摩擦过程中，界面电荷的转移、累积和释放会直接影响界面的黏附、摩擦及磨损等摩擦学行为。利用摩擦过程中电子转移与传递揭示摩擦磨损本质、监测并调控界面摩擦学行为，已成为摩擦学领域新的热点问题。由于受摩擦副材料的组成与结构性质、界面运动行为、环境等因素的制约，界面摩擦起电的机理与制约因素十分复杂，为摩擦起电机理及摩擦学调控研究带来极大挑战。
中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室王道爱研究员团队，从摩擦学与摩擦电的相互影响关系出发，设计搭建了二者关联的研究试验平台。
研究人员通过构建不同电荷消散的摩擦副界面，揭示了摩擦副界面的电荷累积对摩擦系数和磨损参数影响规律，证实了电荷累积产生的库仑力会加剧界面的摩擦磨损，通过控制等离子风机的位置调节界面的静电累积，实现了界面摩擦系数的反复调控和逐级调控（图1）。此外，研究人员还系统研究了冰摩擦下的摩擦起电机制，初步探究了冰摩擦副从超润滑状态到普通润滑状态下摩擦起电的演化机制，揭示了超润滑状态下摩擦起电稳定性的增强机制，为寒冷天气下利用摩擦电信号进行智能摩擦监测提供新思路。相关成果发表在Nano Energy（2022，97，107144；2021，87，106183）上。
图1. 通过摩擦电荷调控摩擦系数示意图
根据电荷产生与变化机制建立摩擦电调控体系是实现界面摩擦磨损调控的关键步骤。研究人员系统研究了等离子体辐照对材料表面成分和微观结构的作用机制，建立了基于等离子辐照的界面摩擦起电调控体系，通过控制等离子辐照的改性参数，实现了不同需求下摩擦副界面摩擦磨损的调控（图2a-c）。研究人员还系统研究了金属-半导体摩擦副异质结界面处的摩擦学行为与摩擦起电性能之间的关系，证实了摩擦伏特效应与摩擦学行为之间的强关联性，为实现半导体摩擦副界面的耐磨防护从摩擦学角度提供了新的策略（图2d-f）。相关成果发表在Nano Energy（2022，102，107691；2022，99，107310）上。
图2. 根据摩擦起电调控体系实现界面摩擦学的调控
近日，研究人员基于摩擦起电与击穿放电的耦合效应，探究了真空环境对界面摩擦起电的影响与规律（图3）。由于金属-聚合物摩擦副材料电荷存储能力的差异，真空度的变化会改变界面击穿电压阈值。研究人员通过调控摩擦环境中的真空度，打破了传统摩擦过程中高输出阻抗和低电流密度的限制，使界面摩擦电输出提高了三个数量级。区别于传统大型真空密封系统，该器件能将真空环境的提升效果缩小至放电区域的有限空间中，具有拆卸方便、价格低廉、普适高效等优点。
该研究为丰富空间摩擦起电的理论框架、发展真空摩擦副界面的静电防护技术和完善摩擦状态监测手段提供了理论依据和技术支持。该工作以“Vacuum discharge triboelectric nanogenerator with ultrahigh current density”为题发表在Cell Reports Physical Science（https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2023.101320）上，兰州化物所骆宁博士为论文第一作者，王道爱研究员为通讯作者。
图3. 真空摩擦副界面摩擦起电机制研究
以上工作得到了国家自然科学基金项目、中科院重点研究计划项目、甘肃省重大科技专项及兰州化物所“十四五”规划重点培育项目等的支持。
来源：固体润滑国家重点实验室
