【摘 要】
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摩擦起电是摩擦过程中普遍伴随着的一种物理现象。一方面摩擦产生的静电荷不断积累到一定程度就可能发生放电,对生活和生产造成不便和安全隐患,另一方面通过摩擦起电设计的能源收集、自供能传感、摩擦学行为监测等具有巨大的发展潜力和应用前景。因此摩擦起电研究在摩擦学领域显得越来越重要。本文通过实验将摩擦起电行为与摩擦行为联系起来,探究润滑状态下金属-非金属、金属-金属界面摩擦起电行为。通过对比干摩擦状态与润滑状
【基金项目】
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山东省泰山学者计划(ts20190965); 中国科学院重点研究计划(XDPB24); 国家重点研发计划(2020YFF0304600); 国家自然科学基金(51905518); 青岛市创新领军人才计划(19-3-2-23-zhc);
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摩擦起电是摩擦过程中普遍伴随着的一种物理现象。一方面摩擦产生的静电荷不断积累到一定程度就可能发生放电,对生活和生产造成不便和安全隐患,另一方面通过摩擦起电设计的能源收集、自供能传感、摩擦学行为监测等具有巨大的发展潜力和应用前景。因此摩擦起电研究在摩擦学领域显得越来越重要。本文通过实验将摩擦起电行为与摩擦行为联系起来,探究润滑状态下金属-非金属、金属-金属界面摩擦起电行为。通过对比干摩擦状态与润滑状态、充分供油与限量供油下界面摩擦起电行为,对摩擦起电机理和摩擦起电与摩擦学行为之间的联系展开研究,同时探索摩擦起电在原位监测润滑状态方面的应用。首先,研究了界面液体润滑对钢-聚偏氟乙烯(PVDF)的摩擦起电行为的影响。通过将摩擦磨损试验机和电流放大器耦合连接,系统研究了液体润滑下金属-非金属摩擦副的摩擦起电行为。研究发现直线往复运动下钢球接地电流呈现正负交替的双峰形,作者采用摩擦界面电子流动对这种现象的机理做出了解释。液体润滑剂引起摩擦电信号增大,原因在于液体润滑膜可以抑制摩擦界面空气击穿,同时液体润滑膜增大了摩擦界面电荷密度。进一步研究发现,液体润滑剂的黏度和介电常数越低,摩擦电信号增加的效果越好。这是由于低黏度的液体流动性更好,可以将新产生的摩擦电荷更快地转移到没有摩擦电荷的位置,从而增大了摩擦界面电荷密度;低介电常数的液体不容易引起摩擦电荷的中和,从而增大了摩擦电荷的输出。因此,选择合适的液体可以在减小摩擦的同时,使摩擦电信号更大、更平稳地输出。其次,研究了界面液体润滑对钢-铜的摩擦起电行为的影响。金属作为导体,摩擦产生的电荷相较于聚合物来说消散地更快。研究发现旋转运动下钢球接地电流同样呈现正负交替的双峰形,与原始摩擦痕迹重合的往复运动时产生的摩擦电信号为交变信号也说明摩擦起电与摩擦学行为之间密切相关。研究还发现,乏油时空气进入摩擦界面引发静电击穿空气导致钢球接地电流出现剧烈放电,摩擦系数升高的时间与接地电流放电时间有较好的对应。因此,可以通过摩擦电信号监测摩擦界面润滑状态。最后,研究了限量供油对界面摩擦起电的影响。实验通过球-盘式弹流油膜测量仪收集摩擦过程中摩擦接触区油膜形状的光干涉图像和摩擦系数,与电流放大器原位采集的钢球接地电流联系,系统研究乏油状态下摩擦起电行为。验证了当摩擦界面出现乏油,部分空气进入摩擦界面,摩擦电荷击穿这部分空气导致放电行为。分别改变玻璃盘转速和润滑油黏度,发现随着玻璃盘转速升高和润滑油黏度增加,乏油时间提前,同时观察到钢球接地电流也随之提前且与乏油时间有着较好的对应。这一对应关系为实现润滑状态的智能监测提供了新的思路。
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