Page 7 - 《摩擦学学报》2021年第6期
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792                                     摩   擦   学   学   报                                 第 41 卷

                常温常压环境下的Ih相冰是稳定状态，而Ic相冰                        比赛成绩，这是1个综合多因素的复杂问题.
                                                        [19]
                                                                              [24]
            则是属于亚稳定状态，主要在大气中的冰云上形成 .                               Makkonen等 建立了1个冰摩擦的理论模型，来
            经过长期研究，可以在试验中通过控制冷却速度的条                            验证滑动速度对冰温度的影响. 通过模型的分析，发
                                            [20]
            件下产生稳定的Ic相冰，Komatsu团队 采用从高压形                       现冰摩擦对接触界面的温度相当敏感. 冰上项目大部
            式的氢水化合物(H -H O)中抽离氢的方法制备可以在                        分装备是由钢制的，且与冰接触面积较小. 当冰刀在
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            低于250 K的常压条件稳定存在的Ic相冰. 意大利                         冰面上滑过时，会留下一道道划痕. 采用低温扫描电
                   [21]
            Rosso等 领导团队完成制备无堆砌缺陷Ic相冰的方                         子显微镜进行观察，首先将环境温度控制在−27~−0.5 ℃，
            法，他们是将原始水合物样品完成退火处理后获得                             速度范围控制在0.008~0.37 m/s进行试验，通过研究划
            D O冰(XVII晶体)粉末样品在动态真空下利用加热的                        痕观察整个摩擦过程 . 发现在高速-低温和低速-高
                                                                                  [25]
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            方法来制备Ic相冰，之后再通过中子衍射试验和拉曼                           温条件下的摩擦系数较低，摩擦表面形成具有明确晶
            光谱测量验证其立方冰的结构和纯度. 试验结果显                            界的黏性物质和球形气泡，说明液态水存在沉积和再
            示，这种方法制备出来的Ic相冰可以在低于170 K温度                        冻结现象. 低温-低速条件下的摩擦系数较高，摩擦表
            的常压环境下存在. Ic相冰结构纯度的研究，能提高对                         面特征为表面擦伤和堆积在磨损表面的固体碎片，这
            天然冰存在形式的理解. 在室温状态下，还存在一种                           表明滑动界面处冰发生脆性破坏. 精密检测仪器的迭
            具有对称性的相，即“方冰”. 这是曼彻斯特大学                            代发展和运用，让冰摩擦机理中的细微变化呈现得更
                                              [22]
            Algara-Siller和中国科学技术大学Wu等 联合发现的                    直观.
            冰晶存在形式，水在二维疏水石墨烯片层之间形成了                                冰刀滑过冰面时，两个固体间的摩擦会产生1层
            正方形的冰晶，这种冰晶堆积密度比较高，可以形成                            薄薄的融水膜. 这层融水膜的厚度和性质影响着摩擦
            双层和三层微晶，与传统的水分子间的氢键结构相                             力的大小. 并非融水膜的厚度越大摩擦系数越小，而
            比，其拥有很好的对称性. 通过分子动力学模拟发现，                          是在一定厚度范围内可以减小摩擦系数. 在特定的温

            在室温下，纳米通道内方冰的形成不受疏水影响.                             度下，由于液体存在自身黏性阻力，当融水膜的厚度

                                                                                        [26]
                                                               过大时，摩擦系数反而会增大 . 运动过程中，融水膜
            3    冰和雪摩擦的机理研究现状
                                                               产生后，摩擦系数可能会随着滑动速度的变化而变化.
                多年以来，冰雪摩擦一直是科学研究的主题. 前                         钢-冰接触区域的不均匀性，会导致非均匀加热区的
                                                                                               [27]
            文提及科学家对冰为什么那么滑存在争论，对于是                             存在，使得冰的接触区发生局部融化 . 当滑动速度
            “压力融解说”或者“摩擦融解说”，还是“表面融化                           增加时，摩擦力呈下降趋势，但下降程度会比预期更
            说”，他们各有说辞. 归结到底，在微观层面对冰和雪                          慢. 研究表明接触面的融水膜厚度和滑动速度都会影
            摩擦机理的理解大部分研究者都支持融水产生的液                             响摩擦力的大小.
            态薄层形成润滑层来减小摩擦的理论. 虽然微观层面                               滑雪板与雪面滑动摩擦的瞬间会产生冲击的效
            的冰和雪之间存在很大的差别，但纳观层面的雪与冰                            果，冲击过程中雪的变形存在四种类型：结合键的脆
            都是由冰晶构成，因此雪和冰的研究在纳观层面上可                            性断裂、接触点位置冰的塑性变形、雪基体的弹性变
                                                                               [28]
            以看作是对冰晶的研究.                                        形和延迟弹性变形 . 可以通过一种由流变体元件支

            3.1    微观摩擦机理                                      撑的冰球力学模型来模拟这种接触变形，并预测描绘
                摩擦根据液体层厚度的大小可分为干摩擦、边界                          出雪板与雪之间接触点的数量与面积. 接触的雪粒在
                                           [23]
            摩擦、混合摩擦和流体摩擦等类别 . 不是所有摩擦                           持续滑动过程中温度升高，产生融水层，从而支撑起
                                                                                           [29]
            状态分类都存在于冰摩擦中，由于冰的表面存在1层                            滑雪板，减小相互之间的摩擦力 . 这个特性对于车
            薄薄的液体润滑层，因此不存在干摩擦状态，雪是由                            辆在雪地上安全行驶有着重要作用，橡胶在雪面上摩
            许多半透明冰晶组成. 滑雪板在雪上滑过产生的摩擦                           擦显示出的特点与滑雪板和雪之间的摩擦有着相似
            称为滑动摩擦，这种摩擦比冰摩擦更为复杂. 滑雪板                           之处 . 橡胶是1个弹性体，如图4所示，能根据凹凸不
                                                                   [30]
            与雪表面滑动的接触面积大于冰刀在冰面上滑动的                             平的表面进行形变. 由于迟滞性的存在，变形后的橡
            接触面积，因此雪的摩擦系数会更大. 在激烈竞争的                           胶不会立即恢复，会产生一个反向作用力抵抗滑移，
            冬奥会赛场上，影响摩擦力的因素有很多，如速度、压                           这种发生在微观层面的机制称为压痕，如图4(a)所示.
            力、粗糙度、接触面积和温度等，都能直接影响选手的                           橡胶和界面上会发生范德华键的产生、拉伸和断裂，
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