钢盘副。 以不锈钢盘试件作为工作电极，对电极采用石墨电极，参比电极采用饱和甘汞电极，工作电极与对电极之间的导电介质为润滑液。 实验环境温度为 25176。 C，实验中所用的各种润滑液的浓度及组分纯度如下： wt%油酸钠的 PC溶液，油酸钠为化学纯， PC纯度为 99%； wt% SDBS 的 PC 溶液， SDBS 为化学纯，PC纯度为 99%； wt%葡萄糖的 PC溶液，葡萄糖为分析纯， PC 纯度为 99%； 9 vt% PEG400的乙醇溶液， PEG400 为化学纯，乙醇纯度为 %。 表 1 列出了乙醇、碳酸丙烯酯、水等溶剂的相对介电常数、偶极矩值，表中三种溶剂按极性由强到弱排序依次为：碳酸丙烯酯 水 乙醇。 水基润滑液中的电控摩擦效应已被许多研究证实，若非水基润滑液以极性的碳酸丙烯酯、乙醇作溶剂，则在此类非水溶液中很有可能也存在电控摩擦效果。 文献综述与选题报告 姓名： 阳小勇 导师：孟永钢 8 表 1 几种溶剂的相对介电常数及偶极矩值（ 25176。 C） 乙醇 碳酸丙烯酯 水 相对介电常数 偶极矩 /D 基于非水溶液润滑的电控摩擦实验可对 以上推测进行验证，其实验结果见图 1图 4。 图 1为基于油酸钠的 PC溶液润滑的电控摩擦实验结果，实验中法向载荷（ L）、相对转速（ n）条件为：L = 10 N， n = 180 rpm。 图 2为基于 SDBS 的 PC 溶液润滑的电控摩擦实验结果，实验中法向载荷（ L）、相对转速（ n）条件为： L = N， n = 50 rpm。 图 3为基于葡萄糖的 PC溶液润滑的电控摩擦实验结果，实验中法向载荷（ L）、相对转速（ n）条件为： L = 10 N， n = 100 rpm。 图 4为基于 PEG400 的乙醇溶液润滑的电控摩擦实验结果，实验 中法向载荷（ L）、相对转速（ n）条件为： L = 10 N， n = 180 rpm。 实验结果表明，在某些非水基润滑液中确实存在电控摩擦效应。 在针对油酸钠的 PC 溶液、SDBS 的 PC 溶液、葡萄糖的 PC 溶液的电控摩擦实验中，当工作电极电位负跳变时，摩擦系数不同程度地升高，而在针对 PEG400的乙醇溶液的电控摩擦实验中，当工作电极电位负跳变时，摩擦系数有所降低。 另外，以上实验中所用的非水基润滑液均没有添加支持电解质，这与 Ogano等的工作 [25, 26]是有区别的。 图 1 基于油酸钠的 PC溶液润滑的电控摩擦实 验结果 文献综述与选题报告 姓名： 阳小勇 导师：孟永钢 9 图 2 基于 SDBS 的 PC溶液润滑的电控摩擦实验结果 图 3 基于葡萄糖的 PC溶液润滑的电控摩擦实验结果 文献综述与选题报告 姓名： 阳小勇 导师：孟永钢 10 图 4 基于 PEG400 的乙醇溶液润滑的电控摩擦实验结果 基于独立 导电介质 的电控摩擦 实验 尝试采用独立的导电介质进行电控摩擦实验，而使润滑介质仅起润滑作用。 所用的导电介质先后采用了纳米复合材料固态聚合物电解质（ NCSPE）、电解液。 先介绍以 NCSPE 为导电介质的电控摩擦实验。 实验在 UMT2 往复式摩擦试验机上完成，摩擦副为 Si3N4球 /铜片副，实验中所用的润滑液 为 1 mM十二烷基硫酸钠（ SDS）的水溶液。 工作电极为铜片摩擦试件，对电极采用铜片电极，作为导电介质的 NCSPE 由 PEG1000、 LiClOSiO2组成。 实验环境温度 25176。 C，法向载荷 L = 2 N，相对速度 v = 2 mm/s。 其电控摩擦系统示意图如图 5 所示，电控摩擦实验结果见图 6。 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 图 5 以 NCSPE 为导电介质的电控摩擦系统示意图 由图 6 的电控摩擦结果可知，图 5所示的电控摩擦系统并没有获得期望的电控摩擦效应。 对这种结果的解释如下：实验中所制备的 SPE 体相阻抗太大，以致于槽电压变化导致的工作电 极界面电位的变化很小，故工作电极表面的电荷量几乎不变，因此没有产生电控摩擦效果。 文献综述与选题报告 姓名： 阳小勇 导师：孟永钢 11 图 6 以 NCSPE 为导电介质的电控摩擦实验结果 对图 5 中的电控摩擦系统进行改进，引入一旁路有源电阻，该旁路通过开关控制与双电极系统导通或断开。 改进的电控摩擦系统如图 7 所示，其电控摩擦实验结果见图 8。 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 图 7 以 NCSPE 为导电介质改进的电控摩擦系统示意图 图 8 中内图在 120 s 附件出现的电流脉冲由图 7 中旁路开关的频繁通断引起，在该电流脉冲的激励下，工作电极界面逐渐充负电，故摩擦系数逐渐升高，直到 160 s 附件，摩擦系数达到最大，此后，工作电极界面的负电荷在放电作用下逐渐减少，因此摩擦系数逐渐恢复到充电前水平。 图 8 的电控摩擦实验结果表明，改进的电控摩擦系统具有电控摩擦效应，但电控摩擦的效果不能持续维持。 以上的实验结果也证明，电极表面电荷量的变化是电控摩擦的直接原因。 下面介绍以电解液为导电介质的电控摩擦实验。 实验在球盘摩擦试验机上完成，摩擦副为ZrO2球 /不锈钢盘副，实验中所用的润滑液为 wt% SDBS 的 PC 溶液。 工作电极为不锈钢盘摩擦试件，对电极采用石墨电极，参比电极采用 Ag/AgCl固体电极（ DRIREF2SH。 World Precision Instruments），作为导电介质的电解液为 1 mM SDS 的水溶液。 实验环境温度 25176。 C，法向载荷 L = 10 N，相对转速 n = 10 rpm。 其电控摩擦系统示意图如图 9 所示，电控摩擦实验结果见图 10。 图 10 的电控摩擦结果表明，图 9 中以电解液为导电介质的电控摩擦系统没有产生电控摩擦效果。 一种可能的解释是：由于电荷从不锈钢盘下表面向上表面的迁移受阻，因此工作电极 /电文献综述与选题报告 姓名： 阳小勇 导师：孟永钢 12 解液界面电位的变化所引起的电极表面电荷量的变化只局限于工作电极 /电解液界面，以致 于工作电极 /润滑液界面的电荷量几乎不变，润滑膜的状态也维持不变，故没有获得电控摩擦效果。 以上采用独立导电介质的电控摩擦实验表明，采用 SPE 作为独立导电介质的电控摩擦有效果，但电控摩擦效果不能持续维持，而采用电解液作为独立导电介质的电控摩擦基本没效果。 不过，尽管没有获得较好的电控摩擦效果，但采用独立导电介质实现电控摩擦依然是可行的。 提高SPE 的离子电导率，并改进采用电解液作为导电介质的电控摩擦系统结构，有望获得理想的电控摩擦效果。 图 8 以 NCSPE 为导电介质改进的电控摩擦实验结果 图 9 以电解液为导电介质的电控摩擦系统示意图 文献综述与选题报告 姓名： 阳小勇 导师：孟永钢 13 图 10 以电解液为导电介质的电控摩擦实验结果 结合 多种检测手段研究电控摩擦机理 通过初步的实验和理论分析，论证了结合多种检测手段进行电控摩擦机理研究的可行性。 在实验中分别采用了电化学石英晶振微天平（ ECQCM）、电化学交流阻抗谱（ EIS）和电流积分等检测技术，并对电化学椭圆偏振光检测技术进行了初步分析。 采用 QCM 检测方法可获得固 /液界面、固 /气界面吸附膜的吸脱附行为，针对不同性质的吸附膜（粘弹性膜或刚性膜），需要对测量数据进行相应的处理。 ECQCM 技 术结合了电化学技术以及 QCM 检测技术，用于检测电极表面吸附膜的吸脱附行为随工作电极电位的变化。 椭圆偏振光检测技术可测量固 /液界面、固 /气界面、液 /气界面或液 /液界面的吸附膜厚度，对于金属 /溶液界面的吸附膜，若结合电化学方法控制金属 /溶液界面电位，则吸附膜的状态将依赖于此电位，结合电化学方法的椭圆偏振光测试技术有望检测不同工作电极界面电位下电极 /溶液界面处吸附膜状态的变化。 利用电化学交流阻抗谱（ EIS）检测技术可获得不同工作电极电位下电极 /溶液界面处吸附介电层的界面电容，该界面电容大小的变化反映了在电位变 化下吸附膜的吸脱附动力学过程。 为了获得不同工作电极电位处的界面电容值，采用单频扫电位方法测量每个电位处的阻抗，然后从阻抗虚部计算得到相应的界面电容大小。 电流积分检测技术用于将双电层电流从法拉第电流中分离出来，并确定工作电极表面电荷量。 电化学系统的总电流为双电层电流与法拉第电流之和，通过硬件积分器模块对总电流进行积分，得到总电荷量。 由于双电层电流持续时间非常短，而相比之下采用计时电流法检测电流的采样频率非常有限，故采用计时电流法检测到的电流为法拉第电流， 可通过软件对其进行积分，得到法拉第电荷量。 总电荷量减去法拉第电荷量，其差值便是工作电极表面电荷量。 扫描隧道显微镜（ STM）技术对固 /液界面吸附膜的成像存在一定难度，因为溶液自身的电流将干扰隧道电流，影响成像质量。 文献综述与选题报告 姓名： 阳小勇 导师：孟永钢 14 目前，对电化学稳定窗口内的电控摩擦机理的认识尚处于猜测和定性阶段，客观证据不足，也没有建立定量模型以描述电控摩擦规律。 在以往的电控摩擦研究中，虽然对工作电极电位、电流、表面电荷以及润滑膜厚度、质量等参数的重要性有所认识，但对这些物理量之间的内在联系没有深入的考察。 因此，有必要采用针对性的测试技术 对电控摩擦过程中相关物理量进行检测，并通过对这些物理量相互关系的全面分析，真正建立起工作电极电位、电流、表面电荷变化与润滑膜状态（厚度、质量）改变之间的关系，从而澄清电控摩擦机理，并确立描述电控摩擦规律的定量模型。 第一，针对油酸钠的 PC溶液、 PEG400 的乙醇溶液进行了 ECQCM 实验。 实验平台为石英晶振微天平，其对电极为铂电极，工作电极为镀不锈钢膜石英晶片，参比电极为 Ag/AgCl电极，电化学池中注入待研究的溶液。 由恒电位仪控制工作电极电位，石英晶振微天平检测工作电极 /溶液界面吸附膜的吸脱附行为。 实验环。