論文名稱：液體超滑的探索及其機(jī)理研究

論文作者：清華大學(xué)/李津津

指導(dǎo)教師：雒建斌《研究領(lǐng)域：納米摩擦學(xué)、納米制造和液體超滑。》

超滑概念自從提出以來就一直吸引著各個(gè)領(lǐng)域的研究者的廣泛關(guān)注。對(duì)超滑規(guī)律和機(jī)理的研究，不僅對(duì)探索摩擦和潤滑的本質(zhì)具有重要的意義，而且在傳統(tǒng)機(jī)械潤滑系統(tǒng)和納米機(jī)械系統(tǒng)方面具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。本論文以液體超滑為主題，從實(shí)驗(yàn)上探索了新型的液體超滑材料并分析了液體超滑的規(guī)律和機(jī)理。

首先，利用摩擦自鎖的原理設(shè)計(jì)了一個(gè)新型的測(cè)量摩擦系數(shù)的裝置，發(fā)現(xiàn)了莼菜粘液的超滑特性。結(jié)果表明莼菜粘液與玻璃表面之間的摩擦系數(shù)為0.005。通過進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)超滑與粘液的分子結(jié)構(gòu)和粘液中的水分子密切相關(guān)。微觀結(jié)構(gòu)分析表明粘液是一種含有很多納米薄片結(jié)構(gòu)的多糖凝膠。其超滑的機(jī)理歸因于在這些聚合物薄片之間形成了流動(dòng)性很好的水合層。

其次，發(fā)現(xiàn)了磷酸溶液的超滑特性，它能夠?qū)崿F(xiàn)0.004的超低摩擦系數(shù)。分析了超滑的磨合過程和磨合機(jī)理，并將超滑的磨合過程劃分為2個(gè)階段。對(duì)第一階段而言，它是磷酸實(shí)現(xiàn)超滑的必要條件，其磨合機(jī)理與溶液中的氫離子密切相關(guān)。提出了氫離子潤滑模型，即磨合過程中的氫離子與摩擦副表面發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)使表面帶正電荷是摩擦系數(shù)減小的主要原因。對(duì)第二階段而言，它不是磷酸實(shí)現(xiàn)超滑的必要條件，其磨合過程主要與自由水的揮發(fā)有關(guān)。通過對(duì)磷酸超滑過程中的接觸區(qū)形態(tài)的分析和摩擦副表面的分析，提出了一種3層結(jié)構(gòu)的超滑模型，即stern層、具有氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的磷酸吸附膜和自由水分子層。

最后，根據(jù)磷酸超滑的機(jī)理，將磷酸超滑體系進(jìn)行了推廣，發(fā)現(xiàn)了基于甘油與酸混合溶液的超滑特性。研究表明，超滑與甘油溶液的濃度和酸溶液的pH密切相關(guān)，只有當(dāng)甘油溶液的濃度≤40%且酸溶液的pH≤1時(shí)，超滑才可以實(shí)現(xiàn)。最后將甘油進(jìn)一步推廣到其他多羥基醇，建立了基于多羥基醇與酸混合溶液的超滑體系，其能夠?qū)崿F(xiàn)超滑的條件是：多羥基醇分子上羥基個(gè)數(shù)大于等于2個(gè)，能和水分子形成氫鍵網(wǎng)絡(luò)。而分子鏈上碳原子個(gè)數(shù)（<10）以及羥基在碳鏈上的位置與超滑無關(guān)。