速滑冰刀減阻與高效驅動技術研究

豆照良,劉峰斌,汪家道

（1.北方工業(yè)大學 機械與材料工程學院，北京 100144；2.清華大學 機械工程系 摩擦學國家重點實驗室，北京 100084）

1 引言

近年來，冰上運動特別是奧運會冰上項目在我國的發(fā)展可謂是厚積薄發(fā)、突飛猛進。1980年我國首次參加冬奧會，2002年獲得首枚冬奧會金牌，2010年突破性地獲得了5枚冬奧會金牌且均為滑冰項目。2015年，我國成功獲得了2022年冬奧會的舉辦權。屆時，滑冰項目將設置速度滑冰、短道速滑和花樣滑冰等3個大項共計25個小項的比賽，是北京冬奧會賽事的主要組成部分。

隨著國際競技體育的飛速發(fā)展以及比賽對抗程度的不斷提高，世界各國用于競技體育領域的科研投入也在不斷加大。當代競技體育條件下，參賽運動員的精神狀態(tài)和體能狀態(tài)幾乎都已經達到了極限狀態(tài)，比賽的勝負往往在毫厘之間。僅僅依靠強健的肌肉和良好的競技狀態(tài)已經很難獲勝，運動員越來越多地依靠現(xiàn)代科技取得更好的成績?，F(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)科技實力的一個新窗口［1］?，F(xiàn)代科技已滲透到體育的各個領域，并與體育完美契合，形成了體育科技一體化的新局面［2］。競技性滑冰運動在我國的逐漸興起和不斷成功，也促成了我國科學界及體育界工作者在相關領域研究的不斷深入，并形成了諸多優(yōu)秀的科研成果［3-9］。關成雪［10］等對截至2009年我國冰上運動項目的理論研究成果進行系統(tǒng)分析后指出，在對涉及速度滑冰、花樣滑冰、短道速滑、冰球和冰壺等5類項目的冰上運動研究中，速度滑冰占比超過60%，滑冰項目總占比接近90%?？梢钥闯?，近年來我國在冰上項目中的科研關注點和實際科研投入主要集中在滑冰項目，特別是速度滑冰。進一步的統(tǒng)計結果表明，對于速度滑冰項目的研究，主要涉及教學和運動訓練方面，其占比分別為45.03%和32.67%，而對于滑冰運動主要裝備——冰刀的研究占比不足3%。目前，國內外對于冰刀的研究，主要集中在材料選擇、結構優(yōu)化以及熱處理工藝等方面，而對于冰刀材料表面改性的研究則相對較少，至于成功應用的案例則更是鮮有報道。

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

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。該涂層由于其極強的基底結合力、極高的硬度以及優(yōu)異的摩擦磨損特性等優(yōu)點，已被廣泛用于汽車、航空等領域的刀具和模具表面改性處理，是一項技術成熟度較高且應用廣泛的工業(yè)化表面處理工藝。本文將從滑冰運動的力學特性以及表面特性需求等方面入手，并結合納米金屬陶瓷涂層的機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用于改善冰刀表面特性的有效性和可行性。

2 滑冰技術的動力學特性

2.1 冰刀受力情況分析

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

2.2 蹬冰力與高效驅動

滑冰運動的驅動力，由運動員施加在冰刀上的蹬冰力提供。為了獲得有效蹬冰力實現(xiàn)高效驅動，宏觀上新磨刀刃的兩個側面（側刃面）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 冰刀刃口微觀結構示意圖Figure 2.Microstructure and bite angle of the blade

實際上，從微觀上看，側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，往往不會表現(xiàn)出蹬冰力量明顯減小。但對于中、長距離滑行，由于頂刃面磨損量的增加，將導致刀刃明顯變鈍，即過渡圓角的曲率半徑增大，此時運動員身體傾斜動作的有效支撐能力下降，有效蹬冰力量和驅動效率降低。在速度滑冰和短道速滑等競速類項目中，將表現(xiàn)為蹬冰驅動能力的下降和滑行速度的降低。在花樣滑冰等競技類項目中，將表現(xiàn)為運動員的動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

導致有效蹬冰力和驅動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的機械強度不夠，從而導致在蹬冰和滑行時發(fā)生塑性變形。崩刃是由于刀片基體材料韌性不足，進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現(xiàn)高效驅動，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間耐磨損性能等機械與力學性能。

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。對于冰刀和冰面之間極低的摩擦系數(shù)，學者們普遍認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

對于冰層表面的這層水潤滑膜，早在1850年英國科學家法拉第就曾預言過它的存在，但受限于當時的科技條件，并未能實際探測到。20世紀80年代新西蘭學者畢哥萊赫運用橢偏儀測量到了冰表面的這層水膜的存在。隨著技術的發(fā)展，越來越多的科學家采用不同的方式證實了法拉第預言的正確性［13］。對于水潤滑膜的形成機制，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致冰層融化而產生的水膜。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后也發(fā)現(xiàn)，在正常條件下冰層不會因為滑行時的壓強而融化［13］，這與過去的假設有較大的不同。

2.3.2 摩擦生熱

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

2.3.3 表面融化

20世紀70年代，有學者提出了“表面融化”理論，認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，水膜厚度極小，因而摩擦系數(shù)很大。

對于壓力融化、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鍵。除此之外，冰面摩擦阻力還與環(huán)境溫度、相對濕度、滑行速度、冰面狀態(tài)、冰刀機械特性以及表面特性等因素有關［17］。對于特定的競技比賽環(huán)境，環(huán)境溫度、相對濕度、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；而真正能夠對冰面摩擦學特性施加影響的可變因素就是冰刀自身的機械及表面特性等，這也是科研人員對于改善冰刀工作狀態(tài)和服役性能的基本出發(fā)點。

3 冰刀制作工藝特征與真空物理鍍膜技術應用

基于對冰刀驅動效率、失效形式以及冰面摩擦學特性的分析可以看出，改善冰刀服役特性的主要技術手段應為:（1）強化冰刀機械特性，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動效率；（2）改善冰刀表面特性，通過減小表面粗糙度、降低導熱系數(shù)以強化摩擦生熱等方式，降低冰刀與冰面之間的摩擦系數(shù)。為此，國內外研究人員從冰刀材料、結構優(yōu)化以及表面處理工藝等不同方面著手，對冰刀服役性能進行了優(yōu)化。

3.1 冰刀制造工藝現(xiàn)狀

3.1.1 冰刀材質

歷史上最初的冰刀是用獸骨制成的，13世紀時出現(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?，F(xiàn)階段國內外普遍使用的冰刀材質是不銹鋼如 3Cr13［18］、S316和 65Mn［19］等，材料硬度HRC通常為56～60。

3.1.2 結構優(yōu)化

通過刃口弧度設計或刃磨等手段，優(yōu)化頂刃面弧度或提高刃口鋒利度。此外，也有學者另辟蹊徑，提出了雙金屬刀片冰刀［20］和潤滑冰刀［21］的設想，但由于結構復雜等原因，均未實現(xiàn)工程化應用。

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，由于其對基體材質的熱處理溫度較低（通常低于400℃）、硬度和耐磨性能等提高顯著等特點，正逐漸引起人們的重視。但相關工作也僅限于理論設想［22］或專利申請［23］階段，并未有進一步的研究進展，更未有實際的技術應用見諸報端。

3.2 真空物理鍍膜

3.2.1 技術原理與工藝過程

采用物理氣相沉積的方法，可以實現(xiàn)超硬耐磨納米金屬陶瓷涂層的制備，其基本的技術原理是: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)物質與反應氣體都發(fā)生電離，利用外加偏壓電場的加速作用，使被蒸發(fā)物質及其反應產物沉積在工件上形成納米金屬陶瓷涂層，技術原理如圖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化等方式進行真空物理鍍膜，制備納米金屬陶瓷涂層）。

3.2.2 技術特點與應用

采用真空物理鍍膜技術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、導熱率低以及附著力強等特點，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）及氮鉻鋁復合涂層（CrAlN）等。圖6所示為硬質合金鋼基體材質上制備的氮化鋁鈦（TiAlN）涂層的顯微結構圖，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 硬質合金鋼基體上的TiAlN涂層顯微結構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、航空等領域，用于改善金屬及復合材料等加工過程中所用刀具及模具的機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 真空物理鍍膜技術遷移

3.3.1 冰刀減阻

基于上文中對于冰刀和冰面之間水基潤滑作用機理的分析可以看出，冰面低摩擦系數(shù)的關鍵是水基潤滑膜的構建，即必須在冰刀與冰面之間制造出適當厚度的水潤滑膜。在速度滑冰的高速動態(tài)過程中，壓力融化和低溫融化對水膜形成的貢獻很??；較為可行的技術方案是通過在冰刀表面制備出具有低導熱系數(shù)的納米金屬陶瓷涂層以強化摩擦生熱，進而保證在高速滑行過程中冰刀和冰面之間具有足以實現(xiàn)水基潤滑的水潤滑膜，最終實現(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，具有更低的導熱系數(shù)，如3Cr13的常溫導熱系數(shù)為24.6W/m·K，而TiAlN涂層的導熱系數(shù)僅為10W/m·K。更低的導熱系數(shù)意味著更多的摩擦熱不會通過冰刀傳遞出去，而是會駐留在冰刀與冰面之間用于構建水潤滑膜，進而有效降低了冰刀滑行的界面摩擦阻力。

3.3.2 高效驅動

在滑冰過程中，驅動力是由運動員施加在冰刀上的蹬冰力提供的。為了實現(xiàn)高效驅動，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作以及在整個規(guī)定賽程的滑行過程中，不會出現(xiàn)因冰刀機械剛度不足而導致的刃口卷刃，或因冰刀材質韌性不夠而導致的崩刃，或因冰刀材料耐磨性能不佳而導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)生產時的設計初衷，是為了滿足對金屬或復合材料等進行高速、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，且不會降低冰刀的韌性。表1所示為用于制造冰刀的不銹鋼材質與納米金屬陶瓷涂層的硬度對比。

表1 冰刀的不銹鋼基材與納米金屬陶瓷涂層的硬度對比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構示意Figure 8.Diagram of skate blade enhanced with PVD coating

4 結語

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

滑冰運動的驅動力是由運動員施加在冰刀上的蹬冰力提供的。為了實現(xiàn)高效驅動，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可用于改善冰刀的材料特性，有利于實現(xiàn)高效驅動。