据统计，摩擦消耗了世界一次能源的1/3左右，磨损造成了约60%的设备破坏或故障。减小摩擦、降低磨损可以有效地延长设备使役寿命，减小能源的消耗和浪费，是助力实现“双碳”目标的重要技术手段。然而，随着机械工程装备向微型化、智能化发展，目前传统的摩擦学设计方法遇到了瓶颈，摩擦界面的电荷的转移、激发、隧穿等输运行为机制成为影响摩擦学性能的重要因素之一。

为了揭示摩擦过程中的能量耗散机制，近两年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带领的摩擦物理与传感研究团队围绕界面摩擦-摩擦电的相互影响关系进行系统地研究并获得了系列进展：系统研究了影响摩擦副界面摩擦起电的影响因素与制约规律（Adv.Funct.Mater.,31,;,31,），揭示界面能量转化机制、黏附界面的起电机制以及材料转移对摩擦起电的影响机制(NanoEnergy,,95,;,90,;摩擦学学报,,41(06):-)；提出基于界面电荷复合、热电子耗散等界面静电抑制策略(NanoEnergy,91,;,89,)，并发展了基于界面电荷调控的减摩抗磨新方法(NanoEnergy,,87，;)与智能润滑监测新技术（TribologyInternational,,,;Research,）。

近日，摩擦物理与传感研究团队报道了在超润滑条件下的钢-含氢类金刚石碳膜（DLC）的摩擦学及界面摩擦起电的行为（图1A-C），并设计制备了基于DLC的超润滑的纳米摩擦起电机（SL-TENG），揭示了摩擦学行为以及摩擦起电二者之间的影响规律。在整个摩擦过程中，摩擦系数保持在0.01以下，属于宏观的超润滑摩擦状态，具有极低的磨损和超长的运行寿命。在此运动过程中，随着DLC与钢球的滑动摩擦，在其接触界面处可能会由于摩擦产生电子的转移、激发、能级跃迁、隧穿等起电行为并对其摩擦学行为产生负面影响。在此，我们通过合理的电学设计，将摩擦过程中的电荷持续导出，一方面可能会减小静电吸附对摩擦副运动的负面影响，同时可以实现对摩擦电能的原位收集，实现了摩擦过程中摩擦力及摩擦电信号的原位收集，为揭示宏观超滑过程中的界面起电奠定了基础。在往复摩擦模式下，其摩擦过程中收集的电流和电压最大可达到16nA和0.6V，其电流密度可达到1.7A/m2（图1D-F）。

图1.宏观超润滑摩擦起电器件的概念。（A）含氢DLC的制备示意图。（B）DLC的结构示意图。（C）所组成的超润滑摩擦纳米起电机的器件示意图。（D）短路电流与对应的摩擦系数。（E）输出电压与对应的摩擦系数。（F）电流密度与对应的摩擦系数。如图2所示，在整个摩擦过程中，摩擦系数在降低的过程中摩擦系数逐渐降低直到摩擦系数小于0.01，属于宏观超润滑摩擦状态，这有助于解决摩擦伏特效应常规使用的硅基材料的不耐磨、接触应力高的问题。其原位收集的摩擦电信号却呈现出与摩擦信号不同的变化趋势（图2A），摩擦电信号在升高至-80nA左右时会反向演化，甚至能够使摩擦电极性反转，这可能与转移膜的形成有关（图2B-D）。与其他材料组成的球-盘模式相比，DLC具有较低的摩擦系数以及磨损率，电输出更大，并且在长时间摩擦过程中磨损率基本保持不变（图2E-G）。因此基于DLC的超润滑摩擦纳米起电机在摩擦学和电能收集方面也均具有较大的优势。图2.基于DLC的SL-TENG在摩擦学和电能收集的巨大优势。（A）摩擦1h的电流以及摩擦系数的演化过程。（B）摩擦过后钢球上的磨斑SEM图及（D）对应的EDS示意图。（E）含氢DLC、不含氢GLC、PTFE三种材料的电信号及（F）摩擦系数和磨损率的对比。（G）DLC在不同时间的磨损率的对比。

SL-TENG的工作原理如图3所示。在摩擦过程中收集了直流信号是由于在此摩擦状态下具有摩擦伏特效应。所制备的含氢DLC膜具有p型半导体的性质，当钢球在DLC表面滑动时，受摩擦能量的激发，在摩擦界面会释放一个能量量子并激发界面上的电子-空穴对，被界面上的肖特基势垒分开产生直流电（图3A-C）。另外，在纳米尺度上，C:H悬键和转移膜的形成对降低摩擦阻力有重要贡献，采用密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法，研究了转移膜以及氢封端对摩擦过程中界面摩擦能的影响，确定氢封端之后对摩擦阻力的显著影响（图3D,E）。

图3.SL-TENG的工作原理。（A）接触界面及界面电子流向示意图。（B）初始阶段摩擦时的界面的能带示意图。（C）器件的等效电路。（D）不含氢及（E）含氢的摩擦界面及其势能面图。

最后，对SL-TENG的应用进行了探索，验证了SL-TENG摩擦界面采集能量及利用的可行性，其摩擦过程中的电流、电压分别为60nA和0.55V,摩擦系数约为0.，峰值电流密度和功率密度分别为1.7A/m2和5.W/m2（图4A-E）。通过原位地收集摩擦过程中的电能可以在无需整流的情况下点亮LED灯。另外，界面的摩擦学信息以及摩擦起电信号之间存在密切的联系，当一方变化时，另一方也会发生变化。当摩擦环境发生变化时，超润滑摩擦状态失效，因此随着氮气和空气的间歇注入，构筑了超润滑状态失效条件，通过电信号及外部电路实现了摩擦状态的可视化监测，这有助于摩擦状态及摩擦副状态的在线监测，并为揭示界面摩擦能量耗散方式提供数据支持（图4F,G）。总之，该研究对认识摩擦、摩擦起电、润滑行为的科学关系，发展高性能抗磨半导体基自供能器件，实现摩擦副摩擦状态在线监测具有重要意义。

图4.超润滑状态下的电能利用及自供能的超润滑状态失效在线监测。（A）旋转模式下在摩擦过程中原位点亮LED灯。（B）电流。（C）输出电压。（D）摩擦系数。（E）电流密度以及功率密度。（F）随着气氛变化超润滑失效-恢复过程的电流和摩擦系数。（G）通过外部电路实现超润滑过程失效的监测。该研究工作以“Macro-superlubrictriboelectricnanogeneratorbasedontribovoltaiceffect”为题发表在Matter上，中国科学院兰州化学物理研究所助理研究员张立强、南京航空航天大学蔡海芳博士、中科院北京纳米能源与系统研究所许亮老师为论文第一作者，兰州化物所王道爱研究员为通讯作者，南京航空航天大学郭宇锋教授、郭万林院士和中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士为共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金重点项目、中科院战略性先导科技专项及兰州化物所“十四五”规划项目等的支持。

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