Page 6 - 《摩擦学学报》2021年第5期

第 5 期 郝晓晴, 等: 冰雪运动雪上摩擦学与雪蜡研究现状 595

[13]
水分子间距离<冰体内分子间距离；Materer等 利用 厚度增加得很快. 然而，预熔层厚度与温度之间的依
低能电子衍射(LEED)对Pt(111)晶面上生长约1 nm厚 赖关系并不明确，主要是不同的技术基于不同测量原
的超薄冰层的(0001)晶面进行测定并发现在冰表面有 理测量准液态层厚度，它们的灵敏性和温度依赖性并

1层完全的双层结构(见图1)，最外层的上半部存在强 不一致.

烈振动的水分子(冰面表面有悬浮的或“自由的”O- 1.2 雪上摩擦机制与雪上摩擦系数
H键)，试样表面均方根振动振幅为0.25~0.33 Å，体相 传统的摩擦机制包括干摩擦、边界摩擦、混合摩
[20]
内均方根振动振幅为0.10 Å，在−243 ℃(30 K)下对表 擦和流体动力学摩擦 . 干摩擦是两个固体表面在没
面冰结构的氦原子散射测试中证实了最外层的双层 有润滑层时直接接触发生的摩擦. 但对于冰雪表面摩
[14]
结构有振动较强的水分子 ；在−100~−2 ℃(173~271 K) 擦而言，即使在极低的温度条件下，冰雪表面依然存
的温度范围内用和频产生光谱(SFG)研究了冰表面分 在非常薄的准液态水层，可以起到润滑作用，因此，在

子的取向无序性，SFG的结果表明在约−73 ℃(200 K) 大气条件下冰雪表面并不存在真正的干摩擦. 根据冰
的温度下检测到表面存在大量取向无序的水分子，并 雪表面润滑层的厚度，将冰雪摩擦分为边界摩擦(润
[20]
且随着温度的上升表面水分子的无序性增强，冰的表 滑)、混合摩擦(润滑)和流体动力学摩擦(润滑) ，当冰
面由有序结构向无序结构转变，出现准液态层. 雪表面润滑层的厚度远低于表面粗糙度时，发生的摩
研究人员还通过其他表面科学技术来测量预融 擦为边界润滑，法向载荷主要由相互接触的凹凸表面
化层厚度(见表1)和其与温度的关系，并发现准液态层 承担；随着润滑层厚度进一步增加(滑行速度提高或接
厚度随着温度的升高会变厚. 试验研究证实在体相熔 触面温度升高)，但仍然低于表面粗糙度，摩擦机制由
点以下存在预融层，当温度接近体熔点时，准液态层 边界摩擦过渡为混合摩擦[见图2(a)]，此时施加的载荷

Ice lh (0001)

Full-bilayer termination Half-bilayer termination
No layer 1
Layer 1
Layer 2 Layer 2
2.74 Å
Layer 3
Layer 4

Fig. 1 Bilayer structure on the ice surface [11]
图 1 冰表面的双层结构 [11]

表 1 测量冰上预融化层厚度的表面科学技术 [11]
Table 1 Surface science techniques for measuring the thickness of the premelting layer on ice [11]

Surface technique Description Interface type Thickness at −1 ℃
[15]
Proton channelling Detect thermal vibrations of the oxygen atoms in the premelting layer Vapor/ice (basal) ~94 nm
Vapor/ice (basal) ~5 nm
[16]
Ellipsometry Measure the dielectric profile at surface
Vapor/ice (prism) <1.2 nm
Glancing-angle X-ray scattering [17] Detect the disruption of the hydrogenbonding network at surface Vapor/ice (basal) 30 nm
Measure jump-in distance induced by the capillary force Vapor/ice (prism) ~90 nm
[18]
Atomic force microscopy
from the premelting layer Vapor/ice (polycrystalline) ~20 nm
Measure the intensity of transition from the O1s core state
Near-edge X-ray absorption
to empty states which is affected by the bonding environment Vapor/ice (polycrystalline) ~2 nm
[19]
fine-structure spectra
of water molecules at surface