【摘要】：摩擦學(xué)是一門研究相對(duì)運(yùn)動(dòng)作用的表面間的一門學(xué)科,而冰表面的摩擦學(xué)作為摩擦學(xué)專業(yè)的一個(gè)分支,在日常生活和生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。在我國(guó)北方時(shí)值冬季,雪天后的路面會(huì)帶來(lái)多種交通隱患,因此需采取各種防結(jié)冰和防滑措施。此外,許多水庫(kù)、河流會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象,冰雪消融時(shí)會(huì)使水庫(kù)壩體以及河堤面臨一系列的擠壓破損和摩擦剮蹭破壞。因此,了解冰摩擦的機(jī)理,探究影響冰表面摩擦系數(shù)的相關(guān)因素是非常有必要的�？蒲泄ぷ髡咄ㄟ^(guò)研究提出,“自潤(rùn)滑”效應(yīng)是造成冰面如此之“滑”,摩擦系數(shù)如此之小的主要結(jié)論。而聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為一種疏水的聚合物軟材料,被廣泛應(yīng)用在如涂料、微加工、生物醫(yī)療和仿生替代等各個(gè)領(lǐng)域。另外,PDMS的制備流程短、反應(yīng)條件比較溫和、反應(yīng)產(chǎn)物易于獲取,同時(shí)能夠進(jìn)行表面改性。因此,PDMS在冰表面的摩擦性能研究為冰摩擦機(jī)理的提出提供了切實(shí)可行的路徑,并且能夠推演總結(jié)出眾多聚合物軟材料在冰表面的摩擦機(jī)理。本研究利用PDMS與冰表面的摩擦實(shí)驗(yàn)。探究不同摩擦條件,以及PDMS不同表面物理化學(xué)性質(zhì)的情況下,PDMS在冰面的摩擦情況,歸納出冰摩擦學(xué)的一般機(jī)理。同時(shí),探索了摩擦界面構(gòu)建水溶性高分子膜層和潤(rùn)滑油膜層對(duì)摩擦性能的影響,提出冰表面摩擦潤(rùn)滑調(diào)控的一般規(guī)律。主要研究及結(jié)論如下:(1)有機(jī)硅橡膠在冰表面的摩擦學(xué)行為研究:使用PDMS液體主劑與固化劑混合制備的軟質(zhì)聚合物PDMS在冰表面進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)。改變摩擦因素的測(cè)試結(jié)果表明,在其他條件不變的情況下,隨著載荷的增大,摩擦系數(shù)呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì);隨著滑動(dòng)速度的增大,相應(yīng)的摩擦系數(shù)同樣表現(xiàn)出減小的趨勢(shì);隨著冰表面溫度的升高,PDMS在冰表面的摩擦系數(shù)則逐漸減小。而當(dāng)改變PDMS本征性能,即固化劑比例減小時(shí),PDMS的拉伸強(qiáng)度則隨之降低,摩擦系數(shù)也隨之減小。(2)材料表面物理化學(xué)性質(zhì)對(duì)PDMS與冰表面摩擦學(xué)性能影響研究:利用氧等離子體和氟化試劑分別處理PDMS表面,使其具有不同的表面潤(rùn)濕性。摩擦測(cè)試表明:當(dāng)PDMS表面潤(rùn)濕性由親水向疏水轉(zhuǎn)變時(shí),其在冰表面的摩擦系數(shù)呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。利用兩種不同的處理手段改變PDMS表面粗糙度,通過(guò)對(duì)比測(cè)試不同粗糙度下的摩擦系數(shù)發(fā)現(xiàn),當(dāng)表面粗糙度增大時(shí),摩擦系數(shù)會(huì)首先減小,但隨著表面粗糙度的繼續(xù)增大,相應(yīng)的摩擦系數(shù)則會(huì)出現(xiàn)迅速的升高,整體呈現(xiàn)先降后升的趨勢(shì)。最后,總結(jié)得到PDMS硅橡膠在冰表面的摩擦機(jī)理,大致分為3個(gè)階段,分別為最開(kāi)始的干摩擦階段,之后有水膜形成的水膜生成階段以及最后在水潤(rùn)滑條件下的流體力學(xué)摩擦階段。(3)PDMS與冰表面摩擦學(xué)性能調(diào)控研究:通過(guò)在PDMS與冰表面摩擦界面構(gòu)建水溶性高分子潤(rùn)滑膜層和潤(rùn)滑油膜層,考察其對(duì)摩擦性能的潤(rùn)滑效果,發(fā)現(xiàn)水溶性高分子的分子量和粘度對(duì)潤(rùn)滑效果有著極大的影響,當(dāng)水溶性高分子分子量和粘度增大時(shí),其低溫流動(dòng)性變差,導(dǎo)致水溶性高分子對(duì)冰摩擦的潤(rùn)滑效果相對(duì)減弱。相似的是,低溫條件下性質(zhì)容易發(fā)生改變的潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑效果同樣會(huì)隨之變化,而一些低溫流動(dòng)性好的潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂則能夠在高粘度下仍然保持優(yōu)異穩(wěn)定的潤(rùn)滑效果。同時(shí),潤(rùn)滑油作為調(diào)控冰摩擦的手段時(shí),載荷等摩擦條件的改變,并不會(huì)影響到其對(duì)摩擦潤(rùn)滑的效果。在需要達(dá)到冰潤(rùn)滑調(diào)節(jié)的領(lǐng)域,可以使用分子量較小同時(shí)低溫環(huán)境下流動(dòng)性能好的水溶性高分子或潤(rùn)滑油,能夠很好地起到減摩抗磨的作用。通過(guò)對(duì)硅橡膠與冰表面摩擦學(xué)的研究,能夠更清楚的掌握聚合物軟物質(zhì)與冰表面的摩擦規(guī)律并揭示其摩擦機(jī)理,從而為冰摩擦材料的制備、性能調(diào)控和應(yīng)用提供理論依據(jù),為防結(jié)冰和防滑措施提供技術(shù)支持。
【圖文】：

學(xué)的起源與發(fā)展學(xué)是研究相對(duì)運(yùn)動(dòng)的作用表面間的有關(guān)理論與應(yīng)用的一門學(xué)科，是研的摩擦、潤(rùn)滑和磨損，以及三者間相互關(guān)系的科學(xué)與技術(shù)的總稱[1]。面通過(guò)相互運(yùn)動(dòng)或相互接觸時(shí)產(chǎn)生平行于物體運(yùn)動(dòng)方向的力的現(xiàn)象互運(yùn)動(dòng)過(guò)程使表面性質(zhì)以及表面結(jié)構(gòu)改變的現(xiàn)象；潤(rùn)滑是通過(guò)在相互施加隔離層使相互摩擦的物體表面達(dá)到減摩抗磨的效果。人類很早就的現(xiàn)象為自己提供便利，如史前人類所使用的鉆木取火，就是木棒摩度達(dá)到木頭的燃點(diǎn)來(lái)進(jìn)行取火（圖 1.1）；在運(yùn)輸大型貨物時(shí)，使用不是人力拖動(dòng)也是因?yàn)槟景舻臐L動(dòng)摩擦力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于貨物自身的滑分為內(nèi)摩擦和外摩擦。內(nèi)摩擦是研究物體內(nèi)部微觀粒子的運(yùn)動(dòng)對(duì)摩擦是研究接觸狀態(tài)、摩擦因素等外在條件對(duì)摩擦力的影響。內(nèi)摩擦按摩擦和固體摩擦。外摩擦按運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分為靜摩擦和動(dòng)摩擦，動(dòng)摩擦又為滑動(dòng)摩擦和滾動(dòng)摩擦。另外，外摩擦按有無(wú)流體介質(zhì)分為干摩擦

出流體動(dòng)壓潤(rùn)滑的基本理論，其后相繼發(fā)展了邊界潤(rùn)滑[7]、彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑[8]以及薄膜潤(rùn)滑[9]理論。而“摩擦學(xué)”這一術(shù)語(yǔ)是在 1966 年，由英國(guó)的 H. Peter Jos 首次提出，將其定義為“研究相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面間的摩擦、磨損與潤(rùn)滑，以及三者間的相互關(guān)系的理論與應(yīng)用的一門邊緣學(xué)科”。摩擦現(xiàn)象主要揭示物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦力的變化及其表面能量的變化規(guī)律和機(jī)理。而磨損和潤(rùn)滑行為主要研究物體摩擦過(guò)程中表面形貌和性質(zhì)的改變，以及通過(guò)物體表面潤(rùn)滑或其他表明處理方式，達(dá)到減摩抗磨的作用，摩擦學(xué)的發(fā)展對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要意義[10]。隨著研究從宏觀向微觀領(lǐng)域的不斷深入，表面效應(yīng)和界面效應(yīng)愈來(lái)愈突出，，為摩擦學(xué)基礎(chǔ)理論和技術(shù)問(wèn)題的突破提供了導(dǎo)向作用。1.2 冰摩擦學(xué)的研究與進(jìn)展冰摩擦學(xué)是摩擦學(xué)的一個(gè)分支，研究冰的摩擦特性非常具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[11-12]，比如車輛如何在結(jié)冰路面上避免打滑，冰壺如何在冰面上滑行的更順暢，如圖 1.2 所示。研究人員發(fā)現(xiàn)，正常狀態(tài)下冰的摩擦系數(shù)約為 0.3，但是當(dāng)物體在冰上滑動(dòng)時(shí)其摩擦系數(shù)僅有約 0.002 ~ 0.03。
【學(xué)位授予單位】：蘭州交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TQ333.93;O313.5

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