VÝSLEDKY A DISKUSE

Obrázek 1A ilustruje, že příspěvek od tribocharging je poměrně značný, a to zejména pro stroje s izolační části; jednoduchý rotor s polymerní nože běží na jiné polymerní povrch může zahřívat nebo dokonce přestat pracovat, protože se zvyšuje tření, a to prostřednictvím zvýšené nabíjení a elektrostatické adhezi mezi dvěma povrchy. V ostrém kontrastu, kdy poplatky jsou odstraněny pomocí korónového výboje zbraní, lokální vytápění a pohlcování energie jsou sníženy, a spotřeba energie je snížena o ca. 66% (obr. 1B).

kvantifikovat kontaktní nabíjení, současné tření, a úspory energie se očekává, že na starosti odstranění, použili jsme „učebnice“ nastavení, ve kterém solidní válec ve tvaru objekt je umístěn v horní části nakloněné roviny a nechá se klouzat volně ke dnu, po této době tělo je přesunuta zpět do výchozí polohy a další posuvné cykly se opakují. Válcový kus dřeva s polyethylentereftalátovou (PET) filmovou základnou klouže na celulózu (jak je znázorněno na obr. 2; viz také film S2), v procesu získávání tribocharges kvantifikovaných na obr. 2B pro různé počty posuvných cyklů (podrobnosti o měření náboje viz doplňkové materiály). Rozsah obvinění a posuvné krát zvýší z běhu spustit, na 19 z kopce klouzat, a posuvné době čtyřnásobně v porovnání s prvním spuštění. V související demonstraci, pro ilustraci zvýšení koeficientu tření, se úhel sklonu, při kterém začíná klouzání, také zvyšuje s po sobě jdoucími běhy(obr. 2C). Nicméně, když tribocharges na kluzné plochy, které jsou odstraněny pomocí Zerostat korónového výboje zbraň, oba posuvné času a „θ offset“ vrátit na původní hodnoty během první posuvné (Obr. 2, B A C).

S těmito názornými příklady, které jsme pak použili friction tester (Hanatek Advanced Friction Tester) zaznamenat CoF(S) a CoF(D) párů různých běžně používaných polymerů (viz Doplňující Materiály pro další experimentální údaje) pro opakované horizontální posuvné cyklů. Poplatky na posuvných kusech byly také zaznamenány po každém běhu. Jak jsme očekávali, hustota tribocharge i COF(D) se během po sobě jdoucích běhů zvýšily (obr. 3A), se vzájemným vztahem mezi těmito veličinami kvantifikovanými na obr. S1 a S2. Bereme na vědomí, že studijní materiál převodu mezi dvě kluzné plochy, doprovodná tribocharging (25) může také ovlivnit naměřené CoF(D) (obr. Galaxie). Dále jsme testovali různé metody pohlcovat tribocharges rozvíjet, a to sice, opláchnutí kontaktní plochy s rozpouštědlem, corona vypouštění, nebo zakrytí zadní strany jednoho nebo obou materiálů, s vrstvou z vodivého materiálu uzemněného přes drát (Obr. 3). Pro všechny tyto přístupy a pro všechny vypouštěné páry polymerů se tření při opakovaných kluzných jízdách významně nezvyšovalo. Údaje pro reprezentativní PTFE klouzání po celulóze jsou znázorněny na obr. 3 písm. C až E). Po uzemnění kovovou podložkou (obr. 3D, červené tečky), CoF(D) během 35. posuvného cyklu byl pouze o 9% vyšší než během prvního běhu (obr. 3e, červené tečky), ve srovnání s více než 50% zvýšením, když polymer není uzemněn (obr. 3E, černé tečky). Zde si všimneme, že, pro praktické použití, uzemnění může být nejekonomičtější a technicky nejjednodušší metodou; nicméně, jsme zjistili, že korónového výboje metoda je nejlepší způsob, jak udržet koeficienty tření na minimum, a že ethanol-oplachování metoda je nejlepší metoda, aby se zabránilo opotřebení, pravděpodobně proto, že tato metoda také odstraňuje nečistoty vznikají během posuvné (obr. S4). Zejména, ačkoli nedochází k podstatné změně krystalinity polymerů (obr. S5) s nebo bez odstranění tribocharge jsme zjistili pokles rozsahu tribochemických změn (např., oxidaci a fluorace) s kontinuální odstranění tribocharges na posuvné, v porovnání s případy, kdy obvinění bylo umožněno, aby se hromadí na polymerní povrchy (obr. S6).

doposud jsme ukázali některé metody řízení přímého tření pomocí rozptylu tribocharge. Tribocharging (a tím i tření) lze také řídit manipulací s vnějšími faktory, jako je atmosféra a vlhkost (29-31). Stručně ukážeme vliv těchto vnějších faktorů na tribocharging a tření na obr. S7 a S8. V samostatné sadě experimentů také ukazujeme vliv polarity čistého náboje (32) na CoF(D) (obr. S9 a S10).

jak jsme již uvedli, nejdůležitější důsledky této práce jsou v různých typech mechanických systémů s izolačními částmi. Poskytnout jednoduchý demonstrační snížení tření v takovém systému, jsme sledováni otáčení kuličkové ložisko s plastovým kroužkem a skleněné koule s a bez kontinuální vybíjení, jak je ukázáno na Obr. 4A. Bez jakékoli plnění, na 200 ot / min, odolnost kroužku proti otočení, který je měřen pomocí připojené zatížení buňky, zvyšuje se doba rotace (Obr. 4B; podrobnosti viz obr. S11). Ukázali jsme, že i jeden „výstřel“ korónového výboje zbraň okamžitě snižuje tření síla od 0.0125 na 0.0060 N na nepřetržitý provoz ložiska (Obr. 4B).

Tření-zahájeno nosit v polymerní kontaktů může být také snížena o eliminaci kontaktu poplatky: Je-li získaná hustota náboje na tlusté (0,5 cm) kus polyvinylchloridu (PVC; 2,5 cm x 2,5 cm), které opakovaně sklouzl na celulóza (20 cm × 25 cm, θ = 20° c) je udržována pod -0.2 nC/cm2 kontinuálním corona vypouštění posuvné letadlo, po 35 běží opotřebení u PVC povrch je snížena v porovnání s případem, ve kterém stejný kus je dovoleno slide 35 běží bez jakékoli vypouštění (ca. 100 opotřebení linek na stejné ploše) (obr. 4, C až F).

Poslední, ukázat, jak odstranění tribocharges může nakonec minimalizaci tření-související spotřeba energie v zařízení, vytvořili jsme jednoduchý, ale názorný systém: My připojen 0.2 mm-silný PSU nože na hřídeli STEJNOSMĚRNÉHO elektromotoru (viz Doplňující Materiály pro další experimentální údaje). Když PSU čepele je dovoleno přijít do styku s plochou celulóza povrch, tento kontakt a rotační posuvné rychle vytváří tribocharges na obou polymerních povrchů (Obr. 4G a film S1). Během normálního provozu (ve které jsou poplatky dovoleno hromadit na PSU lopatky a na povrchu celulózy), proud odebíraný STEJNOSMĚRNÝ elektrický motor zvyšuje (v tomto příkladu je znázorněno v filmu S1, od 83 do 220 mA), motor spotřebuje asi 440 mW, a,, protože zvýšené tribocharges a tření mezi povrchy, rotace se zastaví (Obr. 4H). V tomto okamžiku, pokud byly kontaktní plochy korony vybité, operace pokračuje s nižší spotřebou energie (83 mA, 166 mW, asi jedna třetina hodnoty měřené pro motorový systém“ tribocharged“). Minimalizované tření a spotřebu energie lze také vizualizovat pomocí tepelných obrazů motoru pracujícího při nepřetržitém vybíjení (obr. 4, I A J).