科研進(jìn)展
蘭州化物所摩擦起電機(jī)制及應(yīng)用研究取得系列進(jìn)展
摩擦起電是揭示摩擦磨損本質(zhì)起源極具潛力的研究手段。摩擦起電可作為一種“探針”來反映摩擦副狀態(tài)與摩擦狀況，在智能潤(rùn)滑監(jiān)測(cè)中發(fā)揮重要作用。同時(shí)，它在能源收集、自驅(qū)動(dòng)傳感等領(lǐng)域也展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。如何研究摩擦起電與摩擦學(xué)行為之間的關(guān)系,利用摩擦學(xué)原理解決其在能量收集過程中的摩擦磨損問題仍存在巨大挑戰(zhàn)。
近日，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王道愛研究員團(tuán)隊(duì)將摩擦學(xué)與摩擦電測(cè)試系統(tǒng)耦聯(lián)用于探索二者間的關(guān)系，通過設(shè)計(jì)超潤(rùn)滑薄膜材料,解決了其在電能收集過程中磨損與長(zhǎng)壽命運(yùn)行的問題。
研究人員以鋼—含氫類金剛石碳膜（DLC）為摩擦副，創(chuàng)新性地研究了其超滑界面的電學(xué)性質(zhì)，證明了宏觀低摩擦界面仍存在明顯的電子輸運(yùn)行為。當(dāng)鋼球在具有p型半導(dǎo)體性質(zhì)的DLC表面滑動(dòng)時(shí)，摩擦能量激發(fā)界面上的電子—空穴對(duì)，由于摩擦伏特效應(yīng)輸出直流電信號(hào)。研究人員采用第一性原理證明了C:H懸鍵和轉(zhuǎn)移膜的形成對(duì)降低摩擦阻力有重要貢獻(xiàn)，進(jìn)一步從界面性質(zhì)的角度對(duì)其超滑機(jī)理進(jìn)行了驗(yàn)證（圖1）。
圖1. 宏觀超潤(rùn)滑摩擦起電器件的工作原理
在宏觀超潤(rùn)滑摩擦電利用方面，研究人員通過原位收集球—盤旋轉(zhuǎn)摩擦過程中的電能，在無需整流的情況下點(diǎn)亮了數(shù)盞商用LED燈，并利用超潤(rùn)滑解決了傳統(tǒng)硅基摩擦發(fā)電器件高摩擦磨損和使役壽命短的問題。此外，通過設(shè)計(jì)控制氮?dú)夂涂諝獾拈g歇注入影響界面超潤(rùn)滑狀態(tài)，首次利用摩擦電信號(hào)及外電路對(duì)超潤(rùn)滑狀態(tài)失效進(jìn)行了可視化的智能潤(rùn)滑監(jiān)測(cè)（圖2）。
圖2. 超潤(rùn)滑狀態(tài)下的電能利用及自供能的超潤(rùn)滑狀態(tài)失效在線監(jiān)測(cè)
該研究對(duì)認(rèn)識(shí)摩擦學(xué)行為—摩擦電的科學(xué)關(guān)系、發(fā)展高性能半導(dǎo)體基抗磨器件、完善摩擦狀態(tài)監(jiān)測(cè)手段具有重要意義。該研究工作以“Macro-superlubric triboelectric nanogenerator based on tribovoltaic effect” 為題發(fā)表在Matter（https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.02.021）上，蘭州化物所助理研究員張立強(qiáng)為論文第一作者，王道愛研究員為通訊作者，蘭州化物所作為第一單位與南京航空航天大學(xué)、北京納米能源與系統(tǒng)研究所合作完成。
該團(tuán)隊(duì)近兩年圍繞界面摩擦—摩擦電的關(guān)系進(jìn)行了系列研究，相關(guān)成果發(fā)表在Adv. Funct. Mater.（2021, 31, 2010220; 2021, 31, 2009172）、Nano Energy（2021, 89, 106336; 2022, 95, 107011）、Research（2021, 9870936）等期刊上。
以上工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)及蘭州化物所“十四五”規(guī)劃重點(diǎn)培育項(xiàng)目等的支持。
