RESULTATER og DISKUSJON

Figur 1a illustrerer at bidraget fra tribocharging er ganske betydelig, spesielt for maskiner med isolatordeler; en enkel rotor med polymerblader som kjører på en annen polymeroverflate, kan varme opp eller til og med stoppe driften på grunn av økende friksjon gjennom økt lading og elektrostatisk adhesjon mellom de to overflatene. I skarp kontrast, når ladningene fjernes ved hjelp av en koronautladningspistol, reduseres lokal oppvarming og energitap, og energiforbruket senkes med ca. 66% (Fig. 1B).

for å kvantifisere kontaktladning, samtidig friksjon og strømbesparelsene som forventes ved fjerning av ladning, brukte vi et» lærebok » – oppsett der en solid sylinderformet gjenstand er plassert øverst i et skråplan og får lov til å glide fritt mot bunnen, etter hvilken tid kroppen flyttes tilbake til startposisjonen og flere glidesykluser gjentas. En sylindrisk tre stykke med en polyetylentereftalat (PET) film base glir på cellulose (som vist I Fig. 2A; se også film S2), i prosessen anskaffe tribocharges kvantifisert I Fig. 2B for ulike antall glidesykluser (se Tilleggsmaterialene for detaljer om lademålinger). Både størrelsen på ladninger og glidetider øker fra løp til løp, på den 19. nedoverbakke, og glidetiden firedobles i forhold til første løp. I en relatert demonstrasjon , for å illustrere økningen i friksjonskoeffisienten, øker hellingsvinkelen ved hvilken glidning begynner også med påfølgende løp (Fig. 2C). Men når tribocharges på glideflatene elimineres Av En Zerostat corona utladningspistol, går både glidetiden og «θ offset» tilbake til sine opprinnelige verdier under den første glidingen (Fig . 2, B og C).

med disse illustrerende eksemplene brukte vi deretter en friksjonstester (Hanatek Advanced Friction Tester) for å registrere CoF(S) og CoF(D) av par av forskjellige vanlige polymerer (se Tilleggsmaterialene for ytterligere eksperimentelle detaljer) for gjentatte horisontale glidesykluser. Kostnader på glidebrikkene ble også registrert etter hvert løp. Som vi forventet, økte både tribocharge tetthet og CoF(D) under påfølgende løp (Fig. 3A), med det gjensidige forholdet mellom disse mengdene kvantifisert i fiken. S1 og S2. Vi merker oss at graden av materialoverføring mellom de to glideflatene som følger med tribolading (25), også kan påvirke den målte CoF(D) (fig. S3). Deretter testet vi ulike metoder for å spre tribocharges utviklet, nemlig skylling av kontaktflatene med et løsningsmiddel, koronautladning eller dekker baksiden av ett eller begge materialer med et lag av et ledende materiale jordet gjennom en ledning(Fig. 3). For alle disse tilnærmingene og for alle de utladede polymerparene økte friksjonen ikke signifikant ved gjentatte glidende løp. Data for en representativ PTFE glidende på cellulose er vist I Fig. 3 (C til E). Ved jording med metallunderlag (Fig. 3d, røde prikker), CoF(D) under den 35. glidesyklusen var bare 9% høyere enn under første løp (Fig. 3e, røde prikker), sammenlignet med en økning på mer enn 50% når polymeren ikke er jordet (Fig. 3e, svarte prikker). Vi merker her at for praktisk bruk kan jording være den mest økonomiske og teknisk enkle metoden; vi fant imidlertid at koronautladningsmetoden er den beste metoden for å holde friksjonskoeffisientene på et minimum, og at etanol-skyllemetoden er den beste metoden for å forhindre slitasje, antagelig fordi denne metoden også fjerner ruskene som dannes under glidning (fig. S4). Spesielt, selv om det ikke er noen vesentlig endring i krystalliniteten til polymerer(fig. S5) med eller uten tribocharge fjerning oppdaget vi en reduksjon i omfanget av tribokjemiske endringer (f. eks., oksidasjon og fluorering) med kontinuerlig fjerning av tribocharges ved glidning, i forhold til de tilfeller hvor ladningene fikk lov til å samle seg på polymerflatene (fig. S6).

Så langt viste vi noen av de direkte friksjonskontrollmetodene via tribocharge-spredning. Tribocharging (og dermed friksjon) kan også styres ved å manipulere eksterne faktorer som atmosfære og fuktighet (29-31). Vi viser kort effekten av disse eksterne faktorene på tribocharging og friksjon i fiken. S7 og S8. Vi viser også effekten av netto ladningspolaritet(32) på CoF (D) i et eget sett med eksperimenter (fig. S9 og S10).

som vi nevnte tidligere, er de viktigste konsekvensene av dette arbeidet i de forskjellige typer mekaniske systemer med isolerende deler. For å gi en enkel demonstrasjon av å redusere friksjon i et slikt system overvåket vi rotasjonen av et kulelager med en plastring og glassballer med og uten kontinuerlig utladning, som vist På Fig. 4A. uten utladning, ved 200 rpm, øker motstanden til ringen mot rotasjon, som måles av en festet lastcelle, med rotasjonstid (Fig . 4B; for detaljer, se fig. S11). Vi viste at selv et enkelt «skudd» av en koronautladningspistol umiddelbart reduserer friksjonskraften fra 0,0125 til 0,0060 N ved kontinuerlig drift av lageret (Fig. 4B).

Friksjonsinitiert slitasje i polymere kontakter kan også reduseres ved eliminering av kontaktkostnader: Hvis den oppkjøpte ladetettheten på et tykt (0,5 cm) polyvinylklorid (PVC; 2,5 cm × 2,5 cm) som gjentatte ganger skyves på cellulose (20 cm × 25 cm, θ = 20°) holdes under -0.2 nC/cm2 ved kontinuerlig koronautladning av glideplanet, etter 35 løp, reduseres slitasjen PÅ PVC-overflaten i forhold til tilfellet der samme stykke får lov til å glide i 35 løp uten utslipp (ca. 100 bruk linjer på samme område) (Fig. 4, C Til F).Sist, for å vise hvordan fjerning av tribocharges til slutt kan minimere friksjonsrelatert energiforbruk i en enhet, konstruerte vi et enkelt, men illustrativt system: vi festet 0,2 mm tykke PSU-blader på akselen TIL EN DC-elektrisk motor (se Tilleggsmaterialene for ytterligere eksperimentelle detaljer). NÅR PSU-blader får komme i kontakt med en flat celluloseoverflate, genererer denne kontakten og rotasjonsglidning raskt triboladninger på begge polymeroverflatene (Fig . 4G og film S1). Under normal drift (der ladningene får lov til å samle seg på PSU-blader og på celluloseoverflaten), øker strømmen trukket av DC-elmotoren (i dette eksemplet vist i film S1, fra 83 til 220 mA), bruker motoren ca. 440 mW, og på grunn av de økte tribochargene og friksjonen mellom overflatene stopper rotasjonen (Fig . 4H). På dette punktet, hvis kontaktflatene ble korona utladet, fortsetter operasjonen med lavere energiforbruk (83 mA, 166 mW, omtrent en tredjedel av verdien målt for «tribocharged» motor system). Den minimerte friksjonen og energiforbruket kan også visualiseres ved termiske bilder av motoren som arbeider under kontinuerlig utladning (Fig. 4, I Og J).