摘要
固-液摩擦起电是一种普遍存在的物理现象，一方面，它作为一种新的电能产生方式，与静电感应原理相结合可从各种水中获取能量;另一方面，由于静电积累形成的高压和放电是造成石油工业中许多爆炸事故的重要原因之一。因此，深入研究固-液摩擦与接触起电机理及其影响因素，进而实现固.液摩擦起电的控制具有重大意义。本论文首先综述了固-液摩擦起电的原理与研究现状，然后将摩擦起电现象与静电感应原理相结合，从材料结构设计、表面组分改性、界面润湿性调控三个方面分别探讨了摩擦层结构、组分、界面润湿性之间的关系及其对固一液摩擦起电行为的贡献，进而阐明固-液摩擦起电的影响机制，并研究了固.液摩擦起电在能源收集、传感监测等领域的应用。主要的研究内容和结果如下: 1.水一固界面摩擦起电的影响因素及机理研究。以聚丙烯材料和水组成摩擦副，系统地研究了摩擦层表面结构、组分、界面润湿性等因素对固-液摩擦起电的影响。首先以阳极氧化铝为模板，通过热压法制备了不同微观结构的聚丙烯(PP)纳米线;然后利用自组装方法在光滑的PP薄膜表面引入不同的功能分子(氨基、烷基、氟基)构筑不同表面组成的摩擦对偶材料，最后设计组成油罐车模型的水一固摩擦起电器件，表征其摩擦起电行为。结果表明，水-固摩擦起电行为对于摩擦层组分的敏感程度高于结构，而从宏观来看，界面润湿性对固-液摩擦起电效率及电信号的稳定性起决定性作用。此研究为固.液摩擦电的调控提供了基本的和普适性的原则，对其在水能的收集和防静电设计领域的应用均有指导性作用。 2.温度响应性分子聚己内酯(PCL)对固-液界面摩擦起电行为的智能调控机理及应用。首次将温度响应性的分子PCL材料引入到固.液摩擦界面，考察温度对摩擦电信号的原位智能调控行为。试验结果表明，当温度从20℃升高至40℃时，短路电流和输出电压急剧下降约40倍。当温度再次降至20℃时，电输出又恢复到原来的水平。由于PCL表面重构行为的可逆性以及固体摩擦层在卒气和水中的长期稳定性，经多次冷热循环过程甚至放置一个月后，电输出仍具有良好的可逆性和稳定性。除了水之外，具有低表面张力的乙二醇在PCL修饰的材料表面的电性能对温度也表现出良好的可逆响应。此表面摩擦电行为的温度响应机制是由PCL两亲性聚合物在环境刺激下的表面重构引起的。基于此，根据界面润湿性的变化与摩擦电性能变化之间的相关性，提出了一种利用摩擦电输出监测界面润湿性变化和两亲聚合物表面重构的新方法。 3.液滴在固体壁表面的弹跳起电的动力学行为研究。利用PTFE表面构筑微米柱状结构，设计组装了水滴基单电极TENG。将高速摄像机与电流放大器相偶联，实现了水滴的运动状态和摩擦起电行为的同步关联检测，阐明了水滴的弹跳运动行为与其引起的起电行为的关系。实验结果表明，摩擦电信号的大小和极性与水滴的运动状态有很强的相关性。当水滴单方向远离基底时，得到负极性的电流峰。当水滴单方向靠近基底时，得到正极性的电流峰。当水滴在原先的运动方向上达到极限时，对应着静电平衡状态。在水滴弹跳的过程中，其动能不断的被耗散，电信号也逐渐减小并趋于基线。此研究原位地定量化地呈现了水滴弹跳过程中的摩擦起电变化情况，对深入阐述固-液摩擦起电机理提供了实验依据，并为追踪液滴的微观运动状态提供了一种新监测方法和手段。 4.油一固界面性质对油固摩擦起电的影响、调控机理及在传感检沏0领域的应用设计。以金属铝、不同表面微结构的氧化铝、不同表面化学成分的氧化铝为固体摩擦层，液体石蜡作为液体摩擦层组装油.固摩擦起电器件。通过控制固体壁的表面粗糙度、组分和界面润湿性，系统地研究了油-固界面性质对油.固摩擦电荷的大小、摩擦起电极性和摩擦起电信号演化的影响。结果表明，降低固体壁面粗糙度和缩小油.固摩擦对偶的电极性差异可以有效地减少油一固界面产生的电荷数量，而通过控制界面润湿性可以调控油中净电荷的产生和积累速率。基于上述研究结果，设计了一个完全封装的油基TENG作为传感器，实现了对油中水的沉降起电行为的精确检测。当油中水的体积占比为4.7％时，油中的电荷与初始相比增加了6.5倍。基于此，为避免油中电荷不断累积可能引起火灾或爆炸，设计了一种隐蔽式无线预警传感器，当油中的电荷积累达到临界预定值时可自动发出警报，该研究可为石油工业中油固摩擦电荷的防治提供理论依据和技术指导。
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