[发明专利]一种超滑滑块长距离零磨损滑动的装置

说明书

本发明提供了一种超滑滑块长距离零磨损滑动的装置，包括一个超滑滑块和一个超滑底板，超滑滑块置于超滑底板上，其中，超滑滑块为矩形、其下表面为超滑面，超滑底板为长条形、其上表面为超滑面，超滑滑块与超滑底板的宽度相等，滑块边缘与底板边缘重合，二者以最大面积重合。超滑状态得以长时间地保持，滑块能够长距离的滑行。本发明中的超滑滑块与超滑底板，仅需通过几何形状的设计，即可实现约束旋转的功能，无需增加工艺难度。

技术领域

本发明涉及结构超滑领域，尤其涉及一种超滑滑块长距离零磨损滑动的装置。

背景技术

超滑现象是发生在非公度的固体界面间摩擦和磨损几乎为零的现象。在该现象发现的早期，研究局限于纳米尺度、低速、真空环境。2012年郑泉水团队创新性地通过高定向热解石墨刻蚀形成的石墨岛系统，发现了微米级尺度的超滑现象(参见Liu Z,YangJ,GreyF,etal.Observation of microscale superlubricity in graphite.[J].PhysicalReview Letters,2012,108(20):205503.)这一突破为超滑现象应用于微米尺度器件奠定了基础，如利用超滑滑块设计接触式硬盘读写头、滑块与盘体的技术、以及利用超滑滑块设计RF MEMS开关的技术等。

然而，实现长距离可靠的超滑滑动是上述超滑器件和技术的基础。由于超滑现象的发生以界面非公度作为基本条件，决定了该现象与界面相对转角密切相关。对于同质材料构成的超滑界面，若初始非公度的超滑界面发生了旋转进入公度状态，则超滑失效，界面不再具有极低摩擦和极低磨损的特性。研究表明，不加约束的超滑滑块极其容易在环境的多种扰动(例如热扰动、加载系统的机械扰动等)诱发下，转向公度状态，从而导致超滑灾难性的失效。该现象普遍存在于多种同质材料构成的超滑体系。以石墨超滑滑块为例，研究表明初始非公度的超滑滑块在旋转进入公度状态之后，常常出现“锁死”，无法再实现超滑滑动。因此，为维持超滑状态，必须对超滑滑块的转角施加约束，使其在滑动中仅平动而不旋转。同时，在实现该约束的过程中应尽量避免额外的机械接触，否则可能带来额外摩擦和磨损。

发明内容

本发明针对上述技术问题，即超滑滑块易于旋转并失去超滑特性的问题，通过大量的设计和实验工作，提出了解决方案。

一种超滑滑块长距离零磨损滑动的装置，包括一个超滑滑块和一个超滑底板，超滑滑块置于超滑底板上，其中，超滑滑块为矩形、其下表面为超滑面，超滑底板为长条形、其上表面为超滑面，超滑滑块与超滑底板的宽度相等，滑块边缘与底板边缘重合，二者以最大面积重合。

所述超滑滑块为长方形或正方形。

所述超滑滑块为长度1-10μm，宽度1-10μm，厚度20nm-10μm。

所述超滑底板为长条形，宽度1-10μm，长度10-100μm，高度20nm-10μm。

超滑滑块材料可以选自石墨、石墨烯、六方氮化硼、二硫化钼、二硒化钼、氟化石墨烯、二硫化钨、二硒化钨、铋、钼或云母。

超滑底板为具有原子级平整表面的任意材料；优选为石墨、类金刚石、固体介质材料、绝缘聚合物材料；更优选为石墨、石墨烯、六方氮化硼、二硫化钼、二硫化钨、二硒化钨、铋、钼或云母。

此时重合的边缘能够对滑块的旋转产生约束作用。具体来讲，通过大量的计算模拟表明，当滑块边缘与底板边缘重合时，滑块与底板间界面能此时处于最低，该能量最低点意味着滑块与底板间自发存在抵抗旋转的力矩，使得滑块能够在底板上沿一个方向(即超滑底板的长度方向)零磨损滑动，并且不发生转动。因此，超滑状态得以长时间地保持，滑块能够长距离的滑行。本发明中的超滑滑块与超滑底板，仅需通过几何形状的设计，即可实现约束旋转的功能，无需增加工艺难度。

本发明还提供了一种制备所述超滑滑块长距离零磨损滑行装置的方法：

步骤1)制备超滑底板，