| 摩擦起电的界面行为调控及界面传感设计研究 | |
| Alternative Title | 无 |
张立强
| |
| Thesis Advisor | 王道爱 |
| 2021-05-26 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 工学博士 |
| Degree Discipline | 材料学 |
| Keyword | 摩擦起电 界面状态 黏附 摩擦 在线监测 Triboelectrification Interface state Adhesion Friction Online monitoring |
| Abstract | 摩擦起电作为摩擦界面中普遍存在的现象而被广泛地研究。一方面由摩擦产生的静电会给人们的生产和生活带来困扰和安全隐患，需要对材料的摩擦起电进行限制；另一方面在摩擦运动中产生的静电也可以通过电路设计被利用起来，在分布式能源获取、自供能传感、摩擦学行为的在线监测等研究领域具有广阔的应用前景。摩擦起电发生在材料表面，与两摩擦副的界面的接触、黏附、摩擦磨损等行为密切相关，研究不同类型界面的摩擦起电的机理对探索摩擦的电子起源和指导设计新型监测传感器具有重要的科学意义和应用研究价值。基于此，本论文以界面接触状态为研究主线对几种不同界面的摩擦起电行为与机理展开研究，并探索了其在摩擦状态原位监测方面的应用。主要研究内容如下： 1.黏附界面的剥离起电行为研究。黏附是在界面的接触和摩擦过程中普遍存在的现象。通过将黏附力测试仪以及万能材料试验机分别与摩擦电信号收集系统耦合连接，系统地研究了黏附胶带剥离时的摩擦起电行为。研究发现，界面的黏附作用与界面剥离时的起电量呈正相关关系，反映了剥离起电与界面接触、脱附时的面积以及通过分子链滑移变形引起的界面能量耗散之间的关系。研究还发现，通过栅形结构可以有效地降低剥离时的界面能量耗散区域面积，其起电幅值最大可增加4倍。同时，增加界面分离速度、减小界面剥离角度也有利于增加剥离起电的幅值。基于胶带与含氟薄膜的起电设计可以实现3 μA的电流输出，并基于此设计实现了对界面断裂的传感检测。 2.界面材料转移对钢-聚四氟乙烯（PTFE）的摩擦起电行为影响的研究。通过收集摩擦过程中摩擦系数，钢球的接地电流以及聚四氟乙烯的表面电势，系统地研究了钢-PTFE的摩擦电行为。这几种信号的波动幅度呈正相关关系，反映了摩擦与摩擦起电之间的内源性联系。通过改变摩擦副的运动模式使得电流信号出现双极性或单极性的峰形，通过分析其摩擦界面处的电子流动解释了这种现象的形成机理。研究还发现，在钢-PTFE的摩擦过程中，界面的材料转移会引起PTFE的表面电势呈现出非单调性变化的趋势，PTFE的表面电势的反转初始时间对应于摩擦系数进入稳定阶段的时间，这对于钢-PTFE或其他金属聚合物的摩擦监测具有潜在的应用价值。 3.基于钢-含氢类金刚石碳膜（DLC）的超润滑界面的摩擦起电研究及摩擦状态传感监测设计。在球-盘接触的持续摩擦下将摩擦试验机与摩擦电信号测试系统进行耦合，实现了在宏观摩擦状态下具有超润滑性的摩擦电能的收集和与传感利用，并在摩擦系数小于0.01的摩擦过程中到了1.7 A / m2的大电流输出密度和5.8 W / m2的高能量输出密度。研究发现，在摩擦过程中转移膜的形成对摩擦电信号的演变具有重要的影响。通过第一性原理计算证明了DLC膜上的超低摩擦主要归因于氢封端的表面。在起电过程中，电荷主要在DLC和sp2杂化碳转移层之间交换。基于摩擦电与摩擦系数密不可分的关系，提出了一种基于摩擦起电在线监测超润滑摩擦状态失效的方法。此设计将摩擦系数和摩擦电紧密结合，为机械运动的能量收集和摩擦状态原位监测提供了新的策略，在摩擦学和自供电传感领域具有重要的应用价值。 4.系统研究了界面的电子、离子对固-液界面摩擦起电的影响，探究了固-液界面摩擦起电的微观机理。与固-固界面不同，固-液界面的摩擦起电不仅存在电子转移，还存在离子的转移和吸附。从固-液界面出发系统研究了温度、离子浓度、pH值、表面组分等因素对固-液界面摩擦起电的影响，探究了电子转移和离子转移对固-液界面摩擦起电的作用机制。温度的增加会引起电子的耗散，在较高温度下离子的转移占据主导地位。固-液界面的摩擦起电行为对于水溶液的离子浓度具有非单调性的响应趋势，并受到其润湿性的影响。溶液中离子与表面反应形成的吸附以及离子浓度的变化使得摩擦起电出现了两个极性相反的峰值。改变表面组分不仅改变了摩擦电的大小还改变了其摩擦电的极性。将摩擦起电与固-液界面的状态联系起来为实现固-液界面状态的原位监测提供了新思路。 |
| Other Abstract | 无 |
| MOST Discipline Catalogue | Materialogy |
| Pages | 127 |
| Language | 中文 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/29124 |
| Collection | 固体润滑国家重点实验室（LSL） |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 张立强. 摩擦起电的界面行为调控及界面传感设计研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2021. |
| Files in This Item: | ||||||
| File Name/Size | DocType | Version | Access | License | ||
| 202172张立强.pdf（9656KB） | 学位论文 | 开放获取 | CC BY-NC-SA | View Application Full Text | ||
Items in the repository are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Edit Comment