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摩擦起電是界面摩擦過程中普遍存在的一種物理現(xiàn)象，其電荷積累易導致表面帶電。特別是對含油界面，界面靜電原位復合被抑制，靜電積累加劇，易導致油品積碳和加速氧化失效，其危害不容忽視。固-液界面摩擦起電的機理復雜，既受控于界面雙電層的性質(zhì)，又受控于液體在固體表面的潤濕行為與界面性質(zhì)，這為開展固液界面摩擦起電機理與靜電防護研究帶來極大挑戰(zhàn)。
近年來，中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室王道愛研究員團隊，將摩擦學研究與界面摩擦電研究相結(jié)合，從宏觀到微觀，系統(tǒng)研究了界面摩擦電子產(chǎn)生與積累對材料性能的影響規(guī)律和調(diào)控機理，并研究了其在摩擦與潤滑界面監(jiān)測、輸運管道預警、摩擦調(diào)控等領(lǐng)域的初步應用。
影響固液界面摩擦起電的因素眾多，導致人們對其機理與本質(zhì)的認識未完全統(tǒng)一。該團隊通過建立固液界面的新模型，探究了摩擦起電機制與界面雙電層的內(nèi)在關(guān)系，研究了溫度耗散、液體離子濃度、pH導致的反離子吸附、表面組分等因素的影響，揭示了電子轉(zhuǎn)移和離子轉(zhuǎn)移在固-液界面起電中的共同作用（圖1）。為進一步通過調(diào)控潤滑介質(zhì)組分實現(xiàn)機械裝備中摩擦界面的靜電防護提供了理論和技術(shù)支持。此外，研究人員還系統(tǒng)研究了油-固摩擦界面的摩擦起電行為，揭示了油潤滑界面摩擦起電與潤濕性的關(guān)系，闡釋了潤滑油性質(zhì)與摩擦起電的關(guān)系，設計了基于摩擦電的潤滑品靜電預警及油潤滑界面乏油狀態(tài)預警系統(tǒng)。相關(guān)研究成果發(fā)表在Nano Energy（2022, 104, 107900;2022, 104, 107930; 2020, 78, 105370）和 Tribology International（2022, 165, 107323）上。
圖1 固-液界面摩擦起電示意圖及影響因素
表面潤濕行為是影響固液摩擦起電的另一重要因素。該團隊通過設計材料表面結(jié)構(gòu)、組分、界面接觸等因素，系統(tǒng)探究了固-液界面潤濕性、黏附和界面接觸與摩擦起電的相互關(guān)系。通過固-液摩擦起電準確地量化和跟蹤了潤濕動力學（圖2），進而原位揭示了表面微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控潤濕轉(zhuǎn)變行為的機制。此外，研究人員還根據(jù)PCL構(gòu)象變化與摩擦電學行為之間的密切相關(guān)性，利用液-固摩擦電信號研究了兩親性聚合物的表面重構(gòu)行為，探索了其在界面潤濕性監(jiān)測和智能潤滑檢測等領(lǐng)域中的潛在應用。相關(guān)成果發(fā)表在Advanced Science (2022, 9, e2200822)、Advanced Functional Materials（2021, 31, 2010220; 2019, 29, 1903587）上。
圖2 固-液界面摩擦起電解析胡模型與潤濕性轉(zhuǎn)變跟蹤
近日，該團隊利用一種類似文丘里管的結(jié)構(gòu)，通過耦聯(lián)摩擦起電效應與擊穿放電效應，創(chuàng)新性地研究了氣體-液體兩相流與固體界面的摩擦起電行為。研究人員利用流體的流變學性能，解決了固-液在摩擦起電收集過程中接觸面積小、接觸分離速度、輸出性能低等問題，實現(xiàn)了用1.0 mL水獲得3789V和867μA瞬時電流和電壓輸出的新紀錄，分別是傳統(tǒng)設計的1890和430倍（圖3）。在微觀的電荷轉(zhuǎn)移機理方面，基于密度泛函理論（DFT）建立模型對固-液界面的電荷轉(zhuǎn)移進行仿真模擬，利用專業(yè)的流體仿真軟件和高速攝像機對氣液兩相流在固體器件內(nèi)的動力學特性進行分析。該研究對認識多相流與固體界面之間的摩擦起電行為以及機械運動過程中高速油液的靜電防護具有重要意義。該研究工作以“Gas-liquid two-phase flow-based triboelectric nanogenerator with ultrahigh output power”為題發(fā)表在Science Advances（2022, 8, eadd0464）上。
圖3 氣體-液體兩相流摩擦起電機制研究示意圖
上述工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、中科院先導B培育等項目的支持。
標簽： 摩擦起電
