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我校彭倚天教授课题组在装备载流界面研究取得系列进展

发布时间:20514-12-18发布部门:机械工程学院

近日,机械工程学院彭倚天教授课题组装备载流界面研究取得系列进展,其中,博士生史彬论文发表于《纳米能源》(Nano Energy)上,青年教师郎浩杰论文发表于《美国化学会应用材料和界面》(ACS Applied Materials & Interfaces)和《碳》(Carbon碳)上,史彬、郎浩杰分别为唯一第一作者,M88为第一通讯单位,彭倚天为第一通讯作者。

摩擦界面自发的电荷转移在生活中无处不在,摩擦界面上的电荷动力学以及转移的电荷如何影响摩擦。课题组利用原子力显微镜和扫描开尔文探针在纳米尺度上测量滑动接触过程中摩擦电荷和摩擦力,建立了摩擦诱导额外电荷对摩擦的影响模型。

图1 电荷耗散与摩擦的关系。(a)负电荷转移后表面势分布随时间的变化;(b)对应的表面势截线图;(c)表面势差值的变化;(d)负电荷区域摩擦力的变化;(e)平均摩擦随时间的变化;(f)正电荷转移后表面势分布随时间的变化;(g)对应的表面势截线图;(h)表面势差值的变化;(i)负电荷区域摩擦力的变化;(j)平均摩擦随时间的变化。上述成果以“纳米尺度下摩擦起电对摩擦的影响”(Investigating the Effect of Nanoscale Triboelectrification on Nanofriction in Insulators)为题目发表于国际期刊《纳米能源》(Nano Energy)上。 

人类的一次性能源大约有1/3是通过摩擦所消耗掉的,80%的机械装备都是因为磨损失效。摩擦和磨损共同造成的损失,一般可以占到一个工业化国家GDP的2%~7%。载流界面的摩擦磨损涉及物理、化学、材料、机械工程和润滑工程等多个学科,是影响设备质量和寿命的关键,譬如:高档数控机床和纺织机械领域中高精度直流伺服电机,航空航天装备领域中太阳能板的导电滑环,先进轨道交通装备领域中弓网系统和回流系统,新能源汽车领域中充电接口等。课题组基于原子力显微镜从纳米尺度研究外加电压对带电界面摩擦性能的影响,研究了外加电压对界面摩擦力的影响规律,结合材料功函数和静电力测量,提出了改进的Prandtl-Tomlinson模型解释外加电压下的摩擦变化。


图2 石墨烯表面带电摩擦实验。(a)石墨烯带电摩擦实验示意图;(b,c)不同正电压和负电压下石墨烯摩擦力随时间的变化;(d)平均摩擦力随针尖电压的变化,插图是电压小于±3.0 V时的平均摩擦力变化。上述成果以“石墨烯在外加电压下的原子尺度摩擦特性”(Atomic-Scale Friction Characteristics of Graphene under Conductive AFM with Applied Voltages)为题目发表于国际期刊《美国化学会应用材料和界面》(ACS Applied Materials & Interfaces)上。

在外加电压对摩擦的影响基础上,提出了石墨烯带电界面的具有超低摩擦(摩擦系数0.028),超高电流稳定性(电流变化系数4.74%)和抗磨损性(接触压力5.93GPa下摩擦循环超10000次性能保持稳定),大大提升电接触的可靠性,具有广阔的应用前景。


图3 石墨烯表面和金表面摩擦和电流的对比。(a)摩擦力图;(b)电流图;(c)摩擦力和电流截线图;(d, e)金基底和石墨烯电流和形貌变化的对比;(f)石墨烯和金基底的导电机理示意图。上述成果以“超润滑和超高电学稳定石墨烯作为滑动电接触界面的高效固体润滑剂”(Superior Lubricant and Electrical Stability of Graphene as Highly Effective Solid Lubricant at Sliding Electrical Contact Interface)为题目发表于国际期刊《碳》(Carbon)上。 

研究得到了国家自然科学基金、M88励志计划A类、上海市扬帆计划等相关项目的资助。


视频: 摄影: 撰写:郎浩杰 信息员:邓士豪 编辑:朱一超