resultat och diskussion

Figur 1a illustrerar att bidraget från tribocharging är ganska väsentligt, särskilt för maskiner med isolatordelar; en enkel rotor med polymerblad som körs på en annan polymeryta kan värma upp eller till och med sluta fungera på grund av ökad friktion genom ökad laddning och elektrostatisk vidhäftning mellan de två ytorna. I skarp kontrast, när laddningarna avlägsnas med hjälp av en koronaurladdningspistol, reduceras den lokala uppvärmningen och energiavledningen och energiförbrukningen sänks med ca. 66% (Fig. 1B).

för att kvantifiera kontaktladdning, samtidig friktion och de energibesparingar som förväntas vid laddningsavlägsnande använde vi en ”lärobok”-inställning där ett fast cylinderformat objekt placeras högst upp på ett lutande plan och får glida fritt mot botten, varefter kroppen flyttas tillbaka till startpositionen och fler glidcykler upprepas. Ett cylindriskt trästycke med en polyetentereftalat (PET) filmbas glider på cellulosa (som visas i Fig. 2A; se även film S2), i processen förvärva tribocharges kvantifieras i Fig. 2B för olika antal glidcykler (se kompletterande material för detaljer om laddningsmätningar). Både storleken på laddningarna och glidtiderna ökar från körning till körning, på den 19: e nedförsbacke, och glidtiden fyrdubblas jämfört med den första körningen. I en relaterad demonstration , för att illustrera ökningen av friktionskoefficienten, ökar lutningsvinkeln vid vilken glidning börjar också med på varandra följande körningar (Fig. 2C). Men när tribochargerna på glidytorna elimineras av en zerostat corona-urladdningspistol, återgår både glidningstiden och” ji-förskjutningen ” till sina ursprungliga värden under den första glidningen (Fig. 2, B och C).

med dessa illustrativa exempel använde vi sedan en friktionstestare (Hanatek Advanced Friction Tester) för att registrera CoF(S) och CoF(D) för par av olika vanliga polymerer (se kompletterande material för ytterligare experimentella detaljer) för upprepade horisontella glidcykler. Avgifter på glidbitarna registrerades också efter varje körning. Som vi förväntade oss ökade både tribocharge densitet och CoF(D) under på varandra följande körningar (Fig. 3A), med det ömsesidiga förhållandet mellan dessa kvantiteter kvantifierade i fig. S1 och S2. Vi noterar att graden av materialöverföring mellan de två glidytorna som åtföljer tribocharging (25) också kan påverka den uppmätta CoF(D) (fig. S3). Därefter testade vi olika metoder för att sprida de utvecklade triboladdarna, nämligen att skölja kontaktytorna med ett lösningsmedel, koronaurladdning eller täcka baksidan av ett eller båda materialen med ett lager av ett ledande material jordat genom en tråd (Fig. 3). För alla dessa tillvägagångssätt och för alla urladdade polymerpar ökade friktionen inte signifikant vid upprepade glidkörningar. Data för en representativ PTFE glidning på cellulosa visas i Fig. 3 (C till E). Vid jordning med metallunderlag (Fig. 3D, röda prickar), CoF(D) under den 35: e glidcykeln var endast 9% högre än under den första körningen (Fig. 3e, röda prickar), jämfört med en ökning med mer än 50% när polymeren inte är jordad (Fig. 3e, svarta prickar). Vi noterar här att för praktisk användning kan jordning vara den mest ekonomiska och tekniskt enkla metoden; vi fann emellertid att corona-urladdningsmetoden är den bästa metoden för att hålla friktionskoefficienterna på ett minimum och att etanolsköljningsmetoden är den bästa metoden för att förhindra slitage, förmodligen eftersom denna metod också tar bort skräp som bildas under glidning (fig. S4). I synnerhet, även om det inte finns någon väsentlig förändring i kristalliniteten hos polymerer (fig. S5) med eller utan borttagning av tribocharge upptäckte vi en minskning av omfattningen tribokemiska förändringar (t. ex., oxidation och fluorering) med kontinuerligt avlägsnande av tribocharges vid glidning, i jämförelse med de fall där laddningarna tilläts ackumuleras på polymerytorna (fig. S6).

hittills visade vi några av de direkta friktionskontrollmetoderna via tribocharge-spridning. Tribocharging (och därmed friktion) kan också styras genom att manipulera yttre faktorer som atmosfär och fuktighet (29-31). Vi visar kort effekten av dessa yttre faktorer på tribocharging och friktion i fikon. S7 och S8. Vi visar också effekten av nettoladdningspolaritet(32) på CoF (D) i en separat uppsättning experiment (Fig. S9 och S10).

som vi nämnde tidigare är de viktigaste konsekvenserna av detta arbete i olika typer av mekaniska system med isolerande delar. För att ge en enkel demonstration av att minska friktionen i ett sådant system övervakade vi rotationen av ett kullager med en plastring och glasbollar med och utan kontinuerlig urladdning, som visas i Fig. 4A.utan urladdning, vid 200 rpm, ökar motståndet hos ringen mot rotation, som mäts med en bifogad lastcell, med rotationstiden (Fig. 4B; för detaljer, se fig. S11). Vi visade att även ett enda” skott ” av en koronaurladdningspistol omedelbart minskar friktionskraften från 0,0125 till 0,0060 N vid kontinuerlig drift av lagret (Fig. 4B).

Friktionsinitierat slitage i polymera kontakter kan också minskas genom eliminering av kontaktavgifter: Om den förvärvade laddningstätheten på en tjock (0,5 cm) bit polyvinylklorid (PVC; 2,5 cm 2,5 cm) som upprepade gånger gled på cellulosa (20 cm 25 cm, 20 20 cm) hålls under -0,2 nC/cm2 genom kontinuerlig koronaurladdning av glidplanet, efter 35 körningar reduceras slitaget på PVC-ytan jämfört med det fall där samma stycke får glida i 35 körningar utan urladdning (ca. 100 slitlinjer på samma område) (Fig. 4, C till F).

sist, för att visa hur avlägsnandet av tribocharges så småningom kan minimera friktionsrelaterad energiförbrukning i en enhet, konstruerade vi ett enkelt men illustrativt system: vi fästade 0,2 mm tjocka PSU-blad på axeln på en likströmsmotor (se kompletterande material för ytterligare experimentella detaljer). När PSU-blad får komma i kontakt med en plan cellulosayta genererar denna kontakt-och rotationsglidning snabbt tribocharges på båda polymerytorna (Fig. 4G och film S1). Under normal drift (där laddningarna får ackumuleras på PSU-blad och på cellulosaytan) ökar strömmen som dras av DC-elmotorn (i detta exempel som visas i film S1, från 83 till 220 mA), förbrukar motorn cirka 440 mW, och på grund av de ökade triboladdarna och friktionen mellan ytorna stannar rotationen (Fig. 4H). Vid denna tidpunkt, om kontaktytorna var corona urladdade, återupptas operationen med lägre energiförbrukning (83 mA, 166 mW, ungefär en tredjedel av det uppmätta värdet för ”tribocharged” motorsystem). Den minimerade friktionen och energiförbrukningen kan också visualiseras genom termiska bilder av motorn som arbetar under kontinuerlig urladdning (Fig. 4, I och J).