有机硅橡胶与冰表面的摩擦学性能研究

发布时间：2020-06-10 10:48

【摘要】：摩擦学是一门研究相对运动作用的表面间的一门学科,而冰表面的摩擦学作为摩擦学专业的一个分支,在日常生活和生产中有着广泛的应用。在我国北方时值冬季,雪天后的路面会带来多种交通隐患,因此需采取各种防结冰和防滑措施。此外,许多水库、河流会出现结冰现象,冰雪消融时会使水库坝体以及河堤面临一系列的挤压破损和摩擦剐蹭破坏。因此,了解冰摩擦的机理,探究影响冰表面摩擦系数的相关因素是非常有必要的。科研工作者通过研究提出,“自润滑”效应是造成冰面如此之“滑”,摩擦系数如此之小的主要结论。而聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为一种疏水的聚合物软材料,被广泛应用在如涂料、微加工、生物医疗和仿生替代等各个领域。另外,PDMS的制备流程短、反应条件比较温和、反应产物易于获取,同时能够进行表面改性。因此,PDMS在冰表面的摩擦性能研究为冰摩擦机理的提出提供了切实可行的路径,并且能够推演总结出众多聚合物软材料在冰表面的摩擦机理。本研究利用PDMS与冰表面的摩擦实验。探究不同摩擦条件,以及PDMS不同表面物理化学性质的情况下,PDMS在冰面的摩擦情况,归纳出冰摩擦学的一般机理。同时,探索了摩擦界面构建水溶性高分子膜层和润滑油膜层对摩擦性能的影响,提出冰表面摩擦润滑调控的一般规律。主要研究及结论如下:(1)有机硅橡胶在冰表面的摩擦学行为研究:使用PDMS液体主剂与固化剂混合制备的软质聚合物PDMS在冰表面进行摩擦实验。改变摩擦因素的测试结果表明,在其他条件不变的情况下,随着载荷的增大,摩擦系数呈现逐渐减小的趋势;随着滑动速度的增大,相应的摩擦系数同样表现出减小的趋势;随着冰表面温度的升高,PDMS在冰表面的摩擦系数则逐渐减小。而当改变PDMS本征性能,即固化剂比例减小时,PDMS的拉伸强度则随之降低,摩擦系数也随之减小。(2)材料表面物理化学性质对PDMS与冰表面摩擦学性能影响研究:利用氧等离子体和氟化试剂分别处理PDMS表面,使其具有不同的表面润湿性。摩擦测试表明:当PDMS表面润湿性由亲水向疏水转变时,其在冰表面的摩擦系数呈现逐渐减小的趋势。利用两种不同的处理手段改变PDMS表面粗糙度,通过对比测试不同粗糙度下的摩擦系数发现,当表面粗糙度增大时,摩擦系数会首先减小,但随着表面粗糙度的继续增大,相应的摩擦系数则会出现迅速的升高,整体呈现先降后升的趋势。最后,总结得到PDMS硅橡胶在冰表面的摩擦机理,大致分为3个阶段,分别为最开始的干摩擦阶段,之后有水膜形成的水膜生成阶段以及最后在水润滑条件下的流体力学摩擦阶段。(3)PDMS与冰表面摩擦学性能调控研究:通过在PDMS与冰表面摩擦界面构建水溶性高分子润滑膜层和润滑油膜层,考察其对摩擦性能的润滑效果,发现水溶性高分子的分子量和粘度对润滑效果有着极大的影响,当水溶性高分子分子量和粘度增大时,其低温流动性变差,导致水溶性高分子对冰摩擦的润滑效果相对减弱。相似的是,低温条件下性质容易发生改变的润滑油的润滑效果同样会随之变化,而一些低温流动性好的润滑油或润滑脂则能够在高粘度下仍然保持优异稳定的润滑效果。同时,润滑油作为调控冰摩擦的手段时,载荷等摩擦条件的改变,并不会影响到其对摩擦润滑的效果。在需要达到冰润滑调节的领域,可以使用分子量较小同时低温环境下流动性能好的水溶性高分子或润滑油,能够很好地起到减摩抗磨的作用。通过对硅橡胶与冰表面摩擦学的研究,能够更清楚的掌握聚合物软物质与冰表面的摩擦规律并揭示其摩擦机理,从而为冰摩擦材料的制备、性能调控和应用提供理论依据,为防结冰和防滑措施提供技术支持。
【图文】：

摩擦学,人类,深入研究,外摩擦

学的起源与发展学是研究相对运动的作用表面间的有关理论与应用的一门学科，是研的摩擦、润滑和磨损，以及三者间相互关系的科学与技术的总称[1]。面通过相互运动或相互接触时产生平行于物体运动方向的力的现象互运动过程使表面性质以及表面结构改变的现象；润滑是通过在相互施加隔离层使相互摩擦的物体表面达到减摩抗磨的效果。人类很早就的现象为自己提供便利，如史前人类所使用的钻木取火，就是木棒摩度达到木头的燃点来进行取火（图 1.1）；在运输大型货物时，使用不是人力拖动也是因为木棒的滚动摩擦力要远远小于货物自身的滑分为内摩擦和外摩擦。内摩擦是研究物体内部微观粒子的运动对摩擦是研究接触状态、摩擦因素等外在条件对摩擦力的影响。内摩擦按摩擦和固体摩擦。外摩擦按运动状态分为静摩擦和动摩擦，动摩擦又为滑动摩擦和滚动摩擦。另外，外摩擦按有无流体介质分为干摩擦

表面形貌,实际应用,摩擦学

出流体动压润滑的基本理论，其后相继发展了边界润滑[7]、弹性流体动力润滑[8]以及薄膜润滑[9]理论。而“摩擦学”这一术语是在 1966 年，由英国的 H. Peter Jos 首次提出，将其定义为“研究相对运动表面间的摩擦、磨损与润滑，以及三者间的相互关系的理论与应用的一门边缘学科”。摩擦现象主要揭示物体相对运动所产生的摩擦力的变化及其表面能量的变化规律和机理。而磨损和润滑行为主要研究物体摩擦过程中表面形貌和性质的改变，以及通过物体表面润滑或其他表明处理方式，达到减摩抗磨的作用，摩擦学的发展对国民经济的发展具有重要意义[10]。随着研究从宏观向微观领域的不断深入，表面效应和界面效应愈来愈突出，，为摩擦学基础理论和技术问题的突破提供了导向作用。1.2 冰摩擦学的研究与进展冰摩擦学是摩擦学的一个分支，研究冰的摩擦特性非常具有实际应用价值[11-12]，比如车辆如何在结冰路面上避免打滑，冰壶如何在冰面上滑行的更顺畅，如图 1.2 所示。研究人员发现，正常状态下冰的摩擦系数约为 0.3，但是当物体在冰上滑动时其摩擦系数仅有约 0.002 ~ 0.03。
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ333.93;O313.5

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