含盐冰对铝的摩擦

摘要

在北极，冰对其他材料的摩擦控制着海上建筑和船只的负载。然而，冰的摩擦是复杂的，因为冰在自然界中存在于其熔点附近。摩擦加热会导致局部软化，甚至熔化和润滑，从而影响摩擦并形成反馈回路。因此，冰的摩擦很可能取决于滑动速度和滑动历史，以及体积温度。滑动材料的粗糙度也会影响摩擦。在这里，我们提出了一系列的实验室实验的结果，滑动盐水冰上的铝，并控制粗糙度和温度。我们发现含盐冰对铝的摩擦通常情况下，但这个值随滑动条件而变化。我们提出物理模型来解释滑动摩擦的变化。

1.介绍

冰摩擦背后的机制影响了一系列研究领域，包括冬季运动[1]、北极航运及海上结构设计[2，3.]、为冰雪路面情况而设计的车辆[4，冰川推进[5］．因此，预测(或许是控制)冰摩擦的能力具有经济价值，并能提高我们对冰冻圈的理解。

冰摩擦比干摩擦更难建模，因为对抗摩擦所做的功会释放热量，从而软化、有时融化冰面，改变摩擦系数并形成反馈回路。最近的一些研究表明，冰与冰之间的摩擦取决于温度、滑动速度和滑动历史，但与正常荷载无关[6- - - - - -8］．冰上冰摩擦模型掺入冰硬度，冰的热性质，以及关于治理干式摩擦的粗糙度 - 粗糙触点的性质的假设[7，9，10］．

本文研究了海冰对铝的摩擦随温度、表面粗糙度、滑动速度和滑动历史的变化规律。我们的目标是提高对冰摩擦特性的理解，我们选择铝作为我们的二次材料有两个原因。首先，铝及其合金被用于船舶(如北极星号，一种在北极过冬的铝壳船)、近海结构和其他对海水敏感的海岸结构，但它在冰上的摩擦尚未被研究过(不像钢铁和混凝土)[11- - - - - -13])。北极海上结构的ISO标准（ISO19906，[14)包含了关于冰对钢铁和混凝土的摩擦的信息，而不是对其他材料的摩擦，所以这项研究可能会增加北极实践者的知识基础。铝也被用来制造研究海冰的实验设备[15，它的摩擦在这里需要解释其他结果。其次，铝比冰更硬，导热性更强，因此可以与更传统的冰-冰滑动摩擦进行有益的比较。冰摩擦模型依赖于不同材料之间的比较，以区分不同材料特性的重要性[9因此，在以前未研究过的材料上的新实验结果可以为冰摩擦理论提供支持证据。

2.材料和方法

2．1．冰的准备

垂直方向的柱状盐水冰圆盘在伦敦大学学院岩石和冰物理冷藏室设施的绝缘(20厘米厚的聚苯乙烯)丙烯酸圆柱形容器中生长。在空气温度为−10°C的条件下，圆盘生长至~ 100-110 mm的深度[6，16］．冰的典型颗粒尺寸在水平方向上为10毫米(-)，垂直高度50毫米()方向。这种绝缘意味着只有冰的上表面暴露在寒冷的环境中，导致像在自然海冰生长中观察到的那样单向冷却。水箱下面的加热元件使盐水储水池保持在−2°C左右。将冰从33 g/L的盐和水的混合物中冻结，使大块冰的盐度接近8 ppt。图中显示了冰的晶体结构1．尺寸为240 mm × 90 mm × 90 mm的长方形块用带锯切割。然后这些块被磨成两对抛光的平行表面。

2．2.实验装置

数字2展示了实验设置:双剪切配置，中央滑块由盐水冰制成，两侧的铝块坐在底座上。液压负载框架(图中的黑色框架)2)用来创建一个侧面负载(也称为正常负载)，一个液压驱动器提供的负载，以滑动中心块之间的铝。这也称为剪切荷载。瞬时摩擦系数由剪切荷载除以法向荷载的两倍得到(因为法向荷载作用于两个面)。整个负载框架与块坐落在一个环境室，以允许温度控制。

进行了两种类型的实验:“保持时间”和“交错速度”。这些实验让我们了解静摩擦是如何演变的，以及动摩擦是如何随着滑动速度而变化的。总体而言，在不同条件下进行了16次“保持时间”实验，22次“交错速度”实验。

2.2.1。保持时间测试

对于“保持时间”测试，中央冰块以恒定速度移动（5×10^-4女士⁻¹）20 S，穿插在没有移动块的时期。通常，块留下较长的静态，重启运动所需的力越大。在这些实验中，我们研究了持有1 s，10 s，100 s和1000 s的影响。然后将静态摩擦作为在重新推动运动之后发生的更高负载期间的最大测量摩擦。

2.2.2。交错速度测试

中间的冰块以1 × 10的速度滑过铝块^-6女士⁻¹， 1 × 10^-5女士⁻¹， 1 × 10⁻⁴女士⁻¹， 1 × 10⁻³女士⁻¹， 1 × 10⁻²女士⁻¹连续，每个100秒。在滑动处于稳定状态期间(或在粘滑循环期间，下文讨论)，摩擦力是平均的。

两种不同滑动速度和保持时间测试的典型摩擦系列如图所示3.．滑移速度为1 × 10时，粘滑现象明显⁻⁴女士⁻¹在图3(一个)．

总共使用了5个冰块。我们没有观察到结果与块的使用次数之间的相关性。正常/侧负荷施加在试验开始前的短时间内(<10秒)。所有负载和位移在使用前通过外部校准的测压元件和位移传感器以小于100毫秒的间隔记录。

铝块在两侧用两种不同等级的砂纸抛光，以获得两种可控制的粗糙度。“抛光”铝用碳化硅防水电涂砂纸擦洗，粗糙程度为CW-600。“粗糙”铝是用P120粗糙的砂纸手工擦洗的。积木的尺寸为300 × 100 × 100毫米。根据实验所需的条件，将铝块旋转到“粗糙”或“抛光”的一面与中心滑动的冰块接触。在所有的实验中，冰的滑动方向都垂直于柱状冰粒(cf. [10])。

3.结果

我们对两种不同的温度(−2°C和−10°C)和两种不同类型的铝粗糙度进行了保持时间测试和交错速度测试。(时变)摩擦系数计算为剪切载荷除以两倍法向载荷(因为摩擦发生在两个独立的接触面上)。整个侧负载大约为1kn，应用一个可锁定的手动液压泵。在实验过程中，观察到正常负载下降，可能是由于液压油的轻微泄漏。这一下降从未超过10%的原始正常负荷，并在结果中提出。

3．1.保持时间的实验

3.1.1。不同铝粗糙度的影响

数字4对比了在−2°C下保持时间对抛光铝和粗铝的影响。数字5在−10°C下显示相同的对比。图中的标记与图中的标记相同3 (c)．这些线代表数对数最适合，并允许与其他保持时间实验进行比较[6，10］．−2℃时，表面粗糙度对静摩擦系数有明显影响:粗糙表面的静摩擦系数约为光滑表面的两倍。在−10°C，没有观察到这样的差异:行为几乎与铝的粗糙度无关。

3.1.2。不同温度的影响

在图中6和7我们从数字中取出数据4和5来显示温度变化的影响。数字6对比了抛光铝在−10°C和−2°C时的摩擦，从这张图可以清楚地看出，在较低的温度下静摩擦更高。数字7对粗铝也有类似的比较。在这里，温度变化的影响不那么明显，但在较低的温度下静摩擦仍然较高。

在不同类型的粗糙度和温度下，保持时间对静摩擦的影响会发生变化(因此在我们拟合的直线上有不同的斜率)。这种行为可以量化，正如Schulson所描述的[17］．首先，直到某个阈值时期，才观察到增加保持时间的影响．在这个阈值期之后，静摩擦随着保持时间的对数而增加直到达到一定的抗剪强度极限。这可以用关系来描述 在哪里是静摩擦峰值之间的差别吗稳态滑动摩擦。阈值内为0.06 s [17］．在-10°C，对于冰上的冰摩擦[17］．表格1给出了我们实验的等值值。

这些值这告诉我们，在冰-铝滑动时，静摩擦增加的速度比冰-冰滑动时要慢。例如，可以从[6]，在1000秒后静摩擦率上升至1。我们还注意到，尽管摩擦和保持时间之间的对数线性关系是一个有用的近似，但它不一定能描述现实。在这里显示的每一组保持时间结果中，保持10秒后的摩擦平均值低于对数线性最佳拟合线，这表明真实的关系随着保持时间向上(在对数线性空间中)曲线。最后，我们注意到这些结果仅限于1000秒以内的静态保持时间，对于较长的接触时间可能无效。有一个限制是明确的:接触的摩擦强度不能大于冰的剪切强度，否则冰会在剪切而不是摩擦滑动中失败。

3.2。交错速度实验

数据8- - - - - -11如上所述，显示在交错速度实验期间测量的铝上的冰摩擦。粘滑型行为，其中负载循环构建，然后随着冰块移动坍塌，在许多低速中观察到（≤10⁻⁴女士⁻¹）实验。数据点上的垂直条表示与平均值（通常，粘滑循环大致对称绕平均值）的最大粘滑偏差的程度，而主标记表示时间平均力。在更高的速度下，滑动更平滑。

3.2.1之上。不同铝粗糙度的影响

数字8显示了−2℃时冰与粗糙和抛光铝的动态摩擦系数。摩擦力(作为滑动速度的函数)在10左右达到峰值⁻⁴女士⁻¹粗铝较高比在光滑的铝上更高。数字9−10°C下的实验结果相同。同样，摩擦力在10左右最高⁻⁴女士⁻¹，但在这里，铝的粗糙度对滑动摩擦几乎没有影响。

3.2.2。不同温度的影响

在图中10和11我们从数字中取出数据8和9来显示温度变化的影响。我们发现，对于粗糙和光滑的铝，在−10°C时的动摩擦高于−2°C。

4.讨论

上述结果证明了几个一般原则。

冰对铝的摩擦系数约为0.1。这种观察似乎是广泛的。在许多应用中，粗糙度，温度，滑动速度和滑动历史未知，或者需要单个图来覆盖一系列条件。为简单起见，在这种情况下，我们建议．如果较高的摩擦值是更保守的(这可能并不总是如此)，并且需要一个保守的摩擦值，那么选择将包含所有结果。

冰对铝的动摩擦与冰对冰的摩擦在性质上相似。在非常低的速度下，冰摩擦随着速度的增加而增加。在这种情况下，摩擦加热起的作用很小。冰面上的互锁凸体能抵抗滑动，必须剪切或变形。当滑移率增加时，位错对齐的时间减少，因此凸度更强，摩擦也相应增大[17］．在某一速度时，达到摩擦峰值。在这个速度之上，摩擦的能量使冰变暖，使冰变软，可能导致在滑动界面和靠近滑动界面的晶界处产生润滑。在这种状态下，增加滑动速度会导致更多的能量耗散，更多的软化或熔化，从而降低摩擦[6］．这种现象在冰与冰的摩擦中反复被观察到[6- - - - - -8，18，这里我们看到冰与铝的摩擦也有类似的现象。

在我们所有的实验中，我们测量在10的滑动速度下最大的摩擦⁻⁴女士⁻¹，这表明最大摩擦发生在10^-5和10⁻³女士⁻¹．

冰与铝的静摩擦随接触时间的延长而增大。如果界面在正常载荷下停留一段时间，则重新启动运动所需的力随着接触时间的增加而增加。导致这一现象的机制是，随着时间的推移，棱角逐渐变宽，增加了真正的接触面积。真实接触面积的增加导致摩擦增加[10］．

我们的静摩擦结果是量化的参数，它测量摩擦力随接触时间的对数增加的程度(这相当于“保持时间实验”下图表上最佳拟合线的斜率)。在测量冰对冰摩擦的实验中，约为0.3，而已经证明冰与钢的摩擦和冰与PMMA(有机玻璃)的摩擦约为0.1 [19］．我们的测量值我们发现，即使保持1000秒(大约一刻钟)，摩擦力的增加也不到0.1。类似的冰-冰摩擦保持时间导致静摩擦比动摩擦高0.5-1。在我们的实验中，治疗和强化的效果比其他材料的实验要低得多。一种可能的解释是铝，它有很高的热导率(~ 200wm⁻¹K⁻¹，而~20 Wm⁻¹K⁻¹对于钢，~ 2wm⁻¹K⁻¹为冰，约0.2 Wm⁻¹K⁻¹对于PMMA)，它能更快地从滑动界面传导热量，因此在正常载荷下，接触凸体更冷，变形更小。

摩擦在−10°C比−2°C。这也许并不奇怪:在−2℃时，更多的软化发生，更有可能熔化，所以温度越高，摩擦越低。

粗糙的重要性在−2°C比−10°C。在我们的保持时间实验和交错速度实验中，粗糙铝在−2°C时产生的摩擦明显高于抛光铝，但粗糙度在−10°C时影响很小。这可能与软化效应有关。粗糙的材料有更大的棱角(这就是粗糙度的原因)。在接近熔化的温度下，硬材料(铝)中的这些突起压痕软材料(冰)，并造成高真实接触面积，导致更高的摩擦。在较低的温度下，冰的韧性较差，因此压痕可能较低，真实接触面积(和摩擦)受铝的粗糙度影响较小。我们在这里注意到，冰作为较软的材料，被磨损得更快，所以冰的初始粗糙度不太可能影响稳态摩擦[20.］．

临界滑动。临界滑动是测量静摩擦效应的持续时间[21］．从峰值静摩擦到稳态动力学滑动摩擦和临界滑动的摩擦衰减，以及临界滑动限定了摩擦等于动力学摩擦加的点这个范围。这里我们只使用一个滑动速度保持时间实验,所以我们无法确定临界滑动是否更好的表示为时间或距离:平均发生超过1.57毫米或3.36 s,这是在良好的协议与3 s的临界滑动时间报道里斯曼et al。21］．

粘滑运动摩擦。粘滑摩擦经常被观察到，特别是在10⁻⁴女士⁻¹或更少(见图)3.)．粘滑通常被理解为一种系统特性，它取决于执行器系统的刚度[19，22］．当滑块保持静止时，力上升，弹性能量在执行器中积聚。在某些阶段，这些力足以克服静摩擦，导致更低摩擦的动态滑动和驱动器的松弛。这种模式循环重复。以毫米计的速度⁻¹和cms⁻¹我们没有看到粘滑现象，所以粘滑现象似乎更可能出现在控制的实验室实验中，而不是在北极快速移动的滑动中。

5.结论

铝上的冰摩擦与冰上的冰摩擦定性相似：它显示了低速下的防滑速率，其中摩擦变暖可忽略不计，一旦加热导致软化，高速的滑移率弱化冰（也可能增加润滑）。此外，静态摩擦高于动态摩擦，可能是由于静态接触期间粗糙的蠕动。静电摩擦力慢慢增加（即，在铝上的保持时间增加少量增加），而不是在冰上的冰，钢上的冰，或在PMMA上的冰（有机玻璃）。摩擦随温度和较硬材料的粗糙度而变化，如直观模型所预测的。海冰与铝之间观察到粘滑摩擦。这些结果可能会通知实验，其中冰与铝相互作用，也可能对北极设计师和从业者有用。此外，结果表明，铝粗糙度影响摩擦，特别是在接近熔化的温度下：该结果对于在其他金属和相对硬的材料上滑动的冰也可能保持真实。在需要一个号码来代表的情况下，冰对铝的摩擦，我们建议的值为．

相互竞争的利益

两位作者宣称他们没有相互竞争的利益。

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