科研進(jìn)展
蘭州化物所固-液界面摩擦起電研究獲新進(jìn)展
摩擦起電是界面摩擦過(guò)程中普遍存在的一種物理現象，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(kāi)展固液界面摩擦起電機理與靜電防護研究帶來(lái)極大挑戰。
近年來(lái)，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤滑國家重點(diǎn)實(shí)驗室王道愛(ài)研究員團隊，將摩擦學(xué)研究與界面摩擦電研究相結合，從宏觀(guān)到微觀(guān)，系統研究了界面摩擦電子產(chǎn)生與積累對材料性能的影響規律和調控機理，并研究了其在摩擦與潤滑界面監測、輸運管道預警、摩擦調控等領(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)的認識未完全統一。該團隊通過(guò)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，揭示了電子轉移和離子轉移在固-液界面起電中的共同作用（圖1）。為進(jìn)一步通過(guò)調控潤滑介質(zhì)組分實(shí)現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。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(guò)設計材料表面結構、組分、界面接觸等因素，系統探究了固-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(guò)固-液摩擦起電準確地量化和跟蹤了潤濕動(dòng)力學(xué)（圖2），進(jìn)而原位揭示了表面微觀(guān)結構調控潤濕轉變行為的機制。此外，研究人員還根據PCL構象變化與摩擦電學(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行為，探索了其在界面潤濕性監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變跟蹤
近日，該團隊利用一種類(lèi)似文丘里管的結構，通過(guò)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(xué)性能，解決了固-液在摩擦起電收集過(guò)程中接觸面積小、接觸分離速度、輸出性能低等問(wèn)題，實(shí)現了用1.0 mL水獲得3789V和867μA瞬時(shí)電流和電壓輸出的新紀錄，分別是傳統設計的1890和430倍（圖3）。在微觀(guān)的電荷轉移機理方面，基于密度泛函理論（DFT）建立模型對固-液界面的電荷轉移進(jìn)行仿真模擬，利用專(zhuān)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的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)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(dòng)過(guò)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(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、中科院先導B培育等項目的支持。
