Page 8 - 《摩擦学学报》2021年第6期
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第 6 期                          廖章文, 等: 冰雪滑动摩擦研究现状及发展趋势                                       793

                             (a)   Direction of tracel                   (b)    Direction of tracel
                    Force from
                    indentation




                             (c)    Direction of tracel                  (d)    Direction of tracel

                    Sub-blcok
                           Sipe
                  Ploughing force
                    “Surface”
                   friction force

                                                       [30]
               Fig. 4  Friction mechanism diagram of rubber on snow  : (a) indentation, which shows the effect of reaction force on sliding;
                   (b) intermolecular adhesion, showing the generation, stretching and breaking of van der Waals bonds; (c) ploughing,
                      showing ploughing power and "surface" friction force; (d) a melted water layer is formed, and the thickness
                                     increases with the contact time between snow particles and rubber
              图 4    橡胶在雪地上的摩擦机理图 ：(a)压痕，表示反作用力对滑动的作用；(b)分子间黏附，表现范德华键的产生、拉伸和
                                         [30]
                     断裂；(c)犁耕，表现犁耕力和“表面”摩擦力；(d)形成融水层，厚度随雪粒与橡胶接触时间的增加而增加

            分别与图4(b)的三种形式对应，这种称为分子间粘附                          采用红外热像图、协调SEM图像和热模型的方法进行
                                                                   [35]
            作用. 当橡胶压过雪地时，犁耕的方式会带走一部分                           测试 ，观察到冰晶的磨损和烧结颗粒填充现象，当
            雪，特别是接触的位置，如图4(c)所示. 摩擦产生的融                        接近相变的临界温度时，这两种现象都会加速发生.
            水，可以显著减少橡胶在雪地上的摩擦力，如图4(d)                          通过建立模型与滑雪板底部放置热电偶的方式证实，
            所示.                                                接触的雪粒温度无法达到0 ℃. 这说明滑块和雪粒接
                从粗糙度的微观层面对钢/冰界面摩擦区影响研                          触时，雪粒充当了干粉润滑剂的作用，可以解释没有
            究的文献较少，特别是与冰接触固体表面粗糙度和润                            自润滑的情况下，雪为什么能那么滑.

                                              [32]
                                   [31]
            湿性之间的依赖关系研究 . Kietzig等 在较大的温                       3.2    纳观摩擦机理
            度和速度范围内研究钢表面粗糙度对冰摩擦的影响，                                目前的研究报道倾向于关注微观层面的摩擦过
            发现在混合和流体摩擦状态的表面之间的毛细管桥                             程，对于更细的纳观层面缺乏深入的研究. 水、冰和雪
            对摩擦力起到重要作用，能降低滑动材料的摩擦，并                            有着相同的分子结构(O-H-O)，雪可以看作是复杂的
            证实了抛光过程中的划痕和凹槽方向对摩擦区的影                             冰，在纳观层面对摩擦的研究可以统一当作冰晶来
            响. 当方向一致时，有显著的降低摩擦效果；当方向随                          研究.
            机出现不一致时，反而会产生增大摩擦的效果. 在低                               主流的冰雪摩擦理论认为引起低摩擦的原因是，
            速滑动时，这种效果更加明显.                                     接触面摩擦加热，进而产生融水层，达到润滑界面的
                                                                   [33]
                滑雪板同样存在这样的问题，当急转弯时，滑雪                          作用 . 融水层通常也被称为“准液体”或“类液体”
            板的钢刃与雪接触，此时钢刃的粗糙程度对摩擦产生                            层，表现出与正常液体不一样的性质特征. Döppenschmidt
                                                                 [36]
                         [33]
            影响. Rohm等 通过试验发现，钢刃表面越光滑，产                         等 使用原子力显微镜系统测量了液体层与温度的
            生的摩擦就越大，在水相变的临界温度附近摩擦的增                            关系. 由蒸馏水形成的冰的温度依赖性表明，长程指
            大表现得更为明显.                                          数衰减相互作用是形成准液体层的原因. 同时发现盐
                冰刀与冰面摩擦表面之间存在融水膜是普遍认                           会破坏冰中水分子的结构，降低冰点，形成薄薄的盐
            识，这种减摩机制也存在于滑雪板与雪面的摩擦解释                            溶液，表明相同条件下盐的加入会增加准液体层厚度.
            中，但滑雪板与雪面的减摩机制还存在另一种没有融                            由于水黏性的存在，滑动界面的亲疏水性能也是影响
                                                                                           [37]
                                            [34]
            水膜润滑的情况. 国外研究者Lever等 尝试验证摩擦                        摩擦的重要因素. Ortiz-Young等 从纳米层面建立模
            的接触面是否真的有融水膜产生，他们使用高分辨率                            型，研究准液体层黏性剪切力的作用，发现当表面疏
            红外热像仪观察聚乙烯块静止状态下雪温升的情况，                            水性增强时，黏性剪切力会大大降低，同时界面的滑
            发现虽然摩擦力很低，但接触雪颗粒位置并没有产生                            移速度随之加快. 纳米尺度下准液体层厚度取决于温
            融水膜. 为了进一步证明雪不是自润滑而是干摩擦，                           度，其表现出的黏性特征与初始状态的水相比更为复
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