蘭州化物所等在摩擦起電機制及應用研究中取得進展

　　摩擦起電是揭示摩擦磨損本質起源具有潛力的研究手段。摩擦起電可作為一種“探針”來反映摩擦副狀態與摩擦狀況，在智能潤滑監測中發揮重要作用。此外，它在能源收集、自驅動傳感等領域也展現出廣闊應用前景。如何研究摩擦起電與摩擦學行為之間的關系，利用摩擦學原理解決其在能量收集過程中的摩擦磨損問題仍存在挑戰。

　　近日，中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室研究員王道愛團隊等將摩擦學與摩擦電測試系統耦聯用于探索二者間的關系，通過設計超潤滑薄膜材料，解決了其在電能收集過程中磨損與長壽命運行的問題。

　　研究人員以鋼—含氫類金剛石碳膜（DLC）為摩擦副，創新性地研究了其超滑界面的電學性質，證明了宏觀低摩擦界面仍存在明顯的電子輸運行為。當鋼球在具有p型半導體性質的DLC表面滑動時，摩擦能量激發界面上的電子—空穴對，由于摩擦伏特效應輸出直流電信號。研究人員采用第一性原理證明了C:H懸鍵和轉移膜的形成對降低摩擦阻力有重要貢獻，進一步從界面性質的角度對其超滑機理進行了驗證（圖1）。

　　在宏觀超潤滑摩擦電利用方面，研究人員通過原位收集球—盤旋轉摩擦過程中的電能，在無需整流的情況下點亮了數盞商用LED燈，并利用超潤滑解決了傳統硅基摩擦發電器件高摩擦磨損和使役壽命短的問題。此外，通過設計控制氮氣和空氣的間歇注入影響界面超潤滑狀態，研究首次利用摩擦電信號及外電路對超潤滑狀態失效進行了可視化的智能潤滑監測（圖2）。

　　該研究對認識摩擦學行為—摩擦電的科學關系、發展高性能半導體基抗磨器件、完善摩擦狀態監測手段具有重要意義。相關研究成果以Macro-superlubric triboelectric nanogenerator based on tribovoltaic effect為題，發表在Matter上。蘭州化物所作為第一單位與南京航空航天大學、中科院北京納米能源與系統研究所合作完成。

　　研究工作得到科技部重點研發計劃項目、國家自然科學基金重點項目、中科院戰略性先導科技專項及蘭州化物所“十四五”規劃重點培育項目等的支持。

圖1.宏觀超潤滑摩擦起電器件的工作原理

圖2.超潤滑狀態下的電能利用及自供能的超潤滑狀態失效在線監測