冰表面形貌与调理对弹性体–冰摩擦的影响

《Cold Regions Science and Technology》：The influence of ice topography and conditioning on elastomer–ice friction

　　

通过硅酮模具成型和自下而上冷冻，实现了可控冰表面。冰表面可通过增大接触面积或引入振动来提升摩擦。冰的变形取决于初始表面形貌与弹性体性能。重复滑动时摩擦系数呈指数下降，主要由加热效应引起。若给予足够的静置时间，摩擦可恢复至初始水平。

研究背景与意义

弹性体–冰摩擦是涉及基础摩擦学与冬季轮胎、鞋类开发等实际应用的复杂课题。已有研究指出，冰表面通过界面接触面积、弹性体内粘弹性变形以及热驱动表面变化强烈影响摩擦行为。然而，许多研究主要关注弹性体本身，而将冰表面视为控制不足的边界条件。冰表面形貌决定真实接触面积(RCA)、影响界面水输运，并通过多尺度微凸体激发的变形贡献滞后摩擦；但冰表面在滑动过程中会因变形、磨损和摩擦加热–再冻结而不断演化，即使未接触也可能发生升华或自抛光。因此，在实验中维持一致的初始冰表面形貌非常困难。此外，冰表面温度对摩擦具有强烈影响，摩擦热可活化冰表层准液态层/液态层，进一步改变界面行为。测试中的时间参数，包括接触时间、驻留时间和静置时间，也至关重要；其中静置时间很少被报告，却可显著改变摩擦系数。缺乏标准化的冰制备和预调理程序，导致不同研究之间的可重复性和可比性受限。该论文发表于《Cold Regions Science and Technology》。

研究人员在名义相同的测试条件（接触压力p≈0.2 MPa，滑动速度v=0.3 m s^?1，温度T=?3 °C）下，系统研究了冰表面形貌与调理对弹性体–冰摩擦的影响。为此制备了三种受控冰表面，并采用平面–平面与杆–平面接触构型，通过滑动方向引入或不引入额外弹性体激励。同时选用邵氏A硬度系统变化的同一弹性体族，考察弹性体性能与冰面设计的交互作用。另一目标是通过200次重复滑动实验评估冰表面调理对摩擦演化的影响，以及恢复时间的作用。

主要关键技术方法

研究人员采用硅酮模具成型和自下而上冷冻法制备三种冰表面：平面冰、平行冰和垂直冰；使用GelSight、算术平均粗糙度(Ra)和功率谱密度(PSD)表征冰面形貌。弹性体选自邵氏A硬度校准套件，硬度约为50–90，通过动态力学分析(DMA)获得损耗因子(tan δ)和储能模量(G′)。摩擦试验在挪威科技大学(NTNU)线性摩擦计上进行，滑动速度0.3 m s^?1，标称接触压力约0.2 MPa，每组往复滑动200次，重复间隔约2 s；并用红外热成像监测摩擦热效应，另在薄冰层上开展恢复实验。

研究结果

3.1 冰表面形貌对摩擦的影响

对每组第6至第10次滑动的摩擦系数(COF)平均值进行统计检验，结果显示冰类型、弹性体类型及其交互作用均显著。平面冰上所有弹性体的COF均显著高于平行冰，相对增幅为6.7%–117.6%；较硬弹性体增幅较小，较软弹性体增幅较大。这一结果可归因于平面冰提供了更大的有效接触面积和更均匀的载荷分布，从而激活了接触面积主导的摩擦贡献。垂直冰的COF均高于平行冰，其中红色弹性体增幅达76.3%。垂直滑动时，弹性体以约200 Hz的频率被周期性激励，增强了滞后耗散；平行冰上的COF排序与硬度/储能模量更相关，而垂直冰上的COF排序主要与?25 °C下的tan δ相关。这表明冰面设计能够系统调节接触面积主导与变形主导摩擦机制的相对权重。

3.2 重复滑动过程中的摩擦与表面演化

将全部200次重复滑动纳入分析后，所有弹性体–冰表面组合