Четверть глобальных потерь энергии вызваны трением и износом. Новые методы минимизации этих неблагоприятных последствий могут иметь огромное значение для энергосберегающей экономики будущего.
Одним из источников трения считается контактная электрификация - трибонагрузка, при которой два изоляционных материала, движущихся друг относительно друга, создают заряды противоположной полярности и тем самым создают силу притяжения между ними. Детальное микроскопическое понимание, его преобразование в макроскопические потери энергии и износ остаются пока труднодоступными.
Типы трения.
Коэффициент динамического трения сильно зависит от плотности заряда поверхности и может быть значительно снижен тремя методами минимизации действующих поверхностных зарядов:
- традиционным коронным разрядом,
- обработкой растворителем,
- размещением заземленного проводника на оборотной стороне одного из материалов среза.
В частности, последний из этих вариантов относится к экономичным и технически простым способам минимизации трения электростатических сил между срезаемыми поверхностями.
Устранение поверхностных зарядов с помощью этих простых средств может сэкономить до двух третей потерь мощности при эксплуатации механических устройств и снизить износ в 10 раз.
Статическое и динамическое трение зависит от множества химических, физико-химических, физических и механических свойств соприкасающихся материалов, а также от внешних условий.
Трение отражает:
- типы молекулярных взаимодействий,
- фононические возбуждения,
- природу и реакционную способность поверхностных групп,
- кристалличность,
- шероховатость поверхности
- масштаб (например, отрицательное трение в некоторых наномасштабных системах)
Сухое трение определяется количественным коэффициентом трения (CoF) - отношением силы трения к нормальной нагрузке. Однако коэффициент не обязательно является постоянным или устойчивым в течение длительного времени, повторяемым или однозначно оцениваемым, поскольку трение возникает в результате действия нескольких механизмов, действующих одновременно на макро- и наномасштабах. Одним из таких механизмов является создание поверхностных зарядов при контакте и разрезе двух различных или идентичных материалов.
Контактная электрификация сама по себе считается темой бурных исследований, и только в последние годы были выяснены ее фундаментальные аспекты:
- Создание гетерогенных зарядовых мозаик.
- Важность передачи материала.
- Создание зарядов и радикалов.
Несмотря на последние достижения в понимании механизма контактного заряда, данные о прямой связи между трением и трибозарядкой удивительно малы. Ранее проведенные исследования на следующих контактах показали наличие трения:
- металл - полимер, например, скольжение золотого шарика миллиметрового размера по полиметилметакрилату,
- керамические - полимерные контакты, например, алюминиево-политетрафторэтилен (PTFE) скользящий контакт в присутствии смазки,
- полимерные контакты.
Трибоэлектричество и трение имеют одинаковое происхождение. На наноразмерном уровне трибозарядка и последующая передача заряда от изолирующего монослоя к атомно-силовому микроскопическому наконечнику приводят к большим электростатическим силам трения. Однако, вклад трибонагрузки в вызванный трением износ и потери энергии при полимерных контактах, а также в минимизацию трения за счет уменьшения контактного нагнетания пока не известен.
Непрерывная разгрузка может быть использована для снижения трения, износа и потребления энергии в системах с подвижными частями изолятора. Проектирование простых систем и их результаты могут быть полезны для многих современных отраслей промышленности, использующих полимеры и целлюлозные материалы. Представленная здесь концепция также будет важна для новых устройств, например, сложных микро- и наноэлектромеханических устройств, поскольку поверхностные силы становятся чрезвычайно заметными при малых размерах.
