[發(fā)明專利]一種超滑滑塊長距離零磨損滑動的裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910477140.0
• 申請日: 2019-06-03
• 公開（公告）號: CN110230641B
• 公開（公告）日: 2021-06-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 姜海洋
• 申請（專利權(quán)）人: 深圳清華大學(xué)研究院
• 主分類號: F16C29/02
• 分類號: F16C29/02;F16C33/02
• 代理公司: 深圳市惠邦知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 44271
• 代理人: 滿群

本發(fā)明提供了一種超滑滑塊長距離零磨損滑動的裝置，包括一個(gè)超滑滑塊和一個(gè)超滑底板，超滑滑塊置于超滑底板上，其中，超滑滑塊為矩形、其下表面為超滑面，超滑底板為長條形、其上表面為超滑面，超滑滑塊與超滑底板的寬度相等，滑塊邊緣與底板邊緣重合，二者以最大面積重合。超滑狀態(tài)得以長時(shí)間地保持，滑塊能夠長距離的滑行。本發(fā)明中的超滑滑塊與超滑底板，僅需通過幾何形狀的設(shè)計(jì)，即可實(shí)現(xiàn)約束旋轉(zhuǎn)的功能，無需增加工藝難度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)超滑領(lǐng)域，尤其涉及一種超滑滑塊長距離零磨損滑動的裝置。

背景技術(shù)

超滑現(xiàn)象是發(fā)生在非公度的固體界面間摩擦和磨損幾乎為零的現(xiàn)象。在該現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)的早期，研究局限于納米尺度、低速、真空環(huán)境。2012年鄭泉水團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地通過高定向熱解石墨刻蝕形成的石墨島系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)了微米級尺度的超滑現(xiàn)象(參見Liu Z,YangJ,GreyF,etal.Observation of microscale superlubricity in graphite.[J].PhysicalReview Letters,2012,108(20):205503.)這一突破為超滑現(xiàn)象應(yīng)用于微米尺度器件奠定了基礎(chǔ)，如利用超滑滑塊設(shè)計(jì)接觸式硬盤讀寫頭、滑塊與盤體的技術(shù)、以及利用超滑滑塊設(shè)計(jì)RF MEMS開關(guān)的技術(shù)等。

然而，實(shí)現(xiàn)長距離可靠的超滑滑動是上述超滑器件和技術(shù)的基礎(chǔ)。由于超滑現(xiàn)象的發(fā)生以界面非公度作為基本條件，決定了該現(xiàn)象與界面相對轉(zhuǎn)角密切相關(guān)。對于同質(zhì)材料構(gòu)成的超滑界面，若初始非公度的超滑界面發(fā)生了旋轉(zhuǎn)進(jìn)入公度狀態(tài)，則超滑失效，界面不再具有極低摩擦和極低磨損的特性。研究表明，不加約束的超滑滑塊極其容易在環(huán)境的多種擾動(例如熱擾動、加載系統(tǒng)的機(jī)械擾動等)誘發(fā)下，轉(zhuǎn)向公度狀態(tài)，從而導(dǎo)致超滑災(zāi)難性的失效。該現(xiàn)象普遍存在于多種同質(zhì)材料構(gòu)成的超滑體系。以石墨超滑滑塊為例，研究表明初始非公度的超滑滑塊在旋轉(zhuǎn)進(jìn)入公度狀態(tài)之后，常常出現(xiàn)“鎖死”，無法再實(shí)現(xiàn)超滑滑動。因此，為維持超滑狀態(tài)，必須對超滑滑塊的轉(zhuǎn)角施加約束，使其在滑動中僅平動而不旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，在實(shí)現(xiàn)該約束的過程中應(yīng)盡量避免額外的機(jī)械接觸，否則可能帶來額外摩擦和磨損。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對上述技術(shù)問題，即超滑滑塊易于旋轉(zhuǎn)并失去超滑特性的問題，通過大量的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)工作，提出了解決方案。

一種超滑滑塊長距離零磨損滑動的裝置，包括一個(gè)超滑滑塊和一個(gè)超滑底板，超滑滑塊置于超滑底板上，其中，超滑滑塊為矩形、其下表面為超滑面，超滑底板為長條形、其上表面為超滑面，超滑滑塊與超滑底板的寬度相等，滑塊邊緣與底板邊緣重合，二者以最大面積重合。

所述超滑滑塊為長方形或正方形。

所述超滑滑塊為長度1-10μm，寬度1-10μm，厚度20nm-10μm。

所述超滑底板為長條形，寬度1-10μm，長度10-100μm，高度20nm-10μm。

超滑滑塊材料可以選自石墨、石墨烯、六方氮化硼、二硫化鉬、二硒化鉬、氟化石墨烯、二硫化鎢、二硒化鎢、鉍、鉬或云母。

超滑底板為具有原子級平整表面的任意材料；優(yōu)選為石墨、類金剛石、固體介質(zhì)材料、絕緣聚合物材料；更優(yōu)選為石墨、石墨烯、六方氮化硼、二硫化鉬、二硫化鎢、二硒化鎢、鉍、鉬或云母。

此時(shí)重合的邊緣能夠?qū)瑝K的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生約束作用。具體來講，通過大量的計(jì)算模擬表明，當(dāng)滑塊邊緣與底板邊緣重合時(shí)，滑塊與底板間界面能此時(shí)處于最低，該能量最低點(diǎn)意味著滑塊與底板間自發(fā)存在抵抗旋轉(zhuǎn)的力矩，使得滑塊能夠在底板上沿一個(gè)方向(即超滑底板的長度方向)零磨損滑動，并且不發(fā)生轉(zhuǎn)動。因此，超滑狀態(tài)得以長時(shí)間地保持，滑塊能夠長距離的滑行。本發(fā)明中的超滑滑塊與超滑底板，僅需通過幾何形狀的設(shè)計(jì)，即可實(shí)現(xiàn)約束旋轉(zhuǎn)的功能，無需增加工藝難度。

本發(fā)明還提供了一種制備所述超滑滑塊長距離零磨損滑行裝置的方法：

步驟1)制備超滑底板，