科研進展
蘭州化物所摩擦學行為調節(jié)研究獲新進展
摩擦過程中，界面電荷的轉移、累積和釋放會直接影響界面的黏附、摩擦及磨損等摩擦學行為。利用摩擦過程中電子轉移與傳遞揭示摩擦磨損本質、監(jiān)測并調控界面摩擦學行為，已成為摩擦學領域新的熱點問題。由于受摩擦副材料的組成與結構性質、界面運動行為、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調控研究帶來極大挑戰(zhàn)。
中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室王道愛研究員團隊，從摩擦學與摩擦電的相互影響關系出發(fā)，設計搭建了二者關聯(lián)的研究試驗平臺。
研究人員通過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(shù)和磨損參數(shù)影響規(guī)律，證實了電荷累積產生的庫侖力會加劇界面的摩擦磨損，通過控制等離子風機的位置調節(jié)界面的靜電累積，實現(xiàn)了界面摩擦系數(shù)的反復調控和逐級調控（圖1）。此外，研究人員還系統(tǒng)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(wěn)定性的增強機制，為寒冷天氣下利用摩擦電信號進行智能摩擦監(jiān)測提供新思路。相關成果發(fā)表在Nano Energy（2022，97，107144；2021，87，106183）上。
圖1. 通過摩擦電荷調控摩擦系數(shù)示意圖
根據(jù)電荷產生與變化機制建立摩擦電調控體系是實現(xiàn)界面摩擦磨損調控的關鍵步驟。研究人員系統(tǒng)研究了等離子體輻照對材料表面成分和微觀結構的作用機制，建立了基于等離子輻照的界面摩擦起電調控體系，通過控制等離子輻照的改性參數(shù)，實現(xiàn)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(tǒng)研究了金屬-半導體摩擦副異質結界面處的摩擦學行為與摩擦起電性能之間的關系，證實了摩擦伏特效應與摩擦學行為之間的強關聯(lián)性，為實現(xiàn)半導體摩擦副界面的耐磨防護從摩擦學角度提供了新的策略（圖2d-f）。相關成果發(fā)表在Nano Energy（2022，102，107691；2022，99，107310）上。
圖2. 根據(jù)摩擦起電調控體系實現(xiàn)界面摩擦學的調控
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(guī)律（圖3）。由于金屬-聚合物摩擦副材料電荷存儲能力的差異，真空度的變化會改變界面擊穿電壓閾值。研究人員通過調控摩擦環(huán)境中的真空度，打破了傳統(tǒng)摩擦過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數(shù)量級。區(qū)別于傳統(tǒng)大型真空密封系統(tǒng)，該器件能將真空環(huán)境的提升效果縮小至放電區(qū)域的有限空間中，具有拆卸方便、價格低廉、普適高效等優(yōu)點。
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和完善摩擦狀態(tài)監(jiān)測手段提供了理論依據(jù)和技術支持。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基金項目、中科院重點研究計劃項目、甘肅省重大科技專項及蘭州化物所“十四五”規(guī)劃重點培育項目等的支持。
