wyniki i dyskusja

rysunek 1a ilustruje, że wkład tryboładowania jest dość znaczny, szczególnie w przypadku maszyn z częściami izolatora; prosty wirnik z polimerowymi łopatkami działający na innej polimerowej powierzchni może się nagrzewać lub nawet przestać działać z powodu zwiększonego tarcia poprzez zwiększone ładowanie i adhezję elektrostatyczną między dwiema powierzchniami. W ostrym kontraście, gdy ładunki są usuwane za pomocą pistoletu wyładowczego koronowego, lokalne ogrzewanie i rozpraszanie energii są zmniejszone, a zużycie energii zmniejsza się o ok. 66% (rys. 1B).

aby obliczyć Ładowanie stykowe, tarcie towarzyszące i oszczędności energii oczekiwane po usunięciu ładunku, użyliśmy „podręcznikowego” ustawienia, w którym stały obiekt w kształcie cylindra jest umieszczony na górze pochylonej płaszczyzny i pozwala się swobodnie przesuwać w kierunku dołu, po czym ciało jest przesuwane z powrotem do pozycji wyjściowej i powtarza się więcej cykli przesuwania. Cylindryczny kawałek drewna na bazie folii z politereftalanu etylenu (PET) ślizga się na celulozie (jak pokazano na Fig. 2A; Zob. również film S2), w procesie uzyskiwania tribocharges kwantyfikowanych na Fig. 2B dla różnej liczby cykli ślizgania (szczegółowe informacje na temat pomiarów ładunku znajdują się w materiałach uzupełniających). Zarówno wielkość ładunków, jak i czas poślizgu zwiększają się z biegu na bieg, na 19.zjeżdżalni zjazdowej, a czas poślizgu czterokrotnie w porównaniu do pierwszego biegu. W powiązanej demonstracji, aby zilustrować wzrost współczynnika tarcia, kąt nachylenia, przy którym rozpoczyna się ślizganie, również wzrasta wraz z kolejnymi przebiegami (rys. 2C). Jednakże, gdy tryboładowanie na powierzchniach ślizgowych jest eliminowane przez pistolet wyładowczy Zerostat corona, zarówno czas ślizgu, jak i „przesunięcie θ”powracają do swoich pierwotnych wartości podczas pierwszego ślizgu (rys. 2, B I C).

korzystając z tych przykładowych przykładów, użyliśmy testera tarcia (zaawansowany Tester tarcia Hanatek) do rejestrowania CoF(s) i Cof(D) par różnych powszechnie stosowanych polimerów (patrz Materiały uzupełniające w celu uzyskania dalszych szczegółów eksperymentalnych) dla powtarzających się cykli poziomych poślizgu. Ładunki na ślizgach były również rejestrowane po każdym biegu. Zgodnie z oczekiwaniami, zarówno gęstość tryboładowania, jak i CoF(D) zwiększały się podczas kolejnych serii (rys. 3A), o wzajemnym związku między tymi ilościami określonymi na fig. S1 i S2. Zauważamy, że stopień przenoszenia materiału między dwiema powierzchniami ślizgowymi towarzyszącymi ładowaniu trybowemu (25) może również wpływać na zmierzony CoF(d) (rys. S3). Następnie przetestowaliśmy różne metody rozpraszania opracowanych tribocharges, a mianowicie płukanie stykających się powierzchni rozpuszczalnikiem, wyładowaniem koronowym lub pokrycie tylnej strony jednego lub obu materiałów warstwą przewodzącego materiału uziemionego za pomocą drutu (rys. 3). Dla wszystkich tych podejść i dla wszystkich odprowadzanych par polimerów tarcie nie zwiększyło się znacząco przy powtarzających się zjazdach. Dane dotyczące reprezentatywnego przesuwu PTFE na celulozie przedstawiono na Fig. 3 (C-E). Po uziemieniu z metalowym podkładem (rys. 3D, czerwone kropki), CoF (D) podczas 35. cyklu poślizgu był tylko o 9% wyższy niż podczas pierwszego biegu (rys. 3E, czerwone kropki), w porównaniu do ponad 50% wzrostu, gdy polimer nie jest uziemiony (rys. 3E, czarne kropki). Zauważamy tutaj, że dla praktycznych zastosowań uziemienie może być najbardziej ekonomiczną i prostą technicznie metodą; okazało się jednak, że metoda wyładowania koronowego jest najlepszą metodą utrzymania współczynników tarcia na minimalnym poziomie, a metoda płukania etanolem jest najlepszą metodą zapobiegania zużyciu, prawdopodobnie dlatego, że metoda ta usuwa również zanieczyszczenia powstałe podczas ślizgania (rys. S4). W szczególności, chociaż nie ma istotnej zmiany w krystaliczności polimerów (fig. S5) z usuwaniem lub bez usuwania ładunku, wykryliśmy zmniejszenie zakresu zmian trybochemicznych (np., utlenianie i fluorowanie) z ciągłym usuwaniem tribocharges po ślizganiu się, w porównaniu do przypadków, w których ładunki mogły gromadzić się na powierzchniach polimeru (rys. S6).

do tej pory pokazaliśmy niektóre z metod bezpośredniej kontroli tarcia poprzez rozpraszanie tryboładu. Tryboładowanie (a zatem tarcie) może być również kontrolowane przez manipulowanie czynnikami zewnętrznymi, takimi jak atmosfera i wilgotność (29-31). Krótko pokazujemy wpływ tych czynników zewnętrznych na tryboładowanie i tarcie na fig. S7 i S8. Pokazujemy również wpływ polaryzacji ładunku netto (32) na CoF(D) w oddzielnym zestawie eksperymentów (fig. S9 i S10).

jak już wcześniej stwierdziliśmy, najważniejsze następstwa tej pracy są w różnych typach systemów mechanicznych z częściami izolacyjnymi. Aby zapewnić prostą demonstrację zmniejszenia tarcia w takim systemie, monitorowaliśmy obrót łożyska kulkowego z pierścieniem z tworzywa sztucznego i kulkami szklanymi z ciągłym rozładowaniem i bez niego, jak pokazano na Fig. 4A. bez żadnego rozładowania, przy 200 obr. / min, opór pierścienia przed obrotem, mierzony przez dołączone ogniwo obciążnikowe, wzrasta wraz z czasem obrotu (rys. 4B; szczegółowe informacje patrz rys. S11). Pokazaliśmy, że nawet jeden „strzał” z pistoletu wyładowczego koronowego natychmiast zmniejsza siłę tarcia z 0,0125 do 0,0060 N przy ciągłej pracy łożyska (rys. 4B).

zużycie zainicjowane tarciem w stykach polimerowych można również zmniejszyć poprzez eliminację ładunków stykowych: Jeżeli nabyta gęstość ładunku na grubym (0,5 cm) kawałku polichlorku winylu (PVC; 2,5 cm × 2,5 cm), który wielokrotnie ślizgał się na celulozie (20 cm × 25 cm, θ = 20°) jest utrzymywana poniżej -0,2 nC/cm2 przez ciągłe wyładowanie koronowe płaszczyzny ślizgowej, po 35 przebiegach zużycie powierzchni PVC jest zmniejszone w porównaniu do przypadku, w którym ten sam kawałek może się ślizgać przez 35 przebiegów bez żadnego rozładowania (ok. 100 linii zużycia na tym samym obszarze) (rys. 4, C do F).

na koniec, aby pokazać, w jaki sposób usunięcie tryboładów może ostatecznie zminimalizować zużycie energii związane z tarciem w urządzeniu, skonstruowaliśmy prosty, ale ilustracyjny system: zamontowaliśmy łopatki zasilacza o grubości 0,2 mm na wale silnika elektrycznego prądu stałego (zobacz materiały dodatkowe, aby uzyskać dalsze szczegóły eksperymentalne). Gdy ostrza zasilacza mogą stykać się z płaską powierzchnią celulozy, ten kontakt i poślizg obrotowy szybko generują tryboładowania na obu powierzchniach polimerowych (rys. 4G i film S1). Podczas normalnej pracy (w której ładunki mogą gromadzić się na łopatkach zasilacza i na powierzchni celulozy), Prąd pobierany przez silnik elektryczny prądu stałego wzrasta (w tym przykładzie pokazanym na filmie S1, z 83 do 220 mA), silnik zużywa około 440 mW, a ze względu na zwiększone tryboładowania i tarcie między powierzchniami, obrót zatrzymuje się (rys. 4H). W tym momencie, jeśli powierzchnie styku były wyładowane Koronowo, wówczas wznawia się działanie przy niższym zużyciu energii (83 mA, 166 mW, około jednej trzeciej wartości zmierzonej dla układu silnika „tryboładowanego”). Zminimalizowane tarcie i zużycie energii można również zobrazować za pomocą obrazów termicznych silnika pracującego w trybie ciągłego rozładowania (rys. 4, I I J).