科研進(jìn)展
蘭州化物所摩擦學(xué)行為調(diào)節(jié)研究獲新進(jìn)展
摩擦過程中，界面電荷的轉(zhuǎn)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。利用摩擦過程中電子轉(zhuǎn)移與傳遞揭示摩擦磨損本質(zhì)、監(jiān)測并調(diào)控界面摩擦學(xué)行為，已成為摩擦學(xué)領(lǐng)域新的熱點(diǎn)問題。由于受摩擦副材料的組成與結(jié)構(gòu)性質(zhì)、界面運(yùn)動(dòng)行為、環(huán)境等因素的制約，界面摩擦起電的機(jī)理與制約因素十分復(fù)雜，為摩擦起電機(jī)理及摩擦學(xué)調(diào)控研究帶來極大挑戰(zhàn)。
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(yàn)室王道愛研究員團(tuán)隊(duì)，從摩擦學(xué)與摩擦電的相互影響關(guān)系出發(fā)，設(shè)計(jì)搭建了二者關(guān)聯(lián)的研究試驗(yàn)平臺(tái)。
研究人員通過構(gòu)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(duì)摩擦系數(shù)和磨損參數(shù)影響規(guī)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，通過控制等離子風(fēng)機(jī)的位置調(diào)節(jié)界面的靜電累積，實(shí)現(xiàn)了界面摩擦系數(shù)的反復(fù)調(diào)控和逐級(jí)調(diào)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(jī)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(jī)制，揭示了超潤滑狀態(tài)下摩擦起電穩(wěn)定性的增強(qiáng)機(jī)制，為寒冷天氣下利用摩擦電信號(hào)進(jìn)行智能摩擦監(jiān)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. 通過摩擦電荷調(diào)控摩擦系數(shù)示意圖
根據(jù)電荷產(chǎn)生與變化機(jī)制建立摩擦電調(diào)控體系是實(shí)現(xiàn)界面摩擦磨損調(diào)控的關(guān)鍵步驟。研究人員系統(tǒng)研究了等離子體輻照對(duì)材料表面成分和微觀結(jié)構(gòu)的作用機(jī)制，建立了基于等離子輻照的界面摩擦起電調(diào)控體系，通過控制等離子輻照的改性參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了不同需求下摩擦副界面摩擦磨損的調(diào)控（圖2a-c）。研究人員還系統(tǒng)研究了金屬-半導(dǎo)體摩擦副異質(zhì)結(jié)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(yīng)與摩擦學(xué)行為之間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，為實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體摩擦副界面的耐磨防護(hù)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(jù)摩擦起電調(diào)控體系實(shí)現(xiàn)界面摩擦學(xué)的調(diào)控
近日，研究人員基于摩擦起電與擊穿放電的耦合效應(yīng)，探究了真空環(huán)境對(duì)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(chǔ)能力的差異，真空度的變化會(huì)改變界面擊穿電壓閾值。研究人員通過調(diào)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(gè)數(shù)量級(jí)。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(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(hù)技術(shù)和完善摩擦狀態(tài)監(jiān)測手段提供了理論依據(jù)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，王道愛研究員為通訊作者。
圖3. 真空摩擦副界面摩擦起電機(jī)制研究
以上工作得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中科院重點(diǎn)研究計(jì)劃項(xiàng)目、甘肅省重大科技專項(xiàng)及蘭州化物所“十四五”規(guī)劃重點(diǎn)培育項(xiàng)目等的支持。
