Page 80 - 《摩擦学学报》2021年第6期

第 6 期 李金鹏, 等: 聚合物刷水润滑条件下水膜厚度和摩擦学行为的相关性研究 865

附近区域，随后控制玻璃盘和钢球继续运动，便可分 等 效 黏 度 (effective viscosity)远 高 于 表 观 黏 度 (bulk
别获取运在0, 30, 60,…240 s时刻的图像，其CCD抓拍 viscosity) [28-29] ，推测可能是R2区域内的有序水膜在垂
示意图和光学图像如图7(a)和7(c)所示. 发现接枝聚合 直于卷吸速度方向上将这层流体膜进行约束，将之牢
物刷的玻璃盘表面的图像随着时间发生了明显的变 牢束缚在接触区内使之不容易被挤出，这令润滑剂的
*
化，具体表现为光干涉试验前整个视场内水膜杂乱分 等效黏度ƞ 呈现几个数量级上的剧增，由此获得了较
布，呈现各向同性，历经240 s后水膜呈现出层次丰富 高的膜厚和优异的润滑性能.
的结构，将其大致分为3个明显不同的区域，分别命名 上述卷吸速度4 mm/s时随时间变化的聚合物刷
为R1、R2和R3，如图7(b)所示. R1为球-盘赫兹接触区 成膜试验中可忽略流体动压效应的影响，若增大卷吸
域，也称之为滚道，根据CCD的帧数测量其宽度约为 速度U ，流体动压作用会随着速度的增加而表现得越
e
163 μm (两条紫色点划线之间的距离)，同时计算出该 来越强烈，为此又研究了聚合物刷接触面间的膜厚随
工况下的赫兹接触直径2a约为170 μm[图7(a)箭头所 卷吸速度的变化规律，其膜厚随速度变化和中心膜厚
示]，两者数值上接近，从图像上观察到整个区域均匀 轮廓曲线如图8所示. 试验过程中，载荷4 N保持不变，
且平整，没有观察到玻璃盘出现划痕，表明接触区已 选取10个优化卷吸速度，控制每个速度下玻璃盘和钢
经建立起有效水膜；紧邻滚道两侧的R2区域内水膜看 球维持3 s的纯滚运动，随即依照1、2、4、8、16、32、64、
上去基本沿着卷吸速度方向分布，呈现出较好的有序 128、256和448 mm/s的顺序依次实现速度递增，整个
性，这层有序的水膜对于接触区内有效水膜的建立起 试验过程中不停歇，且每设置间隔1 s利用 CCD抓拍
到了关键性作用，推测是将水膜约束在接触区内而不 干涉图像，每个速度下采集3张，基于干涉图中光强的
容易被挤出；距离滚道较远的最外侧区域R3内的水膜 变化计算中心膜厚h ，重复3次，取其平均值.
c
又重新变得杂乱无章，与静态状态下大致相同. 图8(a)所示的平均中心膜厚曲线表明接触区内润
上述的光干涉试验证实了水润滑环境下聚合物 滑膜的膜厚强烈依赖于球-盘间的相对运动速度，且
刷PSPMA具有优异的成膜能力，且接触区内有效水膜 呈现出2种不同的成膜机制：在低卷吸速度下(低于
的建立与流体动压效应无关，原因在于卷吸速度为 16 mm/s)膜厚维持在35 nm左右，与速度关系无必然

4 mm/s时, 润滑剂水的黏度和黏压系数很小，仅在流 联系；随着卷吸速度的继续增加，特别是当大于32 mm/s
体动压作用下难以获得高达25 nm的膜厚，其优异的 时发现膜厚突然增加，在对数坐标下膜厚与速度呈现
润滑性能应归功于聚合物刷的水合效应，即聚合物链 线性增长，且在速度为128 mm/s水膜厚度高达100 nm.
结合周围的水分子在接触区内形成了1层稳定的水化 图8(b)和(c)为接触区内沿X和Y方向的膜厚轮廓曲线，
层，它具有比体相水更复杂的物化特性，具体表现在 发现中心膜厚的形状发生了变化，即在低卷吸速度下

(a) (b) R1-raceway R2 R3
Inlet Outlet
Contact
Inlet Outlet
zone
Raceway 163 μm
2a

240 s
(c)

100 μm
0 s 30 s 60 s 90 s 120 s 150 s 180 s 210 s 240 s
Time/s

Fig. 7 Captured interferometric images of glass plate surface around raceway grafted by PSPMA: (a) Schematic diagram of image
method; (b) Image of the area around the raceway at 240 s; (c) A series of images of the area around the raceway every 30 s
图 7 接枝聚合物刷PSPMA的玻璃盘上滚道周围区域的光学图像：(a)图像抓拍方式示意图；(b) 240 s时刻的滚道周围区域的
图像；(c) 每间隔30 s滚道周围区域的一系列图像