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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(dǎo)致表面帶電。特別是對含油界面，界面靜電原位復(fù)合被抑制，靜電積累加劇，易導(dǎo)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(jī)理復(fù)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(jī)理與靜電防護(hù)研究帶來極大挑戰(zhàn)。
近年來，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤滑國家重點實驗室王道愛研究員團(tuán)隊，將摩擦學(xué)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(jī)理，并研究了其在摩擦與潤滑界面監(jiān)測、輸運管道預(yù)警、摩擦調(diào)控等領(lǐng)域的初步應(yīng)用。
影響固液界面摩擦起電的因素眾多，導(dǎo)致人們對其機(jī)理與本質(zhì)的認(rèn)識未完全統(tǒng)一。該團(tuán)隊通過建立固液界面的新模型，探究了摩擦起電機(jī)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(dǎo)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(jìn)一步通過調(diào)控潤滑介質(zhì)組分實現(xiàn)機(jī)械裝備中摩擦界面的靜電防護(hù)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(shè)計了基于摩擦電的潤滑品靜電預(yù)警及油潤滑界面乏油狀態(tài)預(yù)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(tuán)隊通過設(shè)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(zhǔn)確地量化和跟蹤了潤濕動力學(xué)（圖2），進(jìn)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(jī)制。此外，研究人員還根據(jù)PCL構(gòu)象變化與摩擦電學(xué)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(yīng)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(tuán)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(yīng)與擊穿放電效應(yīng)，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(xué)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(jì)錄，分別是傳統(tǒng)設(shè)計的1890和430倍（圖3）。在微觀的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)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(jìn)行仿真模擬，利用專業(yè)的流體仿真軟件和高速攝像機(jī)對氣液兩相流在固體器件內(nèi)的動力學(xué)特性進(jìn)行分析。該研究對認(rèn)識多相流與固體界面之間的摩擦起電行為以及機(jī)械運動過程中高速油液的靜電防護(hù)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(jī)制研究示意圖
上述工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、中科院先導(dǎo)B培育等項目的支持。
標(biāo)簽： 摩擦起電
