CN108187984A - 一种基于驻极电荷电子效应降低摩擦的方法 - Google Patents

一种基于驻极电荷电子效应降低摩擦的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于驻极电荷电子效应降低摩擦的方法，具体步骤为：制备SiO2驻极体sol‑gel前驱液；将要进行旋涂的基底部件经过清洗装置后装入匀胶机；用旋涂法在基底上动态滴胶形成SiO2湿凝胶，将其送入烘箱烘干，然后在真空管式炉中进行高温退火处理；将涂覆好的SiO2薄膜放在直流高压电场中进行电晕放电轰击薄膜，两电极间形成的高压电场会使电介质和针尖与薄膜表面之间的空气击穿，向SiO2薄膜内驻入电荷，形成SiO2驻极体薄膜；将等参数下驻入电荷的两片带有SiO2驻极体薄膜的摩擦副进行面‑面对磨，启动主机，摩擦副开始工作，测试摩擦副表面的摩擦系数。本发明制作的驻极体摩擦副对于降低摩擦系数改善摩擦副性能具有十分重要的意义。

Description

一种基于驻极电荷电子效应降低摩擦的方法
技术领域
本发明涉及一种基于驻极电荷电子效应降低摩擦的方法，属于表面技术和润滑领域。
背景技术
在自然界中，任何物体接触表面的相对运动都会存在着摩擦，有摩擦必然会产生能量消耗，而润滑则是降低摩擦，减少消耗的重要技术手段。随着科学技术的不断发展以及社会资源环境发展的迫切需求，摩擦副必须要具备极低的摩擦系数来降低能源损耗，润滑的研究方法趋于多元化，因此，基于驻极材料具有良好的储存电荷的能力，将驻极体与摩擦相结合，把电物理处理材料和摩擦中引入外加电场相结合，并把驻极后薄膜表面形成的永久性静电场作为外加电场引入到摩擦过程中，对于降低摩擦系数改善摩擦副性能具有十分重要的意义。
驻极体是被强外电场极化后能够永久性驻留静电荷的电介质。驻极电荷不仅出现在驻极体材料表面，也出现在驻极体的内部，如果去除一层驻极材料表面，新曝露出的表面仍然带有静电荷；如果将驻极体一分为二，将会得到两块驻极体，驻极体的此类特性与永磁体相类似，因此驻极体也被称为永电体。
摩擦现象与电现象是密不可分的，由于分子间作用力实际上是原子核和电子之间的静电引（斥）力，因而从微观机理上考虑分子间作用力引起的摩擦可以理解为是一种电现象。
基于驻极体表面层可永久性驻留静电荷的特性，将静电与摩擦学相结合，改善摩擦副的性能，通过强外电场作用将静电直接引入到摩擦副表面，使两个带有同种电荷的表面进行对磨，利用库伦斥力使对磨表面间产生分子间悬浮，从而降低摩擦系数。
驻极体极化方法在实验室中使用最多的是电晕充电法，此法是常压下利用高压放电所产生的电场来轰击电介质，使离子电荷能够沉积到电介质内部或者表面的充电方法。电晕充电法特有的优点是通过此法得到的驻极体其电荷储存密度高，在研究驻极电荷电子效应的摩擦学性能时需要驻极摩擦副表面具有较高的电荷密度。
驻极体表面不仅需要良好的电荷储存性能和高的电荷密度，还需要均匀分布的静电场。单单靠针尖电晕放电无法实现电场的均匀分布，因此在针尖与试样中间引入栅极用来实现驻极体表面均匀的静电场分布。
将注入同种电荷的驻极摩擦副进行面-面对磨，因驻极后SiO2薄膜表面捕获了大量的静电荷，在两硅片在相互接近时，由于存在电位差，可以使两试样表面相互极化而产生静电排斥。
基于驻极材料具有良好的静电效应，驻极体已被广泛应用于通讯、传感器、生物、医疗等方面。迄今为止，还尚未见到将驻极体静电效应运用于摩擦润滑领域。
发明内容
本发明涉及一种基于驻极电荷电子效应降低摩擦的方法。
本发明主要利用驻极体的静电效应和库伦斥力使摩擦副表面间实现分子间悬浮，从而达到降低摩擦系数的目的，可用于生物驻极体材料、无机驻极体材料、高分子聚合物驻极体材料等。
本发明选用驻极材料SiO2薄膜作为摩擦副材料，原因一：SiO2具有良好的驻极性能，理论上其驻入负电荷的寿命可达300年以上，目前为止SiO2是研究最多的一种无机驻极体材料；原因二：通过sol-gel法以单晶硅片为基底在其表面制备SiO2薄膜，sol-gel法提供了一种常温常压下制备SiO2薄膜的方法，此法工艺简单、成本低而且需要的原材料少，所以对SiO2驻极薄膜的研究在理论和实际应用中都具有非常重大的意义；原因三：本发明的最终目标是将驻极体的特殊性能引入到摩擦学中，SiO2薄膜具有表面光洁并且易于机械切割的两大优势，非常适合将其选作摩擦副材料对驻极薄膜的摩擦学性能进行研究。
本发明的关键点在于将驻极体薄膜作为摩擦副进行研究，既把电物理处理材料和摩擦中引入外加电场相结合，又把驻极后薄膜表面形成的永久性静电场作为外加电场引入到摩擦过程中。
本发明的目的是为了将驻极体的静电效应引入到表面技术和润滑领域，借助同性相斥的原理，从而提出利用驻极体表面特有的可长久存在的静电荷实现分子间悬浮从而降低对磨表面摩擦力的方法。
一种基于驻极电荷电子效应降低摩擦的方法，其特征在于具体步骤如下：
制备SiO2驻极体sol-gel前驱液；将要进行旋涂的基底部件经过清洗装置后装入匀胶机；用旋涂法在基底上动态滴胶形成SiO2湿凝胶，将其送入烘箱烘干，然后在真空管式炉中进行高温退火处理；将涂覆好的SiO2薄膜放在直流高压电场中进行电晕放电轰击薄膜，两电极间形成的高压电场会使电介质和针尖与薄膜表面之间的空气击穿，向SiO2薄膜内驻入电荷，形成SiO2驻极体薄膜；将等参数下驻入电荷的两片带有SiO2驻极体薄膜的摩擦副进行面-面对磨，启动主机，摩擦副开始工作，测试摩擦副表面的摩擦系数。
所述驻极体材料来源为生物驻极体材料、无机驻极体材料或者高分子聚合物驻极体材料。
所述基底部件材质为单晶硅片、不锈钢或轴承钢。
所述SiO2驻极体sol-gel前驱液采用正硅酸乙酯(TEOS)、乙醇与异丙醇(EtOH+i-PrOH)的混合物、去离子水和盐酸(体积百分比浓度为36 %～38 %)为原料，将正硅酸乙酯和所需乙醇与异丙醇的混合物的一半加入到三口烧杯中，在带有油浴加热装置的磁力搅拌器上搅拌1-2h，将溶液温度恒定在40-90℃将H2O和剩余乙醇与异丙醇的混合物以及催化剂HCl缓慢加入三口烧杯中，持续搅拌5-15h，即可得到透明的SiO2溶胶，最后将所得溶胶室温静置10-30h。
所述去离子水与正硅酸乙酯的体积比为6；乙醇与异丙醇的混合物与正硅酸乙酯的体积比为8；盐酸与正硅酸乙酯的体积比为29×10-3。
所述清洗装置中依次用丙酮、无水乙醇、去离子水经超声波清洗10-30min，用N2干燥后备用。
所述送入烘箱烘干的条件：35-55℃，1-2h。
所述旋涂法是将清洗干净的Si(100)基片衬底置于匀胶机上，用胶头滴管吸取SiO2驻极体sol-gel前驱液以动态滴胶的方式滴加于硅基片的表面形成湿膜，启动匀胶机并以300-1000rpm的速度滴胶5-15s，再以2000-4000rpm的速度旋涂20-30s；将旋涂后得到的SiO2湿膜送入烘箱中以50-100℃的温度烘干1-2h。
所述高温退火处理是将干燥后的SiO2薄膜送入真空管式炉，以1-5℃/min的升温速率升温至600-1100℃，保温0.5-1h后随炉冷却。
所述驻极体的形成是将涂覆好的SiO2薄膜放在直流高压电场中进行电晕放电轰击SiO2薄膜，向SiO2薄膜内驻入电荷，所用的驻极充电电压为5-15kv，栅极充电电压为0.5-1kv，针尖与SiO2薄膜表面的距离为10-50mm，栅极与薄膜表面的距离为1-5mm，充电时间为5-10min。
所述的摩擦测试是将两片SiO2驻极体的进行面-面对磨，摩擦是载荷为2-20N，摩擦频率为1-5Hz，摩擦时间为30-600min。
本发明工艺简单，驻极体摩擦副之间可实现显著降低摩擦系数的效果。
具体实施方式
利用SiO2这类层状结构材料特有的弱层间相互作用力，并结合驻极材料表面层可以永久性驻留静电场的特性，利用带同种电荷的相同摩擦副材料之间的库伦斥力，使层间相互作用力尽可能的弱，甚至层与层之间不接触达到一种悬浮状态，从而将其引入到摩擦中来降低摩擦系数。
实施例1：
1. 前驱体溶液的制备：先将TEOS和所需( EtOH+i-PrOH)溶剂的一半加入到三口烧杯中，在带有油浴加热装置的磁力搅拌器上搅拌1h，将溶液温度恒定在50℃，接下来将H2O和剩余(EtOH+i-PrOH)溶剂以及催化剂HCl慢慢加入锥形瓶内。继续搅拌10h，即可得到透明的SiO2溶胶，最后将所得溶胶室温静置24h；
2. 清洗基片：先将Si(100)基片置于盛有丙酮的烧杯中，然后将烧杯放入超声波清洗器中振动清洗30min，30min后将Si(100)基片取出，用去离子水冲洗三次，再将其放入盛有无水乙醇的烧杯中，再将其放入超声波清洗器中振动清洗30min，最后用N2将硅基片吹干；
3. 旋涂法镀膜：将清洗干净的Si(100)基片衬底置于匀胶机上，用胶头滴管吸取适量配制好的前驱液逐滴滴加于硅基片的表面形成湿膜，为了使涂敷在硅基片表面上的前驱体溶液比较均匀，采用动态滴胶法，启动匀胶机并以500rpm的速度滴胶9s，再以3000rpm的速度旋涂30s，将旋涂后得到的SiO2湿膜送入烘箱中以90℃的温度烘干1h；
4. SiO2薄膜的高温退火处理：将干燥后的SiO2薄膜送入管式炉，以2℃/min的升温速率升温至1050℃，保温1h后随炉冷却。
5.驻极体的形成：将涂覆好的SiO2薄膜放在直流高压电场中进行电晕放电轰击SiO2薄膜，两电极间形成的高压电场会使电介质和针尖与薄膜表面之间的空气击穿，向SiO2薄膜内驻入电荷，所用的驻极充电电压为10kv，栅极充电电压为0.5kv，针尖与SiO2薄膜表面的距离为2cm，栅极与薄膜表面的距离为2mm，充电时间为5min；
6.摩擦测试：将两片SiO2驻极体摩擦副进行面-面对磨，摩擦时载荷为5N，摩擦频率为3Hz，摩擦时间为60min。注入电荷的SiO2驻极体薄膜的摩擦系数远远低于未驻入电荷的SiO2薄膜对磨的摩擦系数。

Claims (10)

1.一种基于驻极电荷电子效应降低摩擦的方法，其特征在于具体步骤如下：
制备SiO2驻极体sol-gel前驱液；将要进行旋涂的基底部件经过清洗装置后装入匀胶机；用旋涂法在基底上动态滴胶形成SiO2湿凝胶，将其送入烘箱烘干，然后在真空管式炉中进行高温退火处理；将涂覆好的SiO2薄膜放在直流高压电场中进行电晕放电轰击薄膜，两电极间形成的高压电场会使电介质和针尖与薄膜表面之间的空气击穿，向SiO2薄膜内驻入电荷，形成SiO2驻极体薄膜；将等参数下驻入电荷的两片带有SiO2驻极体薄膜的摩擦副进行面-面对磨，启动主机，摩擦副开始工作，测试摩擦副表面的摩擦系数。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述驻极体材料来源为生物驻极体材料、无机驻极体材料或者高分子聚合物驻极体材料；所述基底部件材质为单晶硅片、不锈钢或轴承钢。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述SiO2驻极体sol-gel前驱液采用正硅酸乙酯、乙醇与异丙醇的混合物、去离子水和体积百分比浓度为36 %～38 %盐酸为原料，将正硅酸乙酯和所需乙醇与异丙醇的混合物的一半加入到三口烧杯中，在带有油浴加热装置的磁力搅拌器上搅拌1-2h，将溶液温度恒定在40-90℃将H2O和剩余乙醇与异丙醇的混合物以及催化剂HCl缓慢加入三口烧杯中，持续搅拌5-15h，即可得到透明的SiO2溶胶，最后将所得溶胶室温静置10-30h。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于所述去离子水与正硅酸乙酯的体积比为6；乙醇与异丙醇的混合物与正硅酸乙酯的体积比为8；盐酸与正硅酸乙酯的体积比为29×10-3。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述清洗装置中依次用丙酮、无水乙醇、去离子水经超声波清洗10-30min，用N2干燥后备用。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述送入烘箱烘干的条件：35-55℃，1-2h。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述旋涂法是将清洗干净的Si(100)基片衬底置于匀胶机上，用胶头滴管吸取SiO2驻极体sol-gel前驱液以动态滴胶的方式滴加于硅基片的表面形成湿膜，启动匀胶机并以300-1000rpm的速度滴胶5-15s，再以2000-4000rpm的速度旋涂20-30s；将旋涂后得到的SiO2湿膜送入烘箱中以50-100℃的温度烘干1-2h。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述高温退火处理是将干燥后的SiO2薄膜送入真空管式炉，以1-5℃/min的升温速率升温至600-1100℃，保温0.5-1h后随炉冷却。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述驻极体的形成是将涂覆好的SiO2薄膜放在直流高压电场中进行电晕放电轰击SiO2薄膜，向SiO2薄膜内驻入电荷，所用的驻极充电电压为5-15kv，栅极充电电压为0.5-1kv，针尖与SiO2薄膜表面的距离为10-50mm，栅极与薄膜表面的距离为1-5mm，充电时间为5-10min。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的摩擦测试是将两片SiO2驻极体的进行面-面对磨，摩擦是载荷为2-20N，摩擦频率为1-5Hz，摩擦时间为30-600min。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN103097968A (zh) * 2010-07-30 2013-05-08 斯沃奇集团研究和开发有限公司 在钟表机芯中的具有减小的接触或者无接触的力传动装置

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