Page 6 - 《摩擦学学报》2021年第6期

第 6 期 廖章文, 等: 冰雪滑动摩擦研究现状及发展趋势 791

700
400 细小的冰晶构成. 雪晶体的形成是1个奇妙的过程，
c 300 600
h Liquid 500 [14]
h 200 Libbrecht 对雪花有着独到的研究，特别是在冰晶成
c 100 400
c
c 核生长及结构形成方面，提出了阶跃能对成核速率有
h 300
c 0
h Hydrogen Polymeric T/K 直接影响的结论. 在云层之上的水蒸气通过一些微小
h stands for Ih T/℃ Ih disordered 200
c stands for Ic −100 颗粒成核，凝聚成固态的小冰晶，随后在下落过程中
−200 Hydrogen 100 不断地碰撞、吸引以及凝结，然后依附于冰晶的表层
ordered [15]
发生相变 . 当凝聚的晶体足够大时，就可以克服阻
0
0 1 2 50 100 力，以雪花的形式落下地面.

[8] 2.3 相变过程中的分析
Fig. 2 Phase diagram of ice crystal structure
图 2 冰晶结构相图 [8] 水、冰和雪三者之间的相变，看似简单的过程，实
则是1个流体流动问题，牵扯到非常复杂的变化过程.
观地去观察雪晶体的三维形态，发现天然雪晶的表面
所涉及的研究领域也非常广泛，比如冰刻技术、空调
是由平坦部分和复杂三维部分构成. 如图3(h)所示，能
技术和环保能源技术等领域 . 水、冰和雪相变过程
[16]
清晰看到侧枝中间部分存在主脊，沿侧枝方向存在分
中复杂而细微的变化，可以通过现代科学仪器进行观
脊. 树枝状雪晶体是均匀六边形状的侧枝，Shimada等 [11]
进一步研究发现侧枝与主枝分开是主棱柱面和相邻 察和检测，其与环境的温度、压力和湿度等变化息息
[17]
的基面上的台阶或者水平过饱和变化导致的. 这种侧 相关 . 它们有着相同的化学结构，由1个氧原子和
枝过饱和式的生长，使得分枝在尖端部分会变窄，如 2个氢原子组成. 氢原子和氧原子之间通过键连接，
图3(i)所示. 雪晶体的表面形态不稳定与表面水分子 1个水分子能够形成2个氢键，1个是O:H范德华键和
的扩散和阶跃迁移有关. 1个是O-H极性共价键.
[18]
[12]
针对过饱和状态的晶体生长，Libbrecht等 在−5 ℃ 李发兵等 采用拉曼光谱的技术，对不同温度下
的温度下以改变不同条件去观察雪晶体生长情况，发 Ih相冰的表面层进行拉曼峰强研究. 通过控制温度，
现了板状、柱状和棱柱状以及复杂树枝状结构的集 得到Ih相冰在−190~−20 ℃范围的表面层拉曼光谱图.
合，并通过附着动力学模型描述了分子结晶状态，这 再分析O:H键和O-H键的拉曼峰强和频移分别与温度
对理解雪晶体结构对摩擦过程的影响具有重要参考 的关系，发现在常压状态下氢键对峰值影响很大，其

作用. 随温度降低而强度增大，且拉曼峰强在−150 ℃时发生

2.2 水、冰和雪间的转化 突变，表明Ih相冰的表面层发生了相变. 拉曼频移与
众所周知，水是生命的源泉，它们以冰雪的形式 温度呈线性关系，利用其斜率比较，证明了随着温度
存在于地球表面，覆盖面积达到23%. 南北两极冰雪 的降低，O:H键压缩大于O-H键拉伸，导致分子之间距
的存在，直接影响着全球的气候和洋流，且能反射 离减小，Ih相冰的密度增大，这对了解常压下的冰具
[13]
90%的太阳辐射 . 从微观上观察，雪主要是由非常多 有重要作用.
(a) 30 s (c) 270 s (e) 450 s (g) 570 s (i) 810 s

100 μm 100 μm 100 μm 100 μm
(b) 150 s (d) 330 s (f) 510 s (h) 630 s

100 μm 100 μm 100 μm 100 μm 100 μm

[11]
Fig. 3 Time sequence of interferometer images during growth of dendrite branch at −14 ℃ and 12% supersaturation
图 3 在−14 ℃和12%过饱和条件下枝晶分支生长的干涉仪图像时间序列 [11]