一种调制超润滑界面间摩擦力的方法及器件

1.本发明涉及微机电系统领域，尤其涉及一种调制超润滑界面间摩擦力的方法及器件。

背景技术：

2.随着智能化普及和微纳技术发展，越来越多的新型微纳机电器件出现，它们在信息通讯、航空航天、生物医疗、环境健康、科研仪器等领域的应用潜力巨大。然而随着器件尺寸不断减小，材料比表面积增大，微纳界面的粘附、摩擦和磨损等表面问题变得愈加显著，导致能耗增大、器件性能衰减、器件寿命缩短等问题。“超润滑”技术(即由于非公度接触导致摩擦系数小至10-3
甚至更低)的出现给纳米摩擦学领域带来革新性的变化(中国专利申请号：201310355985.5)，这种层间摩擦力极低甚至为零、无磨损的现象，一方面对降低摩擦损耗、减小能量耗散意义重大，另一方面如果能可逆调制这种“零摩擦”到一个设定值，还能应用在微纳系统的制动和传动功能上。宏观尺度的机械制动器是通过压紧接触和脱离接触产生摩擦矩来实现制动，然而在微纳尺度上，正如之前所说的材料黏附问题很严重，无法实现材料的可控脱粘，因此也许可以基于超润滑技术和可逆的摩擦调制手段实现微纳尺度上的传动和制动功能。但现有关于“超润滑”摩擦力的影响因素的研究大多集中在接触面积、滑动速度、压力、温度、材料体系等，不能应用于已经设计好的特定结构的“超润滑”摩擦力的大幅可逆调制。
3.静电相互作用是微纳机电系统里一种控制机械元件运动的重要手段，它随之带来的库仑相互作用会影响表面吸附和摩擦行为。静电相互作用作为微机电系统发展成熟的一种控制手段，也可用来实现对微纳摩擦力的可控调制。事实上，关于电学调制微纳摩擦的方法已经有一些被文献报道，包括静电相互作用改变有机分子组装体形态以调制摩擦(langmuir 2009,25(20),12114-12119)、施加偏压改变硅pn结载流子浓度以增大摩擦(science 2006,313(5784),186)、通过振荡电压使悬臂梁产生共振以减小摩擦(nature nanotechnology 2006,1(1),20-21)、在二维材料基底和原子力显微镜针尖间加偏压以增大摩擦(applied surface science 2018,455,527-532；physics letters a 2020,384(7),126166)，但大多局限于原子力显微镜针尖和不同材料间的点接触摩擦力的电学调制，这和微机电系统里面实际的面接触形式的滑动摩擦力区别很大，目前还没有针对微纳界面的面接触形式的摩擦力的静电调制，更不要说“超润滑”摩擦力了。
4.因此希望到一种不会破坏微纳界面的“超润滑”摩擦特性，还能可逆调制超润滑界面间摩擦力的方法及器件，实现传动或者制动等一系列功能，应用于微纳机械系统上。

技术实现要素：

5.鉴于此，本发明的目的之一在于解决超润滑界面间摩擦力难以可控调制的技术问题，提供一种调制超润滑界面间摩擦力的方法及器件。
6.为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
7.一种调制超润滑界面间摩擦力的方法，至少包括以下步骤：
8.1)在两个发生相对滑动运动的物体界面分别放置超润滑材料层，使其具有超润滑特性，形成超润滑界面；
9.2)所述两个发生相对滑动运动的物体中至少一个物体除包含所述超润滑材料层之外，还包括介质层和导电层，所述介质层位于所述超润滑材料层和所述导电层之间；
10.3)在所述导电层和所述超润滑材料层之间施加偏压，改变所述超润滑材料层表面的电学状态，从而调制所述超润滑界面的摩擦力。
11.优选地，所述的超润滑材料层选自下列材料中的一种或多种：二维材料、二维异质纳米复合材料粉末、类金刚石薄膜等。所述二维材料可以是石墨烯、过渡硫族金属化合物、六方氮化硼、黑磷、mxene中的一种或多种。
12.优选的，所述介质层选自下列材料中的一种或多种：氧化硅、氧化钽、氧化铪、氧化钨、氧化锌、氧化镁、氧化锆、氧化钛、氧化铝、氧化镍、氧化锗等。
13.优选的，所述导电层选自下列材料中的一种或多种：重掺杂半导体、金属等。所述重掺杂半导体可以是重掺杂硅等；所述金属可以是金、铝、铜、铂等。
14.通过在至少一个所述超润滑材料层和所述导电层之间施加偏压实现摩擦调制的效果，在另一个所述超润滑材料层设计不同电学状态，分别满足增大和减小的摩擦调制效果。
15.本发明公开一种基于调制超润滑界面间摩擦力的传动器件，包括发生相对滑动的主动体和从动体；在主动体和从动体的接触界面分别放置超润滑材料层，使其具有超润滑特性；其中主动体和/或从动体除包含所述超润滑材料层之外，还包括介质层和导电层，所述介质层位于所述超润滑材料层和所述导电层之间；所述基于调制超润滑界面间摩擦力的传动器件还包括为所述超润滑材料层和导电层之间施加电压的装置；当主动体与从动体接触并发生相对滑动时，在所述导电层和所述超润滑材料层之间施加电压，改变超润滑材料层表面的电学状态，增大界面摩擦力或取消界面摩擦力；所述增大界面摩擦力使得主动体带动从动体运动，实现传动功能；所述取消界面摩擦力使得主动体和从动体之间为超润滑状态，取消传动功能。
16.可选地，通过周期性的施加电压，实现主动体和从动体之间周期性的传动，将主动体的往复运动转变为从动体的单向持续运动。
17.本发明还公开一种基于调制超润滑界面间摩擦力的制动器件，包括发生相对滑动的运动体和制动体；在运动体和制动体的接触界面分别放置超润滑材料层，使其具有超润滑特性；其中至少制动体除包含所述超润滑材料层之外，还包括介质层和导电层，所述介质层位于所述超润滑材料层和所述导电层之间；所述基于调制超润滑界面间摩擦力的制动器件还包括为所述超润滑材料层和导电层之间施加电压的装置；当运动体接触到制动体发生相对滑动时，在所述导电层和所述超润滑材料层之间施加偏压，改变超润滑材料层表面的电学状态，增大界面摩擦力使得运动体速度降低甚至停止，实现制动功能。
18.优选的，所述的导电层选自下列材料中的一种或多种：重掺杂半导体、金属。所述重掺杂半导体可以是重掺杂硅等；所述金属可以是金、铝、铜、铂等。
19.优选的，所述的介质层选自下列材料中的一种或多种：氧化硅、氧化钽、氧化铪、氧化钨、氧化锌、氧化镁、氧化锆、氧化钛、氧化铝、氧化镍、氧化锗等。
20.优选的，所述的超润滑材料层选自下列材料中的一种或多种：二维材料、二维异质纳米复合材料粉末、类金刚石薄膜等。所述二维材料可以是石墨烯、过渡硫族金属化合物、六方氮化硼、黑磷、mxene中的一种或多种。
21.调制超润滑界面摩擦力的可能的机理是：如图1所示，通过在所述导电层和所述介质层之上的第一超润滑材料层之间施加偏置电压，第一超润滑材料层表面的电荷密度增加。对于微纳摩擦而言，滑动摩擦力的大小是滑动过程中需要克服的势垒高度。由于电荷密度增加带来的库伦相互作用，所述第一超润滑材料层和所述第二超润滑材料层之间出现静电吸引力和排斥力，超润滑材料层间距改变，层间势能发生改变，导致滑动摩擦能垒高度的增加或减小。当所述第一超润滑材料层和所述第二超润滑材料层的界面发生相对滑动时，层间滑动摩擦力增大或减小，由于超润滑材料层间滑动过程中为真空范德华间隙，在低的层间电场下不会发生电荷隧穿，在滑动过程中可以保持超润滑材料表面的电荷密度，保证摩擦调制的效果。撤去在所述导电层和所述介质层之上的第一超润滑材料层之间施加的偏置电压，第一超润滑材料层表面的电荷密度恢复原状，层间滑动摩擦力恢复，以此可以对摩擦力实现可逆调制。对所述与第一超润滑材料层发生相对滑动的第二超润滑材料层设计不同电学状态，实现所述第一超润滑材料层和所述第二超润滑材料层之间为静电吸引力或者排斥力，以满足不同的摩擦调制效果。当第二超润滑材料层带上和第一超润滑材料层极性相异的电荷时，层间为静电吸引力，超润滑材料层间距减小，层间摩擦能垒升高，滑动摩擦力增大。当第二超润滑材料层和第一超润滑材料层极性相同的电荷时，层间为静电排斥力，超润滑材料层间距增大，层间摩擦能垒降低，滑动摩擦力减小。
22.综上，本发明提出了一种调制超润滑界面间摩擦力的方法及器件，相比之前的电学调制微纳摩擦力的方法，可以实现对微纳固体界面面接触超润滑摩擦力的静电可逆调制，可适用于微机电系统高压、高温、高速等极端工况。电学调制设计结构也与目前微机电系统工艺和设备兼容性高。
附图说明
23.图1是本发明实施例1中一种调制超润滑界面间摩擦力的方法的示意图，其中：1-导电层；2-介质层；3-第一超润滑材料层；4-第二超润滑材料层；5，6-相对滑动运动的物体；导电层和第一超润滑材料层之间有电学连接，第二超润滑材料层可以设计不同电学连接以实现不同调制效果。
24.图2是本发明实施例2中一种基于调制超润滑界面间摩擦力的传动器件的示意图，其中：11-主动轮；12-导电层；13-介质层；14-超润滑材料层；15-从动轮。
25.图3是本发明实施例3中一种基于调制超润滑界面间摩擦力的制动器件示意图，其中：21-金属层；22-介质层；23-纳米片硫化钼滑块；24-纳米片硫化钼滑块；25-操纵滑块23运动的悬臂梁。
26.图4是本发明实施例4中一种减小超润滑界面间摩擦力的器件示意图，其中：31-金属层；32-介质层；33-纳米片氮化硼滑块；34-纳米片氮化硼滑块；35-介质层；36-金属层。
具体实施方式
27.下面通过实施例结合附图进一步详细说明本发明，但不以任何方式限制本发明的
范围。
28.实施例1：
29.如图1所示，本实施例展示一种调制超润滑界面间摩擦力的方法，包括以下步骤：
30.1)在两个发生相对滑动运动的物体5和6的界面分别放置第一超润滑材料层3、第二超润滑材料层4，使其具有超润滑特性，形成超润滑界面.
31.2)两个发生相对滑动运动的物体5和6中至少一个物体除包含超润滑材料层之外，还包括介质层2和导电层1。图1示意了物体5包含介质层2和导电层1，物体6不包含介质层2和导电层1的情况。介质层2位于第一超润滑材料层3和导电层1之间。
32.3)在导电层1和第一超润滑材料层3之间施加偏压，改变第一超润滑材料层3表面的电学状态，从而调制超润滑界面的摩擦力。
33.实施例2：
34.如图2所示，本实施例展示一种基于调制超润滑界面间摩擦力的传动器件包括：发生相对滑动的主动轮11和从动轮15、位于主动轮11之外并由金属组成的导电层12、位于导电层12之外的介质层13、位于介质层13之外的超润滑材料层14，从动轮15上也有相同的导电层12、介质层13和超润滑材料层14的结构。
35.当主动轮11与从动轮15接触并发生相对滑动时，在所述导电层12和所述超润滑材料层14之间施加偏压，改变超润滑材料层表面电学状态，增大界面摩擦力，使得主动轮带动从动轮运动，实现传动功能；或者取消界面摩擦力，使得主动体和从动体之间为超润滑状态，取消传动功能，但由于界面为超润滑状态，运动可以得以保持。可以通过加周期性电压的方式，实现超润滑结构的往复运动。
36.实施例3：
37.如图3所示，本实施例展示的一种基于调制超润滑界面间摩擦力的制动器件包括：金属层21、位于金属层21之上并由氧化硅组成的介质层22、位于介质层22之上的纳米片硫化钼滑块23、位于纳米片硫化钼滑块23上方的纳米片硫化钼滑块24、操纵纳米片硫化钼滑块24运动的悬臂梁25，其中金属层21和纳米片硫化钼滑块23之间通过外加电压源连接，纳米片硫化钼滑块24为悬浮电位。
38.当在金属层21和纳米片硫化钼滑块23之间施加偏压时，半导体性的纳米片硫化钼滑块23被金属-绝缘体-半导体(metal-insulator-semiconductor)结构电容器充电，使得纳米片硫化钼滑块23表面电荷密度增大，例如，当氧化硅厚度为300nm，施加偏压为1v时，硫化钼表面荷电量计算约为1.1495*10-4c/m2。当纳米片硫化钼滑块23和纳米片硫化钼滑块24发生相对滑动运动时，引入一个库仑相互作用引起的能垒，导致总的摩擦能垒升高，滑动摩擦力增大。使得纳米片硫化钼滑块24的运动速度降低甚至停止，实现制动效果。当金属层21和纳米片硫化钼滑块23之间偏压撤去时，硫化钼表面电荷通过导线导走，相应的库仑相互作用能垒消失，导致总的摩擦能垒恢复原状，滑动摩擦力恢复原状。以此可以实现对微纳界面滑动摩擦力的可逆增加调制。
39.实施例4：
40.如图4所示，本实施例展示的一种减小超润滑界面间摩擦力的器件包括：金属层31、位于金属层31之上并由氧化硅组成的介质层32、位于介质层32之上的纳米片氮化硼滑块33，位于纳米片氮化硼滑块3上方的纳米片氮化硼滑块4，位于纳米片氮化硼滑块34上方
的介质层35，位于介质层35上方的金属层36，其中金属层31和纳米片氮化硼滑块33之间通过外加电压源连接，纳米片氮化硼滑块34和金属层36之间通过外加电压源连接，这两个电压源极性相反。
41.当在金属层31和纳米片氮化硼滑块33之间施加一个偏压时，绝缘性的纳米片氮化硼滑块33被金属-绝缘体-绝缘体(metal-insulator-insulator)结构电容器充电，使得纳米片氮化硼滑块33表面电荷密度增大。同时在纳米片氮化硼滑块34和金属层36之间施加一个反向偏压，使得纳米片氮化硼滑块34的表面带上和纳米片氮化硼滑块33表面极性相同的电荷。当纳米片氮化硼滑块33和纳米片氮化硼滑块34发生相对滑动运动时，引入一个库仑相互作用引起的能垒，该能垒和范德华力引起的摩擦能垒符号相反，导致总摩擦能垒减小，滑动摩擦力减小。另一方面，绝缘性的氮化硼滑块难以发生电荷转移，纳米片氮化硼滑块33和纳米片氮化硼滑块34之间产生静电排斥力，导致层间法向支持力减小，也会使得纳米片氮化硼滑块3和纳米片氮化硼滑块34之间滑动摩擦力减小。当金属层31和纳米片氮化硼滑块33之间偏压撤去时，氮化硼表面电荷通过导线导走，相应的库仑相互作用主导能垒消失，导致总的摩擦能垒恢复原状，滑动摩擦力恢复原状。以此可实现对微纳界面滑动摩擦力的可控减小调制。
42.以上公开的本发明的具体实施例，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本发明的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。本发明不应局限于本说明书的实施例所公开的内容，本发明的保护范围以权利要求书界定的范围为准。

技术特征：

1.一种调制超润滑界面间摩擦力的方法，其特征在于，包括：1)在两个发生相对滑动运动的物体界面分别放置超润滑材料层，使其具有超润滑特性，形成超润滑界面；2)所述两个发生相对滑动运动的物体中至少一个物体除包含所述超润滑材料层之外，还包括介质层和导电层，所述介质层位于所述超润滑材料层和所述导电层之间；3)在所述导电层和所述超润滑材料层之间施加电压，改变所述超润滑材料层表面的电学状态，从而调制所述超润滑界面的摩擦力。2.如权利要求1所述的一种调制超润滑界面间摩擦力的方法，其特征在于，所述超润滑材料层选自下列材料中的一种或多种：二维材料、二维异质纳米复合材料粉末、类金刚石薄膜；所述二维材料是石墨烯、过渡硫族金属化合物、六方氮化硼、黑磷、mxene中的一种或多种。3.如权利要求1所述的一种调制超润滑界面间摩擦力的方法，其特征在于，所述介质层选自下列材料中的一种或多种：氧化硅、氧化钽、氧化铪、氧化钨、氧化锌、氧化镁、氧化锆、氧化钛、氧化铝、氧化镍、氧化锗。4.如权利要求1所述的一种调制超润滑界面间摩擦力的方法，其特征在于，所述导电层选自下列材料中的一种或多种：重掺杂半导体、金属；所述重掺杂半导体是重掺杂硅；所述金属是金、铝、铜、或铂。5.如权利要求1所述的一种调制超润滑界面间摩擦力的方法，其特征在于，通过在至少一个所述超润滑材料层和所述导电层之间施加电压实现摩擦调制的效果，在另一个所述超润滑材料层设计不同电学状态以满足增大和减小的摩擦调制效果。6.一种基于调制超润滑界面间摩擦力的传动器件，其特征在于，包括发生相对滑动的主动体和从动体；在主动体和从动体接触界面分别放置超润滑材料层，使其具有超润滑特性；其中主动体和/或从动体除包含所述超润滑材料层之外，还包括介质层和导电层，所述介质层位于所述超润滑材料层和所述导电层之间；所述基于调制超润滑界面间摩擦力的传动器件还包括为所述超润滑材料层和导电层之间施加电压的装置；当主动体与从动体接触并发生相对滑动时，在所述导电层和所述超润滑材料层之间施加电压，改变超润滑材料层表面电学状态，增大界面摩擦力或取消界面摩擦力；所述增大界面摩擦力使得主动体带动从动体运动，实现传动功能；所述取消界面摩擦力使得主动体和从动体之间为超润滑状态，取消传动功能。7.如权利要求6所述的基于调制超润滑界面间摩擦力的传动器件，其特征在于，通过周期性的施加电压，实现主动体和从动体之间周期性的传动，将主动体的往复运动转变为从动体的单向持续运动。8.一种基于调制超润滑界面间摩擦力的制动器件，其特征在于，包括发生相对滑动的运动体和制动体；在运动体和制动体接触界面分别放置超润滑材料层，使其具有超润滑特性；其中至少制动体除包含所述超润滑材料层之外，还包括介质层和导电层，所述介质层位于所述超润滑材料层和所述导电层之间；所述基于调制超润滑界面间摩擦力的制动器件还包括为所述超润滑材料层和导电层之间施加电压的装置；当运动体接触到制动体发生相对滑动时，在所述导电层和所述超润滑材料层之间施加偏压，改变超润滑材料层表面电学状态，增大界面摩擦力使得运动物体速度降低甚至停止，实现制动功能。
9.如权利要求6或8所述的基于调制超润滑界面间摩擦力的传动器件或制动器件，其特征在于，所述导电层选自下列材料中的一种或多种：重掺杂半导体、金属；所述重掺杂半导体是重掺杂硅；所述金属是金、铝、铜、或铂；所述介质层选自下列材料中的一种或多种：氧化硅、氧化钽、氧化铪、氧化钨、氧化锌、氧化镁、氧化锆、氧化钛、氧化铝、氧化镍、氧化锗。10.如权利6或8所述的基于调制超润滑界面间摩擦力的传动器件或制动器件，其特征在于，所述超润滑材料层选自下列材料中的一种或多种：二维材料、二维异质纳米复合材料粉末、类金刚石薄膜；所述二维材料是石墨烯、过渡硫族金属化合物、六方氮化硼、黑磷、mxene中的一种多种。

技术总结

本发明涉及一种调制超润滑界面间摩擦力的方法及器件。该方法包括：1)在两个发生相对滑动运动的物体界面分别放置超润滑材料层，使其具有超润滑特性，形成超润滑界面；2)所述两个发生相对滑动运动的物体中至少一个物体除包含所述超润滑材料层之外，还包括介质层和导电层，所述介质层位于所述超润滑材料层和所述导电层之间；3)在所述导电层和所述超润滑材料层之间施加偏压，改变所述超润滑材料层表面的电学状态，从而调制所述超润滑界面的摩擦力。本发明还实现一种基于调制超润滑界面间摩擦力的传动器件和制动器件。本发明可以实现对微纳固体界面面接触超润滑摩擦力的静电可逆调制，可适用于微机电系统高压、高温、高速等极端工况。工况。工况。