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在橡胶 - 冰和沙-冰滑动
摩擦试验中对冰表面微观结构的研究
Alex Klein-Paste , NirmalK.Sinha
挪威科学技术大学，土木和运输工程系，Hoslash;gskoleringen7a，7491 Trondheim，挪威国家研究委员会加拿大，航空航天研究所，M-17，1200蒙特利尔路，渥太华，安大略省，加拿大K1A 0R6
关键词：微观结构、冰摩擦、变形、位错
摘要：应用在冰中揭示晶格位错、位错单元、晶粒和亚晶界等的蚀刻和复制技术的双重过程，以研究在橡胶 - 冰和沙 - 冰滑动摩擦试验之后新变形的冰表面的微观结构 。在经受橡胶 - 冰摩擦的冰中观察到位错的产生，倍增和迁移率相关的特征，甚至在涉及低摩擦的高速和高冰温下也可以观察到。 在沙 - 冰摩擦过程中，通过刨沙颗粒在冰的表面以及更深处会发生变形，并伴随重结晶。 在实验室中发现的冰中的变形特征也在冰覆盖的跑道路面上的全尺寸轮胎 - 冰相互作用中观察到。
amp; 2009 ElsevierLtd.Allrightsreserved
- 简介
驾驶员和飞行员依靠轮胎 - 路面摩擦力进行减速和方向控制。 在路面上存在雪，冰或雪泥可以显著地减少可获得的轮胎 - 路面摩擦。 道路或机场维修人员可以使用沙子来改善路面状况。 因此，理解橡胶冰和沙冰摩擦的物理学对于世界寒冷地区的车辆运输具有实际重要性。
在低滑动速度（约0.01m / s）和冰温低于5℃时，在抛光冰上可以获得清洁橡胶和冰之间的高水平摩擦（摩擦系数m41）。 在这种情况下，应用Williams，Landel和Ferry（WLF）变换[1]，可以表明在不同温度和滑动速度下收集的数据可以在给定的参考温度下转换成统一的数据，期间还观察到Schallamach波的发生[2]。 WLF变换和Schallamach波都表明摩擦受橡胶的粘弹性特性的控制[3]。 同时，通过冰烧结和随后的结生长[4]和冰破裂[5]的粘附可以改变相互作用的机制。 随着速度和温度的增加，摩擦系数通常下降到低水平（mo0.1）。观察到的过渡伴随着Schallamach波和摩擦水平的消失[2]，但这与橡胶中的能量损失不相关[6]。 发生转变的冰的温度受到冰中的杂质（盐）的影响[7]。 在低摩擦状态下，通过摩擦加热，m与在冰上滑动的其它固体相似，也和润滑系统相似，这仍然是广泛接受的解释。 然而，该理论不解释如何产生导致冰加热和熔化的热量。 此外，牛顿水膜的粘性剪切可能不能完全解释所涉及的能量转换[9]，并且已经提出了替代机械，例如塑性变形[10,11]，混合润滑[9]和摩擦克服和随后在滑动期间释放（作为热）热力学表面能[12,13]。
沙冰摩擦的摩擦机制受到较少的关注，但很明显，接触区域中硬颗粒的存在有助于犁耕。 沙颗粒的存在不一定会增加摩擦[14,15]，但是当冰上还存在松软的雪时，可以提供一种更强大的增加摩擦的方法[15]。
多年来，摩擦后对冰表面的观察已经限于通过透明橡胶[2]或透明树脂[16]的直接目视来进行检查。 研究冰表面并不直接，因为冰非常接近其熔点。 它容易升华，或者容易从温暖，更潮湿的空气中沉积。 最近，使用低温扫描电子显微镜[17-19]在摩擦后的雪/冰表面的原位研究取得了进展，提供了更大的远景和高放大率。
在冰物理学领域，自1950年代以来已经开始展开复制冰面[20]。蚀刻和复制技术（ERT）的双重过程已经被开发作为微结构研究的分析工具[21-23]。 ERT的最重要的方面是其检查大面积（0.1米0.1米，或更大）的能力。在单个复制品中，ERT可以产生广泛不同的微结构特征，例如高角和低角晶界，倾斜边界，基底和非基本位错（作为蚀刻坑），位错单元，位错对晶粒的堆积边界和其他接口。大的样本大小允许研究在冰板安排上的滑块中的冰。这种布置是重要的，因为冰的装载时间比盘/板布置上的冰针短得多，并且更接近实际轮胎 - 冰相互作用中的冰装载时间，通常不超过10-100ms。此外，可以检查在单个滑动事件之后的变形特征。
本研究的目的是将ERT应用于对橡胶冰和沙冰滑动摩擦的摩擦学研究，并展示其在实验室和现场环境中的潜力。
- 实验细节
2.1冰的蚀刻和复制技术
Sinha [23]详细描述了蚀刻和复制技术（ERT）的双重过程。简言之，用聚乙烯醇缩甲醛（Formvar）和二氯乙烷混合的溶液涂覆在冰表面。使流体在受控条件下干燥，留下薄的塑料膜或复制品。在干燥过程中，冰表面也被蚀刻到不同程度，这取决于浓度和干燥条件。干燥后，固化的Formvar复制品可以从表面上剥离并在透射光或扫描电子显微镜下检查。 ERT揭示了晶格和亚晶界和冰晶格中的不规则，例如基底和非基底位错，以及（最重要的）变形相关特征，如倾斜边界，位错单元和堆积。与基面相交的非基底位错的蚀刻坑是六角锥形，并且在低放大率下显示为点（如图1a中的晶粒2）。与非基底或金字塔形表面相交的基底位错的蚀刻坑被延长，其长方向平行于c轴。即使在低放大率下也容易看到这些蚀坑，并且非常有用于在柱的垂直于平面的平面中显示柱状晶粒S-2冰中的晶粒的c轴的随机取向，如图1中的箭头所示 2a。
2.2 室内实验
颗粒（等轴）以及柱状颗粒S-2冰均用于室内的试验。所有的活动，如生长冰，样品准备和测试，在一个较大的步入式和冷的实验室内进行。按照两个步骤制备冰表面。在第一个程序中，在环境空气温度Ta为5℃下，在平坦的抛光石材表面上喷洒多个蒸馏水雾（水温，Tw E0 1C）。这个过程导致了平滑，但波浪状的冰。该粒状冰的粒径为0.1〜2mm，晶体的c轴随机取向。这种类型的冰，被称为“喷射的冰”，紧密地表示通过在冷的路面上冻结水滴形成的冰。在第二个程序中，横向各向同性柱状颗粒S-2冰在具有蒸馏水的隔热罐中在Ta = 10℃下生长。从中心部分，在30-40mm的深度处切割具有与水平面平行的250mm 90mm表面的矩形冰标本（250mmtimes;90mmtimes;10mm）。在[22]中描述的双微切片程序之后，在冰温度，Ti = 10℃下制备主表面。在进行任何摩擦测试之前，允许冰表面在包含硅胶的密闭室中升华（以去除几微米的表面层）48小时（Ta E 10 1C，相对湿度，RHE 80-85％）。这个程序去除或最小化机械损伤的表面层，在切片过程中由刀片 - 冰摩擦方面产生的高密度的位错环，并且产生具有镜面状光洁度的平滑冰。晶体的c轴在250mm 90mm平面中随机取向，并且横截面晶粒尺寸（与柱的长度垂直）为5至20mm。具有与柱的长度正交的主表面的S-2冰样品被用作模型冰，因为其具有均匀的晶体结构，大的横截面晶粒尺寸和优选的c轴取向。在蚀刻其c轴平行于表面的冰晶期间，形成长长方向平行于c轴方向的位错蚀刻坑[21]。这种“未变形的”S-2冰表面的复制品表现出晶界和具有颗粒内延长的蚀刻坑的晶粒，如图1所示。 2a注意不同晶粒中的凹坑的不同取向。这个特征可以用于识别S-2冰块中晶粒的c轴方向的随机性，这是使用这种冰作为实验室测试的一部分的主要原因。
图 1.（a）在滑动之前的蚀刻的冰表面的复制示出不同的晶粒（1-3），晶界（4）。 （b）在Ti = 10plusmn;1℃（mBP = 0.34）滑动之后的相同面积的复制，显示小的犁痕（5）和位错蚀刻凹坑（6）行。
对于与覆冰跑道上的飞机操作有关的研究，重要的是测试涉及非常短持续时间的单次通过的橡胶 - 冰相互作用的物理现象。 英国摆锤测试仪或BPT [24]被认为是实现这一目的理想方法。 BPT用于滑动标准橡胶滑块55，形式上称为TRRL橡胶，宽度w = 70mm）。 该仪器传递约22N的法向载荷Fn，并且滑动长度l设定为125mm。 由于动态和静态载荷的差异以及初始接触期间的非摩擦能量损失，仪器单位（英国摆秒数）到摩擦系数的转换并不直接。 我们应用Giles等人描述的转换 [24]其校正动态载荷并获得仪器mBP的滑动长度平均摩擦系数。 在平滑熔融冰上获得的低摩擦值（0.05omBP o0.09）表明在初始接触期间非摩擦能量损失的最大贡献为o0.1。
为了研究夹带的沙粒的影响，将两个颗粒（筛分级分2.0-3.3mm）置于冰块表面上的橡胶块与冰初次接触的点处。沙子来自于在机场的冬季维护中使用的沙冰试验的批次。在所有测试中，仅进行一次橡胶行程测试。在测试之前，确保整个实验装置处于所需的环境温度。在每次试验之前用软刷清洁橡胶块。顶部冰表面的蚀刻和复制用Ti在10和12C之间的2.5％Formvar溶液进行。这种工作温度是手动灵活性以及蚀刻和复制的理想选择。重要的是在这里提到的是用于大角度晶界的沟槽在接近熔点的高温下容易产生，但是在较低温度下形成明确限定的位错蚀坑。因此，冷却室以及因此测试的冰在蚀刻和复制之前被冷却以用于在接近熔点的温度下的摩擦测试。在该冷却期间，用含有雪的室（提供接近饱和的湿度）覆盖冰以最小化升华。
2.3 现场观察
对于冰表面微观结构的观察也作为挪威两个实地研究的一部分来进行。
第一项研究在挪威特罗姆瑟机场举行。 在这里，平板覆盖着冰形成的雪，已经融化 - 再冻变质。 维护人员在该区域上施加了松散的沙以改善摩擦。 用机场的Skiddometer BV-11摩擦测量装置评估表面的质量。 以30km / h的速度进行测量，并且摩擦测量装置配备有具有700kPa的充气压力的Trelleborg Unitester测试轮胎。 在测试期间，冰表面温度为2.5℃，空气温度为 1℃，并且其在地平线附近具有弥散的太阳（图5a）。 轨道是用2.5％Formvar溶液制备冰的照片和复制品，干燥时间为约20分钟。
第二次实地研究在挪威的巴杜佛斯空军基地进行。在这里，冰在飞机制动实验后在沙冰上进行了调查。早期在[25]中已经报道了实验的详细描述。使用的平板被厚的冰层覆盖，这是由随后的积雪，降雨，冻结和降雪的事件自然形成的。在此过程中，该区域不受任何交通干扰，导致非常均匀的冰层。这里报告的观察在通过使用温热预润湿沙磨制备的试验台上进行。该方法使沙粒冻结在冰上（图6a中的前景中的弯曲和暗行的碎片）。使用具有0-4mm沙粒级分的天然沙，施用率为150g / m 2沙加30体积％水（水温度Tw = 951℃）。制动测试由小型螺旋桨飞机（Saab Safari MFI 17）进行。测试在北极夜的季节进行（图6a）。在表面上有一薄层松雪，但在测试之前通过跑道清扫器除去。在环境条件下（Ti = 51C; Ta = 2.51C）在制动实验之前和之后进行蚀刻和复制。
3.结果
3.1 实验室实验
图1a表示出了未变形的（在暴露于滑动橡胶之前）在10℃下喷射的冰表面的一部分。可以清楚地识别不同的晶粒和晶界。晶粒的纹理（例如，编号1和2）的差异由它们的位错蚀坑特性的差异引起，这取决于它们的晶体取向。图1b表示出了在“单次”暴露于橡胶块的滑动摩擦之后的相同面积。这里，原始晶体形状及其晶界可以看作是完整的，但是冰中的变形可以以新特征的形式被观察到。可以看到许多细线和犁道（显示为划痕），宽度达到约0.07mm。注意在不同晶粒中相同划痕（标记为5和6）的宽度（和深度）的差异，表明它们的晶体取向的差异。这些具有较高线性密度的位错蚀坑的行显示出许多新位错的形成，并因此显示出不同程度的应力（应变）浓度的线。
图2a示出了在Ti = 0.1lC处在轨道外部的S-2冰的一部分中的四个晶粒。 自然产生的位错产生具有其长轴（由箭头指示）的细长蚀刻坑平行于晶粒的c轴方向。 注意，这些细长位错蚀坑具有在相同晶体内在相同方向上定向的长轴。
图2.（a）滑动轨道外的冰表面呈现随机分布的细长蚀刻坑，c轴方向由箭头（1）表示。 （b）在轨道内，沿滑动方向（2）形成新位错（Ti = 0.1lC，mBP = 0.08）。
图2b示出了在经历橡胶 - 冰相互作用的轨道内部的S-2冰“内部”的三个晶粒和三重点。右边的晶体是需要特别值得关注的。很明显，在这种晶体中原位错密度相对较低。即使在摩擦测试之后，在该颗粒的一些区域内可以识别出具有约0.02mm的长尺寸的单个位错蚀坑。这些蚀刻坑的长方向表示该晶粒的c轴相对于滑动方向定向在约451°。这是基础位错的移动性的最有利方向。因此，当该晶粒经受由摩擦力引起的变形时，所产生的位错密度的空间发生了变化。注意在晶体的一些区域中蚀刻坑的较高密度。还注意到沿着平行于滑动方向的若干线的细长蚀刻坑的较高线性密度。蚀刻坑的一般特性提供了最强的证据，即滑动橡胶产生局部非均匀应力（应变）状态并且甚至在0.1C的温度和高速下产生新的位错。
图3a示出了在Ti = 8.4plusmn;1℃下由滑动橡胶夹带在喷雾冰上的沙粒的犁耕轨迹。轨道具有约2mm的宽度，其很好地对应于沙粒的尺寸。单沙颗粒产生比由橡胶 - 冰相互作用产生的划痕更深且更宽的多个划痕（平行行，具有位错蚀坑的密度）。因此，沙粒子引起局部严重变形的冰。犁耕作用去除了沉积在轨道旁边的冰屑。这些芯片沿着整个滑动长度被发现并且经常是螺旋的（图3a，顶部）。对螺旋芯片的检查允许粗略估计穿透深度，其为0.1mm的量级。轨道内部的冰的详细视图（图3b）示出了原始晶体结构仍然完好，但是最可能在原始晶体内的表面水平处形成较小的晶体（直径为0.15mm）。
图 3.（a）在Ti = 8.4lC（mBP = 0.30）时由沙粒产生的喷射的冰上的许多深的划痕。 通过犁粒子除去冰（1）的碎片。（b）详细视图示出了在原始晶体（3）内具有约0.15mm
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