Page 79 - 《摩擦学学报》2021年第6期

864 摩 擦 学 学 报 第 41 卷

2.4 纯滚动条件下聚合物刷PSPMA的成膜性能 所示的光干涉图像中，接枝聚合物刷的接触区周围很
试验过程中，在油托中注入10 mL的去离子水作 容易观察到了1层边界清晰的水膜，试验过程中未发
为润滑剂，用砝码对钢球施加4 N载荷，对应的赫兹接 现玻璃盘刮伤，这是由于接枝的干态聚合物刷的侧链
触应力约为274 MPa. 令钢球和玻璃盘均以相同方向 不断捕获周围大量的自由水分子，并将其牢牢锁存
和大小(4 mm/s)的速度运行240 s，此时卷吸速度U 为 (lock)至接触区内，从而形成1层稳定的薄膜. 基于光
e
零，也称之为纯滚动(滑滚比SRR=0)，可视为接枝在摩 干涉图像记录的光强变化，利用双色光干涉强度调制
擦副表面的聚合物刷PSPMA不承受剪切应力；钢球的 技术计算出水膜厚度，如图6(b)所示，水膜厚度在25~
转动将润滑剂不断带入到接触区，接枝在摩擦副表面 40 nm范围内波动，最后稳定在28 nm左右，远远高于
的干态聚合物刷将不断结合周围的水分子形成水化 弹流润滑的膜厚公式Hamrock-Dowson的预测值(1 nm
层，利用CCD每间隔30 s采集1次接触区的干涉图像来 以下). 有趣的是，还观察到随着时间的推移水膜的形
记录其逐渐溶胀的过程，将其实现可视化. 由于润滑 状也发生了改变，例如，前90 s内的干涉图像显示水膜
剂水的黏度和黏压系数很小，抗压能力几乎为零，因 呈现比较规则的圆形，而在180 s之后水膜逐渐沿着卷
而很容易被挤出接触区，且卷吸速度非常低(4 mm/s), 吸速度方向(从inlet到outlet)分布，推测受限空间内聚
由经典的弹流润滑理论可知在未接枝聚合物刷的接 合物链捕获的水分子的取向性(orientation)发生变化，
触区内难以形成流体动压膜，试验也证实了这一观 即由初始的各向同性(isotropic)逐渐变得沿着卷吸速
点，即按上述方法操作时发现玻璃盘的镀膜已被严重 度方向有序(ordered). 那么，水膜形状的改变是否与这
刮伤，已不能获取有效数据，详见参考文献[25]. 在图6(a) 层稳定水膜存在某种关联呢？

Inlet
Glass Disc
H 2 O
PSPMA brush
Steel ball
Outlet 0 s 30 s 60 s 90 s
100μm

120 s 150 s 180 s 210 s 240 s
(a) Chromatic interferograms recorded of lubrication thin film formed in contact induced by PSPMA brush
50

45
Film thickness, h c /nm 35
40

30
25

20
0 50 100 150 200 250
Time/s
(b) Lubrication film thickness curve vs time
Fig. 6 Interferograms recorded of lubrication thin film formed in contact induced by PSPMA brush and
its film thickness within 240 s
图 6 240 s内聚合物刷PSPMA在接触区内形成的润滑水膜的光干涉图及其厚度随时间变化曲线

为此，又开展了如下所示的试验：令钢球和玻璃 间隔30 s令玻璃盘和钢球停止转动，利用加载杠杆将
盘均以相同方向和大小(4 mm/s)的速度运行，分别每 玻璃盘和球分离，用CCD拍摄球-盘接触滚道(raceway)