Page 9 - 《摩擦学学报》2021年第5期

598 摩 擦 学 学 报 第 41 卷

板基材的必要标准；越野滑雪中滑雪板的弓形结构引 (a)
Ski Ski
起的振动对滑行性能也有一定影响. 结合上述滑雪板
θ θ
基参数对摩擦系数的影响，具有高耐磨性、良好疏水
[27]
性和高弹性 ，并且易于制造的超高分子量聚乙烯 Snow/ice Snow/ice
grain Water film grain
(UHMWPE)是绝佳的滑雪板基底材料 . 此外，滑雪板
[28]
的长度也影响滑行时总摩擦力和水膜厚度，Schindelwig (b) 0.10
[29]
等 研究了滑雪板不同位置的温度变化，发现在滑雪 0.08
板末端44 cm处记录到最大的4 ℃温差，该处滑雪板底 0.06 3 ℃
融水较多，导致滑雪板下方的摩擦系数较低，而在滑 Friction coefficient 0.04
[10]
雪板前端几乎没有发现温差；Bowden和Hughes 研究 0.02 −2 ℃
滑雪板导热性的影响，发现在低温下像黄铜这样的良
0
好导热体比低导热性能的材料具有更大的摩擦系数， 0 10 20 30 40
Roughness/μm
并建议使用低导热金属作为滑雪板边缘. 滑雪板颜色
对摩擦系数也有一定的影响，现在大多数滑雪板都添 Fig. 4 (a) Sketch of a snow/ice grain in contact with the ski
base with a water film(left: hydrophilic surface with θ<90° ,
加了炭黑添加剂，黑色更易吸收热量来增加表面温
[33]
right: hydrophobic surface with θ>90°) ; (b) Friction
[30]
度，从而对摩擦系数产生影响 . 除上述滑雪板基底 coefficient vs roughness [32]
材料的选择外，滑雪板基底表面结构、粗糙度也会影 图 4 (a)雪/冰粒与滑雪板基接触形成水膜的粗略图(左：
[33]
响摩擦系数. 滑雪板基底表面结构和粗糙度决定了其 θ<90°的亲水表面，右：θ>90°的疏水表面) ；(b)摩擦
系数与粗糙度关系图 [32]
与雪面实际的接触面积. 滑雪板基底的表面结构是根
据雪的形状、温度和湿度来选择的. 湿雪条件下，滑雪 温度，即在流体动力学摩擦模式下，摩擦系数与载荷
板基底表面结构应有利于将水排出以减小毛细吸力， 没有明显的相关性 ，如图5(b)所示. 施加载荷对降低
[22]
因此需要1个粗糙的表面；干雪条件下，滑雪板基底表
摩擦系数有两种效应，一方面增加载荷在摩擦过程中
面结构应有利于形成润滑的水膜，从而需要有1个精
会产生更多的摩擦热；另一方面，载荷增加，接触表面
[31]
[32]
细的表面 . Shimbo等 研究了滑雪板表面粗糙度对
上过多的水层被挤出，接触表面之间液桥的阻碍作用
摩擦系数的影响，发现在3 ℃的环境温度下，粗糙表面
[22]
减弱 . 温度临近熔点时，存在足够厚的润滑层，并且
的摩擦系数较小，而在−2 ℃时，摩擦系数随着粗糙度
冰雪表面部分熔化使实际接触表面接近100%，多余
的增加而略有增加，如图4(b)所示.
润滑层无法被挤出，因此，载荷与摩擦系数变化的相
速度对摩擦系数也有一定的影响，在图5(a)中，
[36]
关性减弱 .
Maeno总结了在−10~−20 ℃下冰-冰对摩时摩擦系数
1.4 滑雪板表面的处理方法
随滑动速度的变化，总体呈现随着滑动速度的增加先
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是目前最常用的
[34]
下降，达到最低点后再上升的变化趋势 . 减小是由
滑雪板材料. UHMWPE是一种半晶体聚合物，具有较
于水膜的出现和变厚；增大的原因是水膜过厚引起的
6
6
长的聚合物链，典型的分子量在3×10 ~12×10 g/mol，
[35]
毛细吸力机制，导致水膜黏性阻力增大. Hasler等 对
[37]
UHMWPE具有独特的摩擦学特性 . 可以通过使用
滑雪板与雪之间摩擦进行了测量，其研究结果表明：
添加剂和额外的结构来进一步订制，以满足特定的要
当滑动速度较高时(速度8和10 m/s)摩擦系数先增大到
某一最大值然后减小. Hasler等用摩擦生热机制解释 求. 滑雪板表面的处理方法可以分为两种：一种是对
了这一现象：速度越快，摩擦产生的热量越高，使得融 滑雪板表面的结构进行处理. 包括石磨和钢刮，石磨
水层厚度上升，摩擦系数逐渐下降；当滑动速度继续 是公认的滑雪板处理方法(滑雪板工厂通常将此方法
[38]
上升时，实际接触面积的变化及摩擦副之间形成液桥 应用于新生产的滑雪板) . 钢刮法是一种比较新颖的
[39]
阻碍相对运动，使摩擦系数又会随着速度的增加而上 处理手段，目前也有不少有关该方法的研究 . 通过
升. 这些发现通过使用不同的试验装置和材料在冰雪 上述方法处理，滑雪板表面可具有微观的纳米结构，
[20]
表面上的滑行测试得到了证实 . 滑雪板的粗糙度也会发生改变，如图6(a~c)所示，滑雪
[40]
在较低的温度下，施加更大的载荷会产生更多的 板表面因此也会具有不同程度的疏水性 . 另一种方
摩擦热，摩擦系数随载荷增加而降低；在临近熔点的 法则是在滑雪板底部打上1层薄薄的雪蜡. 雪蜡是由