冰為什麼不能做固體潤滑劑？

01-06

固體潤滑的定義是：

能保護相對運動表面免於損傷並減少其摩擦與磨損而使用的任何固體粉末或薄膜。在固體潤滑過程中，固體潤滑劑和周圍介質要與摩擦表面發生物理、化學反應生成固體潤滑膜,降低摩擦磨損。

對固體潤滑劑的基本性能有以下要求：

(1) 能與摩擦表面牢固地附著,有保護表面功能
(2) 具有較低的抗剪強度
(3) 穩定性好,包括物理熱穩定,化學熱穩定,時效穩定和不產生腐蝕及其他有害的作用

(4) 要求固體潤滑劑有較高的承載能力

固體潤滑劑一般可分為以下幾類：

(1) 層狀晶體結構固體潤滑劑（易於劈開的化合物或具有減摩作用的單體物質）按結合形式，結晶體系和成分可分為：硫化物、硒化物、碲化物、氟化物、鹵化物、單質(石墨等)、氮化物、氧化物、有機物等
(2) 非層狀無機物可分為：硫化物、碲化物、氟化物、陶瓷和超硬合金
(3) 軟金屬薄膜如Au、Ag、In、Ca、Cd、Pb、Sn及其合金
(4) 高分子材料如聚四氟乙烯、聚縮醛、尼龍、聚醯胺、聚醯亞胺、環氧樹脂、酚醛樹脂、硅樹脂等
(5) 化學生成膜如磷酸鹽膜
(6) 化學合成膜如在鍍鉬的金屬表面通以硫蒸氣，生成MoS2膜等

固體潤滑劑的使用方法有以下幾種:

(1) 作成整體零部件使用某些工程塑料如聚四氟乙烯、聚甲醛、聚縮醛、聚醯胺、聚碳酸脂、聚碸、聚醯亞胺、氯化聚醚、聚苯硫醚和聚對苯二甲酸酯等的摩擦係數較低，成形加工性和化學穩定性好、電絕緣性優良、抗衝擊能力強，可以製成整體零部件，若採用玻璃纖維、石墨纖維、金屬纖維、硼纖維等對這些塑料增強，綜合性能更好。使用得較多的有齒輪、軸承、導軌、凸輪、滾動軸承保持架等。石墨電刷、電接點、寶石軸承、刀刃支承等則是使用一定特性的材料直接製成零部件來使用的例子。
(2) 作成各種覆蓋膜來使用通過不同方法將固體潤滑劑覆蓋在運動副摩擦表面上，使之成為具有一定自潤滑性能的干膜，這是較常用的方法之一。成膜的方法很多，各種固體潤滑劑可通過濺射、電泳沉積,等離子噴鍍、離子鍍、電鍍、化學生成、浸漬、粘結劑粘結、擠壓、滾塗等方法來成膜。
(3) 製成複合或組合材料來使用所謂複合(組合)材料，是指由兩種或兩種以上的材料組合或複合起來使用的材料系統。這些材料的物理,化學性質以及形狀都是不同的，而且是互不可溶的。組合或複合的最終目的是要獲得一種性能更優越的新材料，一般都稱為複合材料。目前用得最廣的有稱為"金屬塑料"的複合材料(國外牌號有DU材料)以及表面帶自潤滑層的聚縮醛DX材料。
(4) 作為固體潤滑粉末來使用將固體潤滑粉末(如MoS2)以適量添加到潤滑油或潤滑脂中，可提高潤滑油脂的承載能力及改善邊界潤滑狀態等，這也是較常用的使用方法，如MoS2油劑、MoS2油膏、MoS2潤滑脂及MoS2水劑等。以粒度小於0.5m的固體潤滑劑加到發動機潤滑油中，這些小顆粒能通過濾器進到摩擦面，當摩擦面因某種原因暫時缺油時,固體潤滑劑的小顆粒起潤滑作用,起到短時間應急的作用。

引自：http://www.licp.cas.cn/kxcb/kpwz/200910/t20091009_2541843.html

關於@金晨羽所述的premelting，據稱在冰川移動上面也有此種說法，不過需要指出的是，固體潤滑劑要求的基本幾點，因為固體潤滑劑不是用來滑雪的，所以說，不是所有很滑的固體都能用來做固體潤滑劑，他是用來保證工作部件持續有效工作的，這種情況下，冰並不能滿足要求。僅僅運動部件的摩擦，就能導致冰的融化，然後就是固體潤滑劑保護的結構直接參与摩擦，導致該受損。

「冰為什麼滑「這個問題@匿名用戶(據說署名紅桃4君) 說的差不多了，我是來講故事的。

這是一個關於一代代科學家前仆後繼的探討「冰為什麼滑」的故事。故事很長，小板凳準備好。

從遠古時代，人類就很開心的發現：冰是滑的，在冬天可以不費力的到很遠的地方去。可是，有時候情況又變了。比如1925年Donald MacMillan在阿拉斯加抱怨，零下36度下，雪橇在雪上根本跑不動，簡直像在沙地上。

嗯，第一個變數一定是溫度。還有什麼？雪橇在冰/雪上，肯定有壓強！1842年法拉第在日記里寫：雪捏一捏就變成了一團。（我不知道他有沒有繼續記錄這一團雪砸人的效果）1849年，James Thomson發現冰的密度小於水，於是預測加壓會使冰更容易融化。他弟弟William(開爾文男爵)用老哥的理論解釋了法拉第的實驗，並長期佔據教科書。

可是早在1887年，就有個John Joly說，不對吧，我的計算結果顯示，如果是壓強的原因，零下幾度雪地就得像沙地。可憐的他被編教科書的混蛋們無視了。

真實的原因是表面熔化（預熔, Premelting / Surface melting）和摩擦熔化(frictional melting)。

Premelting: http://en.wikipedia.org/wiki/Premelting。簡言之就是絕大部分固體在熔點以下，由於表面能影響，表面會覆蓋一薄層液體。這個詞如今已經快發展成一個分支學科了。理論我跳過了，單表實驗結果。橢圓偏振儀，X射線掠射散射，核磁共振，反射式顯微鏡齊上陣，顯微鏡說零下一兩度液體膜厚度就只有1nm了，X射線說零下10度還有4nm厚的液體膜......不過當有雜質存在時，表面熔化會顯著增加。

只有Premelting是不夠的，比如這個數據，1992年De Koning測得，零下17度速滑過程中，摩擦係數可以小至0.005；而2000年Bluhm等人用原子力顯微鏡測得，零下24度冰之間的摩擦係數高達0.6。其實1939年就有人想到了：摩擦生熱！可是一直到最近科學家們還在研究，結論是在很大的溫度範圍、滑行速度範圍內，用各種材料測試，摩擦都是關鍵因素。還有一些結論，比如雪的情況跟更複雜，雖然整體溫度很低但是局部已經達到熔點blabla.

結論：科學家們都是些閑得蛋疼的傢伙們，總是用複雜的理論和複雜的實驗來研究最簡單的現象，什麼「為什麼油水不相容」啦，什麼「肥皂泡為什麼會破」啦，什麼「冰為什麼滑」啦......

最後附贈一個笑話給看完這篇東西的同志們，二戰中，被德國潛艇打得頭破血流的英國人找到了一個「大膽」的想法：用冰造一艘不會沉沒的航母[2]。他們採用了堅固、熔化慢的新材料Pykrete，即木屑混紙漿，加水凍成冰[3]。開始看上去不錯，但是後來遇到了問題：造出來的東西沒法保持形狀，即使在零下25度下，也會在重力作用下變形。最終海軍部意識到，即使在紐芬蘭這樣天寒地凍的地方，用來加固和製造降溫設備的鋼材也足夠用來造同樣大小的一艘鋼航母了。

當然不成功的原因我們都知道：premelting。

[1] J. G. Dash, A. M. Rempel, and J. S. Wettlaufer, 「The Physics of Premelted Ice and its Geophysical Consequences,」 Rev. Mod. Phys., 78, 695–741 (2006).

http://rmp.aps.org/abstract/RMP/v78/i3/p695_1

[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Project_Habakkuk

[3] http://en.wikipedia.org/wiki/Pykrete

-----回來一看居然被頂到最高，我這個只是講故事的，嚴重跑題的阿，樓下@趙世奇的答案是正經。

滑冰的時候，刀刃與冰面接觸，由於冰面上總有一個薄薄的水層，可以快速滑行。

唯獨冰的熔點和常溫差距較小,表面液體層也較厚:0度時的液體膜厚度高達40nm,-20e時厚10nm。但負35度時,液體膜厚度僅有0.5nm。因此在氣溫太低的環境中溜冰時,由於液體膜太薄,摩擦力大增;在極低溫度下,具有潤滑功能的液體膜則幾乎消失,冰表面的光滑特性也不復存在、原來,即便環境溫度在0度以下,冰表面依然存在一層很薄的液體膜,填充於冰刀和冰面之間,使其間的摩擦係數變得非常小,溜冰運動員就能在冰面上輕鬆、自由地高速滑行。

引用自：http://phys.cersp.com/JCJF/sGz/ZJXKT/200808/6281_2.html

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我覺得正常溫度下冰沒法存在啊剛一與物體摩擦下生點熱冰就化了

使用溫度、強度、分子作用力都有問題！無法有效潤滑