【摘要】：摩擦學(xué)是一門研究相對運(yùn)動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)的一個分支,在日常生活和生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。在我國北方時值冬季,雪天后的路面會帶來多種交通隱患,因此需采取各種防結(jié)冰和防滑措施。此外,許多水庫、河流會出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象,冰雪消融時會使水庫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^研究提出,“自潤滑”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。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,探索了摩擦界面構(gòu)建水溶性高分子膜層和潤滑油膜層對摩擦性能的影響,提出冰表面摩擦潤滑調(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。改變摩擦因素的測試結(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;隨著滑動速度的增大,相應(yīng)的摩擦系數(shù)同樣表現(xiàn)出減小的趨勢;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,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濕性。摩擦測試表明:當(dāng)PDMS表面潤濕性由親水向疏水轉(zhuǎn)變時,其在冰表面的摩擦系數(shù)呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。利用兩種不同的處理手段改變PDMS表面粗糙度,通過對比測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,摩擦系數(shù)會首先減小,但隨著表面粗糙度的繼續(xù)增大,相應(yīng)的摩擦系數(shù)則會出現(xiàn)迅速的升高,整體呈現(xiàn)先降后升的趨勢。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個階段,分別為最開始的干摩擦階段,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:通過在PDMS與冰表面摩擦界面構(gòu)建水溶性高分子潤滑膜層和潤滑油膜層,考察其對摩擦性能的潤滑效果,發(fā)現(xiàn)水溶性高分子的分子量和粘度對潤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,其低溫流動性變差,導(dǎo)致水溶性高分子對冰摩擦的潤滑效果相對減弱。相似的是,低溫條件下性質(zhì)容易發(fā)生改變的潤滑油的潤滑效果同樣會隨之變化,而一些低溫流動性好的潤滑油或潤滑脂則能夠在高粘度下仍然保持優(yōu)異穩(wěn)定的潤滑效果。同時,潤滑油作為調(diào)控冰摩擦的手段時,載荷等摩擦條件的改變,并不會影響到其對摩擦潤滑的效果。在需要達(dá)到冰潤滑調(diào)節(jié)的領(lǐng)域,可以使用分子量較小同時低溫環(huán)境下流動性能好的水溶性高分子或潤滑油,能夠很好地起到減摩抗磨的作用。通過對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)是研究相對運(yùn)動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]。面通過相互運(yùn)動或相互接觸時產(chǎn)生平行于物體運(yùn)動方向的力的現(xiàn)象互運(yùn)動過程使表面性質(zhì)以及表面結(jié)構(gòu)改變的現(xiàn)象；潤滑是通過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)來進(jìn)行取火（圖 1.1）；在運(yùn)輸大型貨物時，使用不是人力拖動也是因為木棒的滾動摩擦力要遠(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)動對摩擦是研究接觸狀態(tài)、摩擦因素等外在條件對摩擦力的影響。內(nèi)摩擦按摩擦和固體摩擦。外摩擦按運(yùn)動狀態(tài)分為靜摩擦和動摩擦，動摩擦又為滑動摩擦和滾動摩擦。另外，外摩擦按有無流體介質(zhì)分為干摩擦

出流體動壓潤滑的基本理論，其后相繼發(fā)展了邊界潤滑[7]、彈性流體動力潤滑[8]以及薄膜潤滑[9]理論。而“摩擦學(xué)”這一術(shù)語是在 1966 年，由英國的 H. Peter Jos 首次提出，將其定義為“研究相對運(yùn)動表面間的摩擦、磨損與潤滑，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運(yùn)動所產(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。而磨損和潤滑行為主要研究物體摩擦過程中表面形貌和性質(zhì)的改變，以及通過物體表面潤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)展對國民經(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)愈來愈突出，，為摩擦學(xué)基礎(chǔ)理論和技術(shù)問題的突破提供了導(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)的一個分支，研究冰的摩擦特性非常具有實(shí)際應(yīng)用價值[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)物體在冰上滑動時其摩擦系數(shù)僅有約 0.002 ~ 0.03。
【學(xué)位授予單位】：蘭州交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TQ333.93;O313.5

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9 ;Development of PDMS-based Microfluidic Device for Cell-based Assays[A];第二屆全國微全分析系統(tǒng)學(xué)術(shù)會議論文摘要集[C];2004年

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本文編號：2706183