rezultate și discuții

figura 1a ilustrează faptul că contribuția tribocharging este destul de substanțială, în special pentru mașinile cu piese izolatoare; un rotor simplu cu lame polimerice care rulează pe o altă suprafață polimerică se poate încălzi sau chiar opri din funcționare din cauza creșterii frecării prin încărcare crescută și aderență electrostatică între cele două suprafețe. În contrast puternic, atunci când încărcăturile sunt îndepărtate prin utilizarea unui pistol de descărcare corona, încălzirea locală și disiparea energiei sunt reduse, iar consumul de energie este redus cu ca. 66% (Fig. 1B).

pentru a cuantifica încărcarea contactului, fricțiunea concomitentă și economiile de energie așteptate la îndepărtarea încărcării, am folosit o configurație „manual” în care un obiect solid în formă de cilindru este plasat în partea de sus a unui plan înclinat și lăsat să alunece liber spre partea de jos, după care corpul este mutat înapoi în poziția de pornire și se repetă mai multe cicluri de alunecare. O bucată de lemn cilindrică cu o bază de film de polietilenă tereftalat (PET) alunecă pe celuloză (așa cum se arată în Fig. 2A; a se vedea, de asemenea, filmul S2), în procesul de achiziție tribocharges cuantificate în Fig. 2B pentru un număr diferit de cicluri de alunecare (a se vedea materialele suplimentare pentru detalii privind măsurătorile de încărcare). Atât magnitudinea sarcinilor, cât și timpii de alunecare cresc de la alergare la alergare, pe al 19-lea tobogan în jos, iar timpul de alunecare se cvadruplează în comparație cu prima rulare. Într-o demonstrație aferentă, pentru a ilustra creșterea coeficientului de frecare , unghiul de înclinare la care începe alunecarea crește și cu alergări consecutive (Fig. 2C). Cu toate acestea, atunci când tribocharg-urile de pe suprafețele de alunecare sunt eliminate de un pistol de descărcare corona zerostat, atât timpul de alunecare, cât și „decalajul de la sută” revin la valorile inițiale în timpul primei alunecări (Fig. 2, B și C).

cu aceste exemple ilustrative, am folosit apoi un tester de frecare (Hanatek Advanced Friction Tester) pentru a înregistra CoF(S) și CoF(D) de perechi de diferiți polimeri utilizați în mod obișnuit (a se vedea materialele suplimentare pentru detalii experimentale suplimentare) pentru cicluri repetate de alunecare orizontală. Încărcările pe piesele glisante au fost, de asemenea, înregistrate după fiecare rulare. Așa cum ne-am așteptat, atât densitatea tribocharge, cât și CoF(D) au crescut în timpul rulărilor consecutive (Fig. 3A), cu relația reciprocă dintre aceste cantități cuantificate în Fig. S1 și S2. Observăm că gradul de transfer de material între cele două suprafețe glisante care însoțesc tribocharging (25) poate afecta, de asemenea, CoF măsurat(d) (fig. S3). În continuare, am testat diferite metode de disipare a tribochargelor dezvoltate, și anume, clătirea suprafețelor de contact cu un solvent, descărcarea coroanei sau acoperirea spatelui unuia sau ambelor materiale cu un strat de material conductor împământat printr-un fir (Fig. 3). Pentru toate aceste abordări și pentru toate perechile de polimeri evacuați, frecarea nu a crescut semnificativ la rulările repetate de alunecare. Datele pentru un PTFE reprezentativ care alunecă pe celuloză sunt prezentate în Fig. 3 (C – E). La împământare cu un suport metalic (Fig. 3D, puncte roșii), CoF(D) în timpul celui de-al 35-lea ciclu de alunecare a fost cu doar 9% mai mare decât în timpul primei runde (Fig. 3e, puncte roșii), comparativ cu o creștere de peste 50% atunci când polimerul nu este împământat (Fig. 3e, puncte negre). Observăm aici că, pentru utilizări practice, împământarea ar putea fi metoda cea mai economică și mai simplă din punct de vedere tehnic; cu toate acestea, am constatat că metoda de descărcare corona este cea mai bună metodă pentru a menține coeficienții de frecare la minimum și că metoda de clătire cu etanol este cea mai bună metodă pentru a preveni uzura, probabil pentru că această metodă îndepărtează și resturile formate în timpul alunecării (fig. S4). În special, deși nu există nicio modificare substanțială a cristalinității polimerilor (fig. S5) cu sau fără îndepărtarea tribocharge, am detectat o scădere a extinderii modificărilor tribochimice (de ex., oxidare și fluorurare) cu îndepărtarea continuă a tribocharges la alunecare, în comparație cu cazurile în care sarcinile au fost lăsate să se acumuleze pe suprafețele polimerice (fig. S6).

până în prezent, am arătat câteva dintre metodele de control direct al frecării prin disiparea tribocharge. Tribocharging-ul (și, prin urmare, fricțiunea) poate fi, de asemenea, controlat prin manipularea factorilor externi, cum ar fi atmosfera și umiditatea (29-31). Arătăm pe scurt efectul acestor factori externi asupra tribului și fricțiunii în smochine. S7 și S8. De asemenea, arătăm efectul polarității sarcinii nete (32) asupra CoF(D) într-un set separat de experimente (fig. S9 și S10).

după cum am menționat anterior, cele mai importante corolare ale acestei lucrări sunt în diferitele tipuri de sisteme mecanice cu piese izolante. Pentru a oferi o demonstrație simplă de reducere a frecării într-un astfel de sistem, am monitorizat rotația unui rulment cu bile cu un inel de plastic și bile de sticlă cu și fără descărcare continuă, așa cum se arată în Fig. 4A. fără nicio descărcare, la 200 rpm, rezistența inelului împotriva rotației, care este măsurată de o celulă de sarcină atașată, crește odată cu timpul de rotație (Fig. 4B; pentru detalii, vezi fig. S11). Am arătat că chiar și o singură „lovitură” a unui pistol de descărcare corona scade instantaneu forța de frecare de la 0,0125 la 0,0060 n la funcționarea continuă a rulmentului (Fig. 4B).

uzura inițiată prin frecare în contactele polimerice poate fi, de asemenea, redusă prin eliminarea taxelor de contact: Daca densitatea de incarcare dobandita pe o bucata groasa (0,5 cm) de clorura de polivinil (PVC; 2,5 cm 2,5 cm) care a alunecat in mod repetat pe celuloza (20 cm 25 cm, 25 cm) este mentinuta sub -0,2 nc/cm2 prin descarcarea corona continua a planului de alunecare, dupa 35 de rulari uzura la suprafata PVC este redusa in comparatie cu cazul in care aceeasi piesa este lasata sa alunece timp de 35 de rulari fara descarcare (cca. 100 linii de uzură pe aceeași zonă) (Fig. 4, de la C la F).

în sfârșit, pentru a arăta cum eliminarea tribocharges poate reduce în cele din urmă consumul de energie legat de frecare într-un dispozitiv, am construit un sistem simplu, dar ilustrativ: am atașat lame PSU de 0,2 mm grosime pe arborele unui motor electric de curent continuu (a se vedea materialele suplimentare pentru detalii experimentale suplimentare). Când lamele PSU sunt lăsate să intre în contact cu o suprafață plană de celuloză, acest contact și alunecarea rotativă generează rapid tribocharge pe ambele suprafețe polimerice (Fig. 4G și film S1). În timpul funcționării normale (în care încărcăturile sunt lăsate să se acumuleze pe lamele PSU și pe suprafața celulozei), curentul tras de motorul electric de curent continuu crește (în acest exemplu prezentat în filmul S1, de la 83 la 220 mA), motorul consumă aproximativ 440 mW și, din cauza tribocharelor crescute și a frecării dintre suprafețe, rotația se oprește (Fig. 4H). În acest moment, dacă suprafețele de contact au fost Corona descărcate, atunci operațiunea se reia cu un consum mai mic de energie (83 mA, 166 mW, aproximativ o treime din valoarea măsurată pentru sistemul motor „tribocharged”). Frecarea minimizată și consumul de energie pot fi vizualizate și prin imagini termice ale motorului care funcționează sub descărcare continuă (Fig. 4, I și J).