Page 82 - 《摩擦学学报》2021年第6期
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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                                      867

            动压效应和水合效应. 在流体动压效应介入的情况                            事实上，剪切应力可同时影响聚合物刷的水合效应和
            下，需要深入开展聚合物刷的成膜能力是否发生变                             流体动压润滑性能，因此对于聚合物刷的摩擦学性能
            化，水合效应与流体动压效应共同作用下的聚合物刷                            有重要的影响，例如，在高剪切下聚合物刷可能会发
            水润滑机理是什么等的相关研究.                                    生玻璃态的相变，从而引起摩擦系数的骤增                  [32-33] . 通过

            2.5    流体动压效应介入下聚合物刷的水润滑机理                         设置不同滑滚比SRR来改变剪切应力，研究不同的剪
                传统的弹流理论研究对象是黏压-弹性的接触                           切应力下聚合物刷的摩擦学行为，特别是聚合物刷相
            区，润滑剂通常是具有黏压特性的油基润滑剂，膜厚                            变发生时的水合效应和流体动压效应是否会失效，这
            符合弹性流体润滑(EHL)理论的预测值；当水基溶液                          些问题有必要进行深入探讨.

            为润滑剂时，由于水的黏度和黏压系数很小，接触区
                                                               3    结论
            的润滑状态较为复杂，不能简单地描述为“EHL”，此时
            视为等黏-弹性润滑(i-EHL)         [33]  ，显然Hamrock-Dowson       a. 摩擦磨损的测量结果显示：“graft from”型的聚
            膜厚公式已经失效，需考虑利用Hook定律公式预测水                          合物刷PSPMA能在一定程度上减小摩擦力和降低磨
            膜厚度    [34] ，如公式(1)所示.                             损，但效果比“graft to”型的聚合物刷PLL-L-PEG差，

                                      0.6
                                  (Uη) R ’ 0.67                这是由于制备方法的不同引起了抗磨机理的不同，当
                           h = 4.18                     (1)
                                   W 0.13 E ’ 0.47             剪切应力很大时，PSPMA遭受部分损坏导致水合作用
            其中：U为卷吸速度(32~512 mm/s)，η为润滑剂黏度                     减弱，而PLL-L-PEG因存在1个吸附-解附-再吸附的动
            (1.07 mPa·s)， R 为钢球半径(12.7 mm)，W为负载(4 N)，          态平衡过程而获得了较低的摩擦系数.
                         ’
            E 是由公式(2)得出的当量弹性模量                                     b. 利用红绿双色激光干涉法原位观测了在低卷
              ’
                           2   1−v 1 2  1−v 2 2                吸速度下(4 mm/s)由聚合物刷促成的润滑薄膜形状随
                             =       +                  (2)
                           E ’   E 1    E 2                    时间的变化(0~240 s)，发现在180 s之后滚道两侧的润
            其中： 和                                 E 1  E 2 为   滑薄膜沿着卷吸速度方向分布，推测受限空间内聚合
                  v 1 v 2 为钢球和玻璃盘各自的泊松比， 和
            其各自的弹性模量.                                          物链捕获的自由水分子的取向性发生变化，即由开始
                图7的光干涉图像表明接触区形成的水膜不再是                          的各向同性逐渐变得沿着卷吸速度方向有序，证实了
            简单的牛顿流体膜，而是形成了复杂的多层膜. 根据                           接触区内形成的稳定的润滑薄膜是由聚合物刷的水
            公式(1)计算卷吸速度大于32 mm/s时膜厚值为2.6~12 nm，                合效应促成的.
            图7和图8显示水合效应引起的膜厚值约为35 nm，而                             c. 测量了控制卷吸速度连续变化(1~512 mm/s)的
            膜厚的光干涉测量值为54~182 nm，即高于理论预测                        条件下实现了从薄膜润滑到接近弹性流体润滑状态
            值和水合效应作用引起的膜厚值之和，这主要是因为                            的转变，接触区内水膜的中心膜厚测量结果表明：卷
            接触区内由聚合物刷形成的复杂多层膜的存在令等                             吸速度低于16 mm/s时，平均中心膜厚与速度无关，膜
            效黏度要远大于表观黏度. 上述分析表明在流体动压                           厚的轮廓曲线表明此时处于薄膜润滑状态，流体润滑
            效应的介入下，聚合物刷表现出了令人惊喜的润滑增                            动压作用可忽略不计，其优异的润滑性能归因于在摩
            强作用, 而不是水合效应和流体动压效应简单的线性                           擦界面上PSPMA形成的1层稳定的水化层(约为30~40 nm)，
            叠加，展现出的优异的润滑性能归结于二者的协同                             故而聚合物刷的水合效应对接触区内有效水膜的建
            作用.                                                立占绝对主导作用；速度增至32 mm/s后，膜厚与速度
                综上所述，聚合物刷的水合效应对于接触区的成                          几乎呈现线性增长，且膜厚测量值要远高于Hook公式
            膜始终有着至关重要的作用：在因无法产生流体动压                            的预测值，这意味着在流体动压润滑作用介入下聚合
            效应而无法建立有效水膜时，通过形成水化层来实现                            物刷表现出了令人惊喜的润滑增强作用，而非水合效
            良好的润滑性能；而在有流体动压效应介入下，它的                            应和流体动压效应的简单叠加.
            作用非但未受到流体动压效应的抑制，反而是二者相                            参 考 文 献
            互促进而起到了润滑增强效应，这对于拓宽水基润滑
                                                               [  1  ]  Klein  J,  Kumacheva  E.  Confinement-induced  phase  transitions  in
            的应用有着较为重要的意义.
                                                                   simple liquids[J]. Science, 1995, 269(5225): 816–819. doi: 10.1126/
                需要指出的是，本试验是在滑滚比为零，即纯滚                              science.269.5225.816.
            条件下开展的，并未考虑聚合物刷承受的剪切应力.                            [  2  ]  Briscoe  W  H.  Aqueous  boundary  lubrication:  Molecular
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