resultater og diskussion

figur 1a illustrerer, at bidraget fra triboladning er ret betydeligt, især for maskiner med isolatordele; en simpel rotor med polymerblade, der kører på en anden polymeroverflade, kan varme op eller endda stoppe driften på grund af stigende friktion gennem øget opladning og elektrostatisk vedhæftning mellem de to overflader. I skarp kontrast, når ladningerne fjernes ved hjælp af en koronaudladningspistol, reduceres den lokale opvarmning og energiafledning, og energiforbruget sænkes med ca. 66% (Fig. 1B).

for at kvantificere kontaktopladning, samtidig friktion og de forventede strømbesparelser ved fjernelse af opladning brugte vi en “lærebog”-opsætning, hvor en solid cylinderformet genstand placeres øverst på et skråt plan og får lov til at glide frit mod bunden, hvorefter kroppen flyttes tilbage til startpositionen, og flere glidecyklusser gentages. Et cylindrisk træstykke med en polyethylenterephthalat (PET) filmbase glider på cellulose (som vist i Fig. 2A; se også film S2), i processen med at erhverve tribolader kvantificeret i Fig. 2B for forskellige antal glidecyklusser (se de supplerende materialer for detaljer om lademålinger). Både størrelsen af ladninger og glidetiderne stiger fra løb til løb, på det 19.ned ad bakke, og glidetiden firdobles sammenlignet med det første løb. I en beslægtet demonstration, for at illustrere stigningen i friktionskoefficienten , øges hældningsvinklen, ved hvilken glidning begynder, også med på hinanden følgende kørsler (Fig. 2C). Når triboladningerne på glidefladerne imidlertid elimineres af en Nulstat corona-udladningspistol, vender både glidetiden og “prisT offset” tilbage til deres oprindelige værdier under den første glidning (Fig. 2, B og C).

Med disse illustrative eksempler brugte vi derefter en friktionstester (Hanatek Advanced Friction Tester) til at registrere CoF(S) og CoF(D) af par af forskellige almindeligt anvendte polymerer (se de supplerende materialer til yderligere eksperimentelle detaljer) til gentagne vandrette glidecyklusser. Afgifter på glidestykkerne blev også registreret efter hvert løb. Som vi forventede, steg både tribocharge density og CoF(D) under på hinanden følgende kørsler (Fig. 3A), med det gensidige forhold mellem disse mængder kvantificeret i fig. S1 og S2. Vi bemærker, at graden af materialeoverførsel mellem de to glideflader, der ledsager triboladning (25), også kan påvirke den målte CoF(d) (fig. S3). Dernæst testede vi forskellige metoder til at sprede de udviklede tribolader, nemlig skylning af kontaktfladerne med et opløsningsmiddel, koronaudladning eller dækning af bagsiden af et eller begge materialer med et lag af et ledende materiale jordet gennem en ledning (Fig. 3). For alle disse tilgange og for alle de udledte polymerpar steg friktionen ikke signifikant ved gentagne glidekørsler. Data for en repræsentativ PTFE-glidning på cellulose er vist i Fig. 3 (C til E). Ved jordforbindelse med metalunderlag (Fig. 3D, røde prikker) var CoF (D) under den 35.glidecyklus kun 9% højere end under den første kørsel (Fig. 3e, røde prikker), sammenlignet med en stigning på mere end 50%, når polymeren ikke er jordet (Fig. 3e, sorte prikker). Vi bemærker her, at, til praktiske anvendelser, jordforbindelse kan være den mest økonomiske og teknisk ligetil metode; vi fandt imidlertid, at koronaudladningsmetoden er den bedste metode til at holde friktionskoefficienterne på et minimum, og at ethanolskyllemetoden er den bedste metode til at forhindre slid, formodentlig fordi denne metode også fjerner det affald, der dannes under glidning (fig. S4). Især, selv om der ikke er nogen væsentlig ændring i krystalliniteten af polymerer (fig. S5) med eller uden fjernelse af tribocharge opdagede vi et fald i omfanget af tribokemiske ændringer (f. eks. fjernelse af tribolader ved glidning i sammenligning med de tilfælde, hvor ladningerne fik lov til at akkumulere på polymeroverfladerne (fig. S6).

indtil videre viste vi nogle af de direkte friktionsstyringsmetoder via tribocharge dissipation. Triboladning (og dermed friktion) kan også styres ved at manipulere eksterne faktorer som atmosfære og fugtighed (29-31). Vi viser kort effekten af disse eksterne faktorer på triboladning og friktion i figner. S7 og S8. Vi viser også effekten af nettoladningspolaritet(32) på CoF (D) i et separat sæt eksperimenter (fig. S9 og S10).

som vi sagde før, er de vigtigste følger af dette arbejde i de forskellige typer mekaniske systemer med isolerende dele. For at tilvejebringe en simpel demonstration af reducerende friktion i et sådant system overvågede vi rotationen af et kugleleje med en plastring og glaskugler med og uden en kontinuerlig afladning, som vist i Fig. 4A.uden afladning ved 200 o / min øges modstanden af ringen mod rotation, som måles af en fastgjort belastningscelle, med rotationstiden (Fig. 4B; for detaljer, se fig. S11). Vi viste, at selv et enkelt “skud” af en koronaudladningspistol øjeblikkeligt reducerer friktionskraften fra 0,0125 til 0,0060 N ved kontinuerlig drift af lejet (Fig. 4B).

Friktionsinitieret slid i polymere kontakter kan også reduceres ved eliminering af kontaktafgifter: Hvis den erhvervede ladningstæthed på et tykt (0,5 cm) stykke polyvinylchlorid (PVC; 2,5 cm liter 2,5 cm), der gentagne gange gled på cellulose (20 cm liter 25 cm, liter = 20 liter) holdes under -0,2 nC/cm2 ved kontinuerlig koronaudladning af glideplanet, reduceres sliddet på PVC-overfladen efter 35 kørsler i forhold til det tilfælde, hvor det samme stykke får lov til at glide i 35 kørsler uden nogen udladning (ca. 100 slidlinjer på samme område) (Fig. 4, C til F).

Sidst, for at vise, hvordan fjernelse af tribolader i sidste ende kan minimere det friktionsrelaterede energiforbrug i en enhed, konstruerede vi et simpelt, men illustrativt system: vi vedhæftede 0,2 mm tykke PSU-knive på akslen på en DC-elektrisk motor (se de supplerende materialer for yderligere eksperimentelle detaljer). Når PSU-knive får lov til at komme i kontakt med en flad celluloseoverflade, genererer denne kontakt-og rotationsglidning hurtigt tribolader på begge polymeroverflader (Fig. 4G og film S1). Under normal drift (hvor ladningerne får lov til at akkumulere på PSU-Knive og på celluloseoverfladen) øges strømmen trukket af DC-elmotoren (i dette eksempel vist i film S1, fra 83 til 220 mA), motoren forbruger omkring 440 mvOg på grund af de øgede tribolader og friktion mellem overfladerne stopper rotationen (Fig. 4H). På dette tidspunkt, hvis kontaktfladerne blev corona afladet, genoptages operationen med lavere energiforbrug (83 mA, 166 mvh, ca.en tredjedel af værdien målt for “triboladet” motorsystem). Den minimerede friktion og energiforbrug kan også visualiseres ved termiske billeder af motoren, der arbejder under kontinuerlig afladning (Fig. 4, I og J).