科研進(jìn)展
蘭州化物所摩擦學(xué)行為調節研究獲新進(jìn)展
摩擦過(guò)程中，界面電荷的轉移、累積和釋放會(huì )直接影響界面的黏附、摩擦及磨損等摩擦學(xué)行為。利用摩擦過(guò)程中電子轉移與傳遞揭示摩擦磨損本質(zhì)、監測并調控界面摩擦學(xué)行為，已成為摩擦學(xué)領(lǐng)域新的熱點(diǎn)問(wèn)題。由于受摩擦副材料的組成與結構性質(zhì)、界面運動(dòng)行為、環(huán)境等因素的制約，界面摩擦起電的機理與制約因素十分復雜，為摩擦起電機理及摩擦學(xué)調控研究帶來(lái)極大挑戰。
中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤滑國家重點(diǎn)實(shí)驗室王道愛(ài)研究員團隊，從摩擦學(xué)與摩擦電的相互影響關(guān)系出發(fā)，設計搭建了二者關(guān)聯(lián)的研究試驗平臺。
研究人員通過(guò)構建不同電荷消散的摩擦副界面，揭示了摩擦副界面的電荷累積對摩擦系數和磨損參數影響規律，證實(shí)了電荷累積產(chǎn)生的庫侖力會(huì )加劇界面的摩擦磨損，通過(guò)控制等離子風(fēng)機的位置調節界面的靜電累積，實(shí)現了界面摩擦系數的反復調控和逐級調控（圖1）。此外，研究人員還系統研究了冰摩擦下的摩擦起電機制，初步探究了冰摩擦副從超潤滑狀態(tài)到普通潤滑狀態(tài)下摩擦起電的演化機制，揭示了超潤滑狀態(tài)下摩擦起電穩定性的增強機制，為寒冷天氣下利用摩擦電信號進(jìn)行智能摩擦監測提供新思路。相關(guān)成果發(fā)表在Nano Energy（2022，97，107144；2021，87，106183）上。
圖1. 通過(guò)摩擦電荷調控摩擦系數示意圖
根據電荷產(chǎn)生與變化機制建立摩擦電調控體系是實(shí)現界面摩擦磨損調控的關(guān)鍵步驟。研究人員系統研究了等離子體輻照對材料表面成分和微觀(guān)結構的作用機制，建立了基于等離子輻照的界面摩擦起電調控體系，通過(guò)控制等離子輻照的改性參數，實(shí)現了不同需求下摩擦副界面摩擦磨損的調控（圖2a-c）。研究人員還系統研究了金屬-半導體摩擦副異質(zhì)結界面處的摩擦學(xué)行為與摩擦起電性能之間的關(guān)系，證實(shí)了摩擦伏特效應與摩擦學(xué)行為之間的強關(guān)聯(lián)性，為實(shí)現半導體摩擦副界面的耐磨防護從摩擦學(xué)角度提供了新的策略（圖2d-f）。相關(guān)成果發(fā)表在Nano Energy（2022，102，107691；2022，99，107310）上。
圖2. 根據摩擦起電調控體系實(shí)現界面摩擦學(xué)的調控
近日，研究人員基于摩擦起電與擊穿放電的耦合效應，探究了真空環(huán)境對界面摩擦起電的影響與規律（圖3）。由于金屬-聚合物摩擦副材料電荷存儲能力的差異，真空度的變化會(huì )改變界面擊穿電壓閾值。研究人員通過(guò)調控摩擦環(huán)境中的真空度，打破了傳統摩擦過(guò)程中高輸出阻抗和低電流密度的限制，使界面摩擦電輸出提高了三個(gè)數量級。區別于傳統大型真空密封系統，該器件能將真空環(huán)境的提升效果縮小至放電區域的有限空間中，具有拆卸方便、價(jià)格低廉、普適高效等優(yōu)點(diǎn)。
該研究為豐富空間摩擦起電的理論框架、發(fā)展真空摩擦副界面的靜電防護技術(shù)和完善摩擦狀態(tài)監測手段提供了理論依據和技術(shù)支持。該工作以“Vacuum discharge triboelectric nanogenerator with ultrahigh current density”為題發(fā)表在Cell Reports Physical Science（https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2023.101320）上，蘭州化物所駱寧博士為論文第一作者，王道愛(ài)研究員為通訊作者。
圖3. 真空摩擦副界面摩擦起電機制研究
以上工作得到了國家自然科學(xué)基金項目、中科院重點(diǎn)研究計劃項目、甘肅省重大科技專(zhuān)項及蘭州化物所“十四五”規劃重點(diǎn)培育項目等的支持。
