Page 5 - 《摩擦学学报》2021年第5期
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594                                     摩   擦   学   学   报                                 第 41 卷

                 essential material in ski sport, was introduced in detailed. The function and classification of snow wax, the hazard of
                 fluorinated wax to human and environment, the usage and waxing process of snow wax were discussed. And some ice
                 &snow friction test equipment, including the online measure device in outdoor ski field and snow & ice friction tester in
                 laboratory were introduced. Finally, some suggestions and prospects were put forward for the basic & applied research
                 on the ice & snow friction and the development and application of snow wax materials.
                 Key words: ice and snow surface; quasi-liquid water layer; winter sports; snow wax; hydrophobic; friction coefficient

                2022年北京-张家口冬季奥运会、冬季残奥会开                        三种，即压熔效应、摩擦生热和预熔化. 早在1850
            幕在即，各类运动员加紧训练备战. 在雪上竞速项目                           年，James Thomson首先提出受压融化理论，即在滑冰
            中，制约运动员取得优异比赛成绩的因素除了运动员                            或者滑雪时遇到的低摩擦是由于压力融化产生水膜，
            自身体能素质与竞技技巧外，运动中的行进阻力是影                            从而起到了润滑的作用 . James Thomson计算得出，
                                                                                    [8]
            响运动员成绩的最主要因素. 滑行时的阻力主要来源                           施加46.6 MPa的压力可以把冰的熔点降至−3.5 ℃.
            于空气阻力(70%~80%)和雪板与雪地之间的摩擦阻                         但是，他的计算无法解释在低于−3.5 ℃环境下运动员
                               [1]
            力(20%~30%)两方面 . 空气阻力可以通过穿着竞速                       依旧能够滑行自如. 滑雪者对雪的压力不足以使雪在
            服装和佩戴空气动力学头盔，以及通过空气动力学优                                                                        [9]
                                                               低温下融化，压力熔化也只在熔点附近起作用 .
            化后的身体姿态使其最小化             [2-3] . 减小雪板与雪面之间
                                                               1939年，Bowden和 Hughe进行了一系列研究得出摩擦
            的摩擦阻力则主要通过滑雪板基材机械处理和对滑                             生热是冰表面水润滑层形成的原因 ，即两个物体相
                                                                                             [10]
                                 [4]
            雪板进行打蜡处理实现 . 在雪板上涂上1层薄薄的雪
                                                               对滑动摩擦过程中发生能量的耗散，机械能转化为热
            蜡可以减少雪板与雪面之间的摩擦，也可以保护雪板
                                                               能，使冰融化，形成水润滑层，减小了物体在冰表面上
                              [5]
            表面免受磨损和氧化 .
                                                               的摩擦系数. 滑雪板板底与雪面接触初期，摩擦生成
                对于顶尖比赛而言，尽可能低的摩擦阻力是提升
                                                               的热量不足以使雪融化，在滑动过程中，摩擦产生的
                                              [6]
            运动员成绩的重要手段. BreitschŠdel等 的研究表明，
                                                               热量足以融化雪，水膜层逐渐变厚，这个过程会引起
            滑雪板与雪面之间的摩擦系数每减少0.001，相当于节
                                                               水润滑，这是现在普遍认为的滑雪板在雪面上的主要
            约大约1 s/km的运行时间. 影响滑雪板与雪面之间摩
                                                                       [10]
                                                               摩擦状态 ，多数冰雪摩擦影响因素的研究都是基于
            擦系数的因素众多，包括滑雪板的参数(滑雪板材料、
                                                               摩擦生热理论. 尽管摩擦生热理论能够解释相对较高
            雪蜡、滑雪板粗糙度、滑雪板长度以及滑雪板的振
                                                               温度下和运动过程中冰雪表面为何是滑的，但无法解
            动)、雪面的性质(雪面温度、硬度、含水量和晶型等)、
                                                               释冰雪表面的静摩擦系数为何也同样很低.
            运动时的天气情况(湿度、温度和风速等)、滑行速度和
                                                                   早在1842年，Faraday在观察到冰的“复冰”现象
                       [7]
            接触面积等 . 本文作者从雪上摩擦学的水润滑机理
                                                               后，首次提出了预融化层的存在. 即在给定压力下，冰
            开始，简要介绍了冰雪表面摩擦学，讨论了影响雪上
            摩擦的影响因素，然后介绍了滑雪板减阻蜡作用、种                            层表面在低于熔点的环境下存在1层薄薄的液态水膜.
                                                               而将两冰块相接时，液态层在两块冰之间发生冻结，
            类及其国内外研究人员关于滑雪板减阻蜡最新研究
            进展. 最后，对我国雪上摩擦学特别是涉及冰雪运动                           出现“复冰现象”. 1949年，Gurney提出冰表面水分子
            相关的冰雪摩擦学及滑雪板减阻蜡等相关方面研究                             因低配位而不稳定，表面的水分子会向固体内部迁移
            工作提出了一些思考和建议.                                      直至表面趋于稳定，这使表面水分子的排列趋于无

                                                               序，促使表面液相形成，预熔化现象的存在使得能观
            1    雪上摩擦学                                                                     [11]
                                                               察到准液态层(quasi-liquid layer) . 自20世纪60年代

            1.1    冰雪表面为什么那么滑                                  以来，科学家在各种条件下应用多种试验方法研究并
                                                                                                 [9]
                冰雪表面的滑动摩擦系数仅有0.01~0.05，不到常                     证明了冰表面的预融现象：Kvlividze等 应用NMR测
            见固体表面滑动摩擦系数的1/10. 冰雪表面为何有如                         量发现在低于冰熔点的温度出现了1个窄吸收线，并
            此小的摩擦系数已有百余年的争议. 近现代对冰雪表                           非类似于周期性固体的宽吸收线，−20~0 ℃时冰表面
            面摩擦学的研究认为，在冰雪表面存在1层水膜或准                            分子的转动频率比体相内大5个数量级，约是液态水
            液态水润滑层，避免与冰雪表面直接接触，从而减小                            分子的1/25，自扩散系数比体相内大2个数量级；Furukawa
                                                                 [12]
            了冰雪表面的摩擦系数. 这一水润滑层的形成机制有                           等 利用XRD分析表明，冰表面的分子间距离<液态
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