速滑冰刀減阻與高效驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究

豆照良,劉峰斌,汪家道

（1.北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京 100144；2.清華大學(xué) 機(jī)械工程系 摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

1 引言

近年來，冰上運(yùn)動(dòng)特別是奧運(yùn)會(huì)冰上項(xiàng)目在我國的發(fā)展可謂是厚積薄發(fā)、突飛猛進(jìn)。1980年我國首次參加冬奧會(huì)，2002年獲得首枚冬奧會(huì)金牌，2010年突破性地獲得了5枚冬奧會(huì)金牌且均為滑冰項(xiàng)目。2015年，我國成功獲得了2022年冬奧會(huì)的舉辦權(quán)。屆時(shí)，滑冰項(xiàng)目將設(shè)置速度滑冰、短道速滑和花樣滑冰等3個(gè)大項(xiàng)共計(jì)25個(gè)小項(xiàng)的比賽，是北京冬奧會(huì)賽事的主要組成部分。

隨著國際競技體育的飛速發(fā)展以及比賽對(duì)抗程度的不斷提高，世界各國用于競技體育領(lǐng)域的科研投入也在不斷加大。當(dāng)代競技體育條件下，參賽運(yùn)動(dòng)員的精神狀態(tài)和體能狀態(tài)幾乎都已經(jīng)達(dá)到了極限狀態(tài)，比賽的勝負(fù)往往在毫厘之間。僅僅依靠強(qiáng)健的肌肉和良好的競技狀態(tài)已經(jīng)很難獲勝，運(yùn)動(dòng)員越來越多地依靠現(xiàn)代科技取得更好的成績。現(xiàn)代競技體育在很大程度上是參賽國之間的科技較量，競技體育成為體現(xiàn)科技實(shí)力的一個(gè)新窗口［1］。現(xiàn)代科技已滲透到體育的各個(gè)領(lǐng)域，并與體育完美契合，形成了體育科技一體化的新局面［2］。競技性滑冰運(yùn)動(dòng)在我國的逐漸興起和不斷成功，也促成了我國科學(xué)界及體育界工作者在相關(guān)領(lǐng)域研究的不斷深入，并形成了諸多優(yōu)秀的科研成果［3-9］。關(guān)成雪［10］等對(duì)截至2009年我國冰上運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的理論研究成果進(jìn)行系統(tǒng)分析后指出，在對(duì)涉及速度滑冰、花樣滑冰、短道速滑、冰球和冰壺等5類項(xiàng)目的冰上運(yùn)動(dòng)研究中，速度滑冰占比超過60%，滑冰項(xiàng)目總占比接近90%。可以看出，近年來我國在冰上項(xiàng)目中的科研關(guān)注點(diǎn)和實(shí)際科研投入主要集中在滑冰項(xiàng)目，特別是速度滑冰。進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，對(duì)于速度滑冰項(xiàng)目的研究，主要涉及教學(xué)和運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練方面，其占比分別為45.03%和32.67%，而對(duì)于滑冰運(yùn)動(dòng)主要裝備——冰刀的研究占比不足3%。目前，國內(nèi)外對(duì)于冰刀的研究，主要集中在材料選擇、結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及熱處理工藝等方面，而對(duì)于冰刀材料表面改性的研究則相對(duì)較少，至于成功應(yīng)用的案例則更是鮮有報(bào)道。

事實(shí)上，冰刀作為滑冰運(yùn)動(dòng)的主要運(yùn)動(dòng)器械，其服役過程是涉及承壓、摩擦與磨損等多因素綜合的復(fù)雜過程，一旦其工作部位出現(xiàn)變形或磨損，或表面摩擦學(xué)特性不良等狀況，就會(huì)成為影響運(yùn)動(dòng)員發(fā)揮競技水平的瓶頸甚至對(duì)運(yùn)動(dòng)員自身造成損傷［11］。因此，提高冰刀的表面摩擦磨損特性，對(duì)于有效提高運(yùn)動(dòng)員的競技水平和比賽成績，乃至保護(hù)運(yùn)動(dòng)員安全，均有著重要價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

納米金屬陶瓷涂層，是基于真空物理氣相沉積原理形成的一種材料表面改性技術(shù)。該涂層由于其極強(qiáng)的基底結(jié)合力、極高的硬度以及優(yōu)異的摩擦磨損特性等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛用于汽車、航空等領(lǐng)域的刀具和模具表面改性處理，是一項(xiàng)技術(shù)成熟度較高且應(yīng)用廣泛的工業(yè)化表面處理工藝。本文將從滑冰運(yùn)動(dòng)的力學(xué)特性以及表面特性需求等方面入手，并結(jié)合納米金屬陶瓷涂層的機(jī)械特性和表面摩擦磨損特性，探討基于真空物理鍍膜原理的納米金屬陶瓷涂層技術(shù)用于改善冰刀表面特性的有效性和可行性。

2 滑冰技術(shù)的動(dòng)力學(xué)特性

2.1 冰刀受力情況分析

滑冰運(yùn)動(dòng)是以冰刀為工具，綜合運(yùn)用運(yùn)動(dòng)員個(gè)人力量和技術(shù)的比賽項(xiàng)目。在這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)中，競技水平的影響因素除了運(yùn)動(dòng)員個(gè)人技巧以外，最重要的就是冰刀的服役性能。就冰刀的運(yùn)動(dòng)過程而言，滑冰（即“切冰”）過程中，冰刀主要承受運(yùn)動(dòng)員的橫向蹬冰力F和縱向摩擦力f（如圖1所示）。

2.2 蹬冰力與高效驅(qū)動(dòng)

滑冰運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，由運(yùn)動(dòng)員施加在冰刀上的蹬冰力提供。為了獲得有效蹬冰力實(shí)現(xiàn)高效驅(qū)動(dòng)，宏觀上新磨刀刃的兩個(gè)側(cè)面（側(cè)刃面）與端面（頂刃面）分別成直角，但微觀上頂刃面是具有一定曲率半徑的弧面，如圖2所示。理想狀態(tài)下，頂刃面與兩側(cè)刃面之間成無圓弧過渡的尖角狀態(tài)，即呈現(xiàn)出明顯的棱。

圖1 滑冰過程中冰刀的受力分析示意Figure1.Stress analysis of blade during skating

圖2 冰刀刃口微觀結(jié)構(gòu)示意圖Figure 2.Microstructure and bite angle of the blade

實(shí)際上，從微觀上看，側(cè)刃面和頂刃面之間為具有一定曲率的圓角過渡，如圖3（a）所示。此圓角的曲率半徑越小，表明刀刃越鋒利；半徑越大，刀刃越鈍。在滑行中，保持刀刃的鋒利程度，是防止冰刀滑脫保持有效蹬冰力量的基本因素。

對(duì)于短距離速滑，由于滑行距離短，頂刃面磨損程度較小，往往不會(huì)表現(xiàn)出蹬冰力量明顯減小。但對(duì)于中、長距離滑行，由于頂刃面磨損量的增加，將導(dǎo)致刀刃明顯變鈍，即過渡圓角的曲率半徑增大，此時(shí)運(yùn)動(dòng)員身體傾斜動(dòng)作的有效支撐能力下降，有效蹬冰力量和驅(qū)動(dòng)效率降低。在速度滑冰和短道速滑等競速類項(xiàng)目中，將表現(xiàn)為蹬冰驅(qū)動(dòng)能力的下降和滑行速度的降低。在花樣滑冰等競技類項(xiàng)目中，將表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作變形以及為維持必要的蹬冰力度而額外消耗體力并最終影響比賽成績。

圖3 冰刀頂刃面及幾種常見失效形式示意Figure 3.Failure type and analysis of blade

導(dǎo)致有效蹬冰力和驅(qū)動(dòng)效率下降的冰刀失效除了頂刃面鈍化外，還有可能以卷刃、崩刃或偏刃等形式出現(xiàn)，分別如圖3（b）、（c）和（d）所示。其中，卷刃往往是由于刀片基體材質(zhì)的機(jī)械強(qiáng)度不夠，從而導(dǎo)致在蹬冰和滑行時(shí)發(fā)生塑性變形。崩刃是由于刀片基體材料韌性不足，進(jìn)而在滑行過程中與異物碰撞引起刃口材料的脆性斷裂。偏刃則是由于刀片材料的耐磨損性能不佳，導(dǎo)致刀尖部分被方向性磨削掉。因此，為保證冰刀具有良好的蹬冰力以實(shí)現(xiàn)高效驅(qū)動(dòng)，就要求冰刀要具有良好的抗塑性變形能力、抗脆性斷裂能力和長時(shí)間耐磨損性能等機(jī)械與力學(xué)性能。

2.3 冰刀摩擦特性分析

冰刀之所以能夠在冰面上飛速滑行，在很大程度上依賴于二者接觸面之間極小的摩擦系數(shù)。Koning［12］等利用帶有傳感測量裝置的試驗(yàn)冰刀測定出冰場直道和彎道部分的冰面摩擦系數(shù)分別為0.0046和0.0059。對(duì)于冰刀和冰面之間極低的摩擦系數(shù)，學(xué)者們普遍認(rèn)為在二者之間存在一層“水膜”，正是它起到了表面潤滑、降低摩擦系數(shù)的作用，即低摩擦系數(shù)的作用機(jī)制是水基潤滑，如圖4所示。

圖4 冰刀水基潤滑原理示意Figure 4.The lubricating water film between ice and blade during skating

對(duì)于冰層表面的這層水潤滑膜，早在1850年英國科學(xué)家法拉第就曾預(yù)言過它的存在，但受限于當(dāng)時(shí)的科技條件，并未能實(shí)際探測到。20世紀(jì)80年代新西蘭學(xué)者畢哥萊赫運(yùn)用橢偏儀測量到了冰表面的這層水膜的存在。隨著技術(shù)的發(fā)展，越來越多的科學(xué)家采用不同的方式證實(shí)了法拉第預(yù)言的正確性［13］。對(duì)于水潤滑膜的形成機(jī)制，曾先后出現(xiàn)了3種主要的理論模型。

2.3.1 壓力融化

Reynolds［14］在1901年提出，在滑冰過程中存在著由于壓力導(dǎo)致冰層融化而產(chǎn)生的水膜。但該理論后來被證明存在一定局限性。人們利用克拉伯龍方程理論推導(dǎo)后也發(fā)現(xiàn)，在正常條件下冰層不會(huì)因?yàn)榛袝r(shí)的壓強(qiáng)而融化［13］，這與過去的假設(shè)有較大的不同。

2.3.2 摩擦生熱

1939年，Bowden［15］等認(rèn)為，摩擦生熱可能是導(dǎo)致冰面摩擦系數(shù)低的主要原因；只有在接近融點(diǎn)和低速滑動(dòng)時(shí)壓力融化才為主要因素；而在溫度低于融點(diǎn)且滑行速度增加后，冰面的水主要由摩擦生熱融化冰層產(chǎn)生。

2.3.3 表面融化

20世紀(jì)70年代，有學(xué)者提出了“表面融化”理論，認(rèn)為在任何溫度下冰的表面都存在水膜，只是其厚度隨著溫度的變化而不同［16］。溫度過低時(shí)，水膜厚度極小，因而摩擦系數(shù)很大。

對(duì)于壓力融化、摩擦生熱和表面融化3種不同的理論模型，雖適用范圍有所不同，但均可在一定程度上解釋冰面水潤滑膜的形成原因。可以肯定的是，冰刀與冰面之間存在著一層水基潤滑膜，該水膜是冰面極低摩擦力的關(guān)鍵。除此之外，冰面摩擦阻力還與環(huán)境溫度、相對(duì)濕度、滑行速度、冰面狀態(tài)、冰刀機(jī)械特性以及表面特性等因素有關(guān)［17］。對(duì)于特定的競技比賽環(huán)境，環(huán)境溫度、相對(duì)濕度、滑行速度以及冰面狀態(tài)等參數(shù)基本是確定的、無法改變的；而真正能夠?qū)Ρ婺Σ翆W(xué)特性施加影響的可變因素就是冰刀自身的機(jī)械及表面特性等，這也是科研人員對(duì)于改善冰刀工作狀態(tài)和服役性能的基本出發(fā)點(diǎn)。

3 冰刀制作工藝特征與真空物理鍍膜技術(shù)應(yīng)用

基于對(duì)冰刀驅(qū)動(dòng)效率、失效形式以及冰面摩擦學(xué)特性的分析可以看出，改善冰刀服役特性的主要技術(shù)手段應(yīng)為:（1）強(qiáng)化冰刀機(jī)械特性，主要是提高刀刃剛度、韌性和耐磨損性能，避免出現(xiàn)卷刃、崩刃以及鈍化等失效，提高冰刀的蹬冰力和驅(qū)動(dòng)效率；（2）改善冰刀表面特性，通過減小表面粗糙度、降低導(dǎo)熱系數(shù)以強(qiáng)化摩擦生熱等方式，降低冰刀與冰面之間的摩擦系數(shù)。為此，國內(nèi)外研究人員從冰刀材料、結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及表面處理工藝等不同方面著手，對(duì)冰刀服役性能進(jìn)行了優(yōu)化。

3.1 冰刀制造工藝現(xiàn)狀

3.1.1 冰刀材質(zhì)

歷史上最初的冰刀是用獸骨制成的，13世紀(jì)時(shí)出現(xiàn)了鐵制冰刀。1850年全鋼制冰刀的問世使速度滑冰如虎添翼，得到了飛速發(fā)展。現(xiàn)階段國內(nèi)外普遍使用的冰刀材質(zhì)是不銹鋼如 3Cr13［18］、S316和 65Mn［19］等，材料硬度HRC通常為56～60。

3.1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過刃口弧度設(shè)計(jì)或刃磨等手段，優(yōu)化頂刃面弧度或提高刃口鋒利度。此外，也有學(xué)者另辟蹊徑，提出了雙金屬刀片冰刀［20］和潤滑冰刀［21］的設(shè)想，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因，均未實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。

3.1.3 熱處理與表面改性

由于材料的剛度和柔韌性是此消彼長的矛盾共同體，為了同時(shí)防止卷刃和崩刃等不同失效形式的發(fā)生，需要在冰刀材質(zhì)選擇和熱處理過程中，在材料剛度和韌性之間做出折中選擇。而離子注入和真空物理氣相沉積等表面改性方式，由于其對(duì)基體材質(zhì)的熱處理溫度較低（通常低于400℃）、硬度和耐磨性能等提高顯著等特點(diǎn)，正逐漸引起人們的重視。但相關(guān)工作也僅限于理論設(shè)想［22］或?qū)＠暾?qǐng)［23］階段，并未有進(jìn)一步的研究進(jìn)展，更未有實(shí)際的技術(shù)應(yīng)用見諸報(bào)端。

3.2 真空物理鍍膜

3.2.1 技術(shù)原理與工藝過程

采用物理氣相沉積的方法，可以實(shí)現(xiàn)超硬耐磨納米金屬陶瓷涂層的制備，其基本的技術(shù)原理是:在真空條件下，采用低電壓、大電流的電弧放電方式，利用氣體輝光放電使金屬靶材蒸發(fā)并使蒸發(fā)物質(zhì)與反應(yīng)氣體都發(fā)生電離，利用外加偏壓電場的加速作用，使被蒸發(fā)物質(zhì)及其反應(yīng)產(chǎn)物沉積在工件上形成納米金屬陶瓷涂層，技術(shù)原理如圖5所示。

典型的納米金屬陶瓷涂層制備過程包括以下主要工藝過程:噴砂（在高壓水中摻雜微米級(jí)Al2O3顆粒，攻擊待涂層工件以活化工件表面，適度鈍化刃口并去除銹跡等）——超聲清洗（添加可生物降解的表面活性劑，在超聲環(huán)境中清洗工件，以去除表面油污等）——真空物理鍍膜（采用蒸發(fā)鍍膜、濺射鍍膜、陰極電弧鍍膜或離子束強(qiáng)化等方式進(jìn)行真空物理鍍膜，制備納米金屬陶瓷涂層）。

3.2.2 技術(shù)特點(diǎn)與應(yīng)用

采用真空物理鍍膜技術(shù)制備的納米金屬陶瓷涂層，具有表面光滑致密、硬度高、耐高溫、耐磨損、抗氧化、導(dǎo)熱率低以及附著力強(qiáng)等特點(diǎn)，且涂層性能穩(wěn)定，均勻一致。常見的納米金屬陶瓷涂層包括氮化鈦（TiN）、氮碳化鈦（TiCN）、氮化鋁鈦（TiAlN）、氮化鉻（CrN）、類金剛石（DLC）及氮鉻鋁復(fù)合涂層（CrAlN）等。圖6所示為硬質(zhì)合金鋼基體材質(zhì)上制備的氮化鋁鈦（TiAlN）涂層的顯微結(jié)構(gòu)圖，其中氮化鈦（TiN）為過渡打底層。

圖5 真空物理鍍膜原理示意Figure 5.Diagram of PVD coating process

圖6 硬質(zhì)合金鋼基體上的TiAlN涂層顯微結(jié)構(gòu)Figure 6.PVD coating of TiAlN on WC/Co

納米金屬陶瓷涂層目前已廣泛用于汽車、航空等領(lǐng)域，用于改善金屬及復(fù)合材料等加工過程中所用刀具及模具的機(jī)械性能及切削性能等。圖7所示為幾種常見的涂覆納米金屬陶瓷涂層的刀具及模具舉例。

圖7 納米金屬陶瓷涂層刀具和模具舉例Figure 7.Cutting tools and module with PVD coating

3.3 真空物理鍍膜技術(shù)遷移

3.3.1 冰刀減阻

基于上文中對(duì)于冰刀和冰面之間水基潤滑作用機(jī)理的分析可以看出，冰面低摩擦系數(shù)的關(guān)鍵是水基潤滑膜的構(gòu)建，即必須在冰刀與冰面之間制造出適當(dāng)厚度的水潤滑膜。在速度滑冰的高速動(dòng)態(tài)過程中，壓力融化和低溫融化對(duì)水膜形成的貢獻(xiàn)很小；較為可行的技術(shù)方案是通過在冰刀表面制備出具有低導(dǎo)熱系數(shù)的納米金屬陶瓷涂層以強(qiáng)化摩擦生熱，進(jìn)而保證在高速滑行過程中冰刀和冰面之間具有足以實(shí)現(xiàn)水基潤滑的水潤滑膜，最終實(shí)現(xiàn)冰刀減阻。

相比于3Cr13、S316、65Mn等用于制造冰刀的不銹鋼金屬材料，采用真空物理鍍膜工藝制備的納米金屬陶瓷涂層由于其陶瓷屬性，具有更低的導(dǎo)熱系數(shù)，如3Cr13的常溫導(dǎo)熱系數(shù)為24.6W/m·K，而TiAlN涂層的導(dǎo)熱系數(shù)僅為10W/m·K。更低的導(dǎo)熱系數(shù)意味著更多的摩擦熱不會(huì)通過冰刀傳遞出去，而是會(huì)駐留在冰刀與冰面之間用于構(gòu)建水潤滑膜，進(jìn)而有效降低了冰刀滑行的界面摩擦阻力。

3.3.2 高效驅(qū)動(dòng)

在滑冰過程中，驅(qū)動(dòng)力是由運(yùn)動(dòng)員施加在冰刀上的蹬冰力提供的。為了實(shí)現(xiàn)高效驅(qū)動(dòng)，就要求冰刀具有足夠的蹬冰力。為獲得有效蹬冰力，需要冰刀在完成蹬冰動(dòng)作以及在整個(gè)規(guī)定賽程的滑行過程中，不會(huì)出現(xiàn)因冰刀機(jī)械剛度不足而導(dǎo)致的刃口卷刃，或因冰刀材質(zhì)韌性不夠而導(dǎo)致的崩刃，或因冰刀材料耐磨性能不佳而導(dǎo)致的偏刃或過渡圓角異常變化的情況。

相比于冰面滑行的使用工況，超硬耐磨納米金屬陶瓷涂層在用于工業(yè)生產(chǎn)時(shí)的設(shè)計(jì)初衷，是為了滿足對(duì)金屬或復(fù)合材料等進(jìn)行高速、干式切削等更極端工況下的硬度及耐磨性等要求。因此，在冰刀兩側(cè)面采用真空物理鍍膜工藝制備超硬耐磨金屬陶瓷涂層（圖8所示），用于改善冰刀的硬度以及耐磨性能等特性是可行的、有效的，且不會(huì)降低冰刀的韌性。表1所示為用于制造冰刀的不銹鋼材質(zhì)與納米金屬陶瓷涂層的硬度對(duì)比。

表1 冰刀的不銹鋼基材與納米金屬陶瓷涂層的硬度對(duì)比Table 1 Hardness comparison of stainless steel with PVD coating

圖8 納米金屬陶瓷涂層改性冰刀結(jié)構(gòu)示意Figure 8.Diagram of skate blade enhanced with PVD coating

4 結(jié)語

在滑冰過程中，冰刀與冰面之間水基潤滑膜的構(gòu)建是實(shí)現(xiàn)極低摩擦力的關(guān)鍵。水潤滑膜的形成與冰刀滑行過程中的摩擦熱有關(guān)，采用真空物理鍍膜工藝在冰刀兩側(cè)面制備出具有低導(dǎo)熱系數(shù)的納米金屬陶瓷涂層有利于水潤滑膜的構(gòu)建，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)冰刀減阻。

滑冰運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力是由運(yùn)動(dòng)員施加在冰刀上的蹬冰力提供的。為了實(shí)現(xiàn)高效驅(qū)動(dòng)，需要冰刀具有良好的剛度、韌性和耐磨性能等以提供有效的蹬冰力，避免出現(xiàn)卷刃、崩刃及偏刃等失效情況。納米金屬陶瓷涂層技術(shù)可用于改善冰刀的材料特性，有利于實(shí)現(xiàn)高效驅(qū)動(dòng)。