【正文】 全靜電發(fā)電機(jī)的模擬仿真設(shè)計(jì)方案 緒論 靜電發(fā)電機(jī)的簡介及發(fā)展現(xiàn)狀靜電發(fā)電機(jī)是一種利用接觸分離起電，或者感應(yīng)起電,壓電起電和吸附起電等靜電起電原理產(chǎn)生正負(fù)電荷分布不均勻，并加以收集形成高電壓的靜電裝置。如果從理論上來說，人們在日常生活中一舉一動產(chǎn)生的能量都可以為體內(nèi)植入的醫(yī)學(xué)設(shè)備或其余電子產(chǎn)品供電。但是，如何利用人或物的小幅度運(yùn)動產(chǎn)生的電能卻一直是個(gè)難題。 由美國佐治亞理工學(xué)院華裔納米材料科學(xué)家、中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士帶領(lǐng)其研究團(tuán)隊(duì)，發(fā)明微型的摩擦生電納米發(fā)電機(jī)（TENG）。例如平時(shí)的走動，或者揉搓，搖晃一下手機(jī)，即可給它充電，而不必連接電源為其單獨(dú)充電。它不僅可作為自我供電的便攜式電子產(chǎn)品，同時(shí)也為我們在不久的將來提供了一個(gè)新的技術(shù)以解決世界能源危機(jī)這個(gè)重大問題。這種摩擦生電納米發(fā)電機(jī)是基于摩擦起電和靜電感應(yīng)的耦合將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。在內(nèi)部的發(fā)電單元，由于兩層薄膜間表現(xiàn)出相反的摩擦電極性電荷轉(zhuǎn)移，造成一個(gè)電勢差；在外部負(fù)載時(shí)，電子被驅(qū)動在附著于薄膜背側(cè)的兩個(gè)電極之間流動，以平衡電位差。 TENG有三種基本的操作模式：垂直接觸分離模式、平面滑動模式和單電極模式。其輸出功率密度達(dá)到313，體積密度達(dá)到490，并被證明轉(zhuǎn)換效率為50％。被美國《新科學(xué)家》雜志評為與手機(jī)同等重要的發(fā)明，認(rèn)為其將是影響未來10到30年的十大重要技術(shù)之一，開辟了能源轉(zhuǎn)化和應(yīng)用的新范疇[1]。 靜電起電原理 靜電起電原理由于物體的接觸分離、靜電感應(yīng)、介質(zhì)極化和帶電微粒的附著等原因，使物體正負(fù)電荷失去平衡或電荷分布不均，而在宏觀上呈現(xiàn)帶電的過程，稱為靜電起電[2]。任何兩個(gè)不同的物體或處于不同狀態(tài)的同意物體，發(fā)生接觸分離過程時(shí)，都會產(chǎn)生電荷的轉(zhuǎn)移，即發(fā)生靜電現(xiàn)象。只是有的起電過程極其微弱，有的在起電過程中產(chǎn)生的靜電荷被轉(zhuǎn)移或中和，在宏觀上未呈現(xiàn)出靜電帶電現(xiàn)象[2]。物體A的原子中質(zhì)子和電子的數(shù)目相同，物體B也是這樣。兩種物體都是電中性的。當(dāng)兩個(gè)物體接觸后再分離，電荷就從一種物體表面轉(zhuǎn)移到另一物體表面。失去電子的物體帶正電，而得到電子的物體則帶負(fù)電。 圖11兩物體的原子相互接近示意圖 圖12 兩物體的原子相互接分離示意圖 摩擦起電和接觸起電的關(guān)系由于本文要研究的是摩擦力對接觸式起電靜電發(fā)電機(jī)性能的影響，而最初人們又把靜電起電叫做摩擦起電。所以我在這里講一講摩擦起電和接觸起電的關(guān)系。實(shí)際上，摩擦起電也是一種接觸分離起電的一種方式。但摩擦起電并不是接觸起電的唯一方式。單純的接觸再分離過程就會使物體帶電，但是通過摩擦的確可以使接觸起電效應(yīng)明顯增強(qiáng)。摩擦過程實(shí)際上就是相互摩擦的兩個(gè)物體接觸面上不同的接觸點(diǎn)之間連續(xù)不斷的接觸分離過程。摩擦的整個(gè)過程都和靜電起電有關(guān)，由于摩擦?xí)鸬臏囟壬?，材料界面凸起部分的斷裂，熱分解，熱電效?yīng)及壓電效應(yīng)等，這些會使靜電起電的電量變得不同。另外，摩擦的類型（平面沿固定向摩擦還是扭轉(zhuǎn)式或轉(zhuǎn)動式摩擦，對稱摩擦還是非對稱摩擦等）、摩擦?xí)r間（長時(shí)間的摩擦后分離還是瞬時(shí)接觸分離）、摩擦速度（分離速度）、摩擦?xí)r接觸的面積（摩擦長度）和摩擦?xí)r正壓力等因素，都與起電電量有關(guān)。相互摩擦?xí)r兩種物體表面的溫度都要升高。一般情況下，發(fā)生摩擦的兩物體溫度的升高值并不相等，例如銼刀對高聚物進(jìn)行工作時(shí)，即是金屬與高聚物的非對稱摩擦，相當(dāng)于高聚物一方的一點(diǎn)由于長時(shí)間被摩擦，所以溫度就比較高，這里就產(chǎn)生熱點(diǎn)。此外，即使不是非對稱摩擦，物體表面的凸起部分由于經(jīng)常被摩擦也會產(chǎn)生熱點(diǎn)。因?yàn)槟Σ炼鸬木植繙囟壬吲c熱擴(kuò)散一樣，產(chǎn)生帶電載流子從高溫處向低溫處移動，該過程與熱電子發(fā)射相類似。另外摩擦使物體斷裂和熱分解影響接觸起電。比方說把玻璃和各種金屬面加工成光學(xué)平面時(shí)，對于研磨帶電的情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)帶電量隨著研磨次數(shù)的增加而增加，這是由于研磨引起了分子的機(jī)械破裂，從而增加了帶電粒子的數(shù)目。 靜電發(fā)電機(jī)起電原理分類 接觸分離起電接觸分離起電的工作原理在上面已有了詳細(xì)的說明，這里我來說一下接觸分離起電的其中一種方式—剝離起電?；ハ嗑o密結(jié)合的物體在被剝離時(shí)會引起電荷分離而產(chǎn)生的靜電現(xiàn)象，叫做剝離起電[2]。通常情況下，由于物體被剝離前緊密接觸，剝離起電過程中實(shí)際的接觸面積要比發(fā)生摩擦起電時(shí)的接觸面積大得多，所以，在一般情況下摩擦起電產(chǎn)生的靜電量要比剝離起電少。剝離起電會產(chǎn)生很好的靜電電位。剝離起電的起電量由接觸面積，接觸面上的粘著力和剝離的速度大小等決定。 破裂起電當(dāng)物體遭到破壞而破裂時(shí)，破裂后的物體會出現(xiàn)正、負(fù)電荷分布不均勻的現(xiàn)象，由此產(chǎn)生的靜電，稱為破裂起電[2]。破裂起電除了在破裂過程中因摩擦而產(chǎn)生外，有的則是在破裂之前就存在著電荷分布不均勻的情況。破裂起電電量的大小與裂塊的數(shù)量多少，裂塊的大小，破裂速度，破裂前電荷分布不均勻程度等因素有關(guān)。因破裂引起的靜電，一般是帶正電荷的粒子與帶負(fù)電荷的粒子雙方同時(shí)發(fā)生。固體的粉碎及液體的分裂所產(chǎn)生的靜電，就是由于這種原因造成的。 壓電起電和熱電起電在給石英等離子型晶體加壓時(shí)，會在他們表面產(chǎn)生極化電荷。這種現(xiàn)象稱為壓電起電。產(chǎn)生壓電效應(yīng)的原因是這些晶體在電學(xué)上的各項(xiàng)異性。一般情況下，由壓電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷量是很少的。例如對石英晶體施加的壓強(qiáng)，但是對于極化聚合物，如聚氯乙烯，聚甲基丙烯酸鉀酯，非極具化合物如聚苯乙烯，聚丙烯和聚乙烯等情況卻不同。這些物質(zhì)的壓電效應(yīng)比較明顯。而近年來隨著納米科技的發(fā)展，壓電陶瓷已被研究出，某些納米材料的壓電效應(yīng)非常明顯。若對顯示壓電效應(yīng)的某些晶體進(jìn)行加熱，則其一端帶正電，一端帶負(fù)電。這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。例如在給電石晶體加熱時(shí)就會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。有熱電效應(yīng)的晶體在冷卻時(shí)，電荷的極性與加熱時(shí)相反。熱電效應(yīng)的存在是因?yàn)檫@些晶體的對稱性很差。 感應(yīng)起電感應(yīng)起電通常是對導(dǎo)體來說的。處于靜電場中的物體，由于靜電感應(yīng)使得導(dǎo)體上的電荷重新分布，從而使物體的電位發(fā)生變化。對于絕緣材料，在靜電場中由于極化也可使其帶電，也把他稱為感應(yīng)起電。極化后的絕緣材料，其電場將周圍介質(zhì)的某種自由電荷吸向自身，和絕緣材料上與之符號相反的束縛電荷中和。外電場撤走后，絕緣材料上的兩種電荷已無法恢復(fù)電中性，因而帶有一定量的電荷。這就是感應(yīng)起電[2]。 吸附起電多數(shù)物質(zhì)的分子是極性分子，即具有偶極性，偶極子在界面上是定向排列的。另一方面，空氣中由于空間電場、各種放電現(xiàn)象、宇宙射線等因素的作用，總會漂浮著一些帶正電荷或負(fù)電荷的粒子。當(dāng)這些浮游的帶電粒子被物體表面的偶極子吸引且附著在物體上時(shí)，整個(gè)物體就會有某種符號的過剩電荷而帶電。如果物體表面定向排列的偶極子的負(fù)電荷位于空氣一側(cè)，則物體表面吸附空氣中帶正電荷的粒子，使整個(gè)物體放電。反之，如果物體表面定向排列的偶極子的正電荷位于空氣一側(cè)，則物體表面吸附空氣中帶負(fù)電荷的粒子，使整個(gè)物體帶負(fù)電。吸附起電電量的大小與物體分子偶極矩的大小，偶極子的排列狀況、物體表面的整潔程度、空氣懸浮著的帶電粒子的種類等因素有關(guān)。第1章 摩擦力特性和模型 影響摩擦力的因素摩擦是一種比較復(fù)雜卻又普遍的現(xiàn)象，不同的摩擦類型，其摩擦特性也存在很大的不同。摩擦力的大小由多方面的因素影響：接觸面的幾何形狀，布局，以及接觸物體的材質(zhì)，物體的相對速度、位移以及潤滑情況等。由于物體的表面不可能絕對平滑，摩擦實(shí)際上只是摩擦表面突出的一些微小的點(diǎn)相接觸，稱之為“突點(diǎn)”，如圖 21。 圖 21 相互接觸面微觀示意圖 Stribeck 等人在對摩擦現(xiàn)象進(jìn)行了深刻的總結(jié)后，認(rèn)識到了大多摩擦從靜止到加速，摩擦力的變化大概可分成四個(gè)階段：靜摩擦階段、邊界潤滑階段、部分流體潤滑階段、全流體潤滑階段。具有圖 22 所示的形式。圖 22 Stribeck 曲線在第一階段(靜摩擦階段或彈性變形階段)，摩擦力(靜摩擦力)大小和速率無關(guān)，可以看作是由物體發(fā)生了彈性變形所產(chǎn)生。這種彈性變形稱之為“滑前位移（presiding displacement）”。從本質(zhì)上說，靜摩擦力并不消耗能量且并非物體的滑動所引起的，所以說靜摩擦力本質(zhì)上并不是真正摩擦力，而是一種約束力[2]。在第二階段(邊界潤滑階段—Boundary lubrication)，兩個(gè)物體接觸面的相對速度較低使其接觸面無法形成液體薄膜，這時(shí)候的摩擦力是由固體間的剪切作用引起的。Hess和Soom以及Khitrik等人的研究表明邊界潤滑對Stribeck曲線的形狀影響非常明顯。此外，邊界潤滑與系統(tǒng)的低速爬行現(xiàn)象也存在著密切的關(guān)系[3]。在第三階段(部分流體潤滑階段—Partial fluid lubrication)，物體的接觸面由于相對運(yùn)動而形成了液體薄膜，但是又因?yàn)榉ㄏ鄩毫κ共糠譂櫥罕粩D出接觸表面，因此還有部分區(qū)域沒有液體薄膜的潤滑而仍是固體接觸。這是最難建模的一個(gè)階段[4]。在第四階段(全流體潤滑階段—Full fluid lubrication)，液體薄膜完已經(jīng)完全形成了，物體間不再有固體接觸的區(qū)域，因此摩擦力開始減小，但隨著相對運(yùn)動速度的提高，粘滯摩擦的作用開始體現(xiàn)出來，并且越來越明顯[5]。 圖 22 給出的僅是摩擦力和穩(wěn)恒速率關(guān)系，是摩擦的靜態(tài)特性。當(dāng)速率和外力變化時(shí)，當(dāng)速度和力的變化，摩擦并不嚴(yán)格遵循的此曲線，而是具有其他的一些特性。 微觀摩擦學(xué) 微觀摩擦與表面形貌Ruan和Bhushan[6]利用摩擦力顯微鏡FFM，％的高定向熱解石墨HOPG的新劈開表面滑動摩擦實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)探針滑過HOPG基片表面時(shí)，由FFM測得的原子尺度的摩擦力變化與表面形貌變化相互對應(yīng)，并具有相同的變化周期。但是摩擦力變化峰值的位置相對于表面形貌峰值的位置存在一定的偏移。如圖23所示。 (a) (b) 圖23 HOPG微觀摩擦圖像圖23（a）中，左圖給出在1nm1nm面積內(nèi)新劈開的HOPG基片表面形貌變化的灰度圖像，右圖是相同面積內(nèi)摩擦力變化灰度圖像。圖（b）是把圖（a）中表面形貌和摩擦力灰度圖像重疊在一起繪制的，圖中三角形和圓形符號分別對應(yīng)形貌和摩擦力峰值的位置。由圖看出，形貌峰值的位置與摩擦力峰值的位置在空間存在很規(guī)則的偏移。分析表明，摩擦力偏移是由粗糙峰的斜率造成的。表面形貌還使得微觀尺度的摩擦具有顯著的方向性或稱各向異性特征，即沿不同方向滑動所得到的摩擦力大小不同。圖22列出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明了摩擦的方向性。圖中，（a）是根據(jù)HOPG摩擦力分布灰度圖像繪制的，（b）和（c）分別是沿AA和沿BB方向摩擦力的變化和平均值。顯然，沿AA方向的摩擦力大于沿BB方向的摩擦力。摩擦的方向性有時(shí)在宏觀尺度的滑動摩擦中也能夠觀察到。 圖24摩擦的方向性Ruan和Bhushan根據(jù)圖24所示的摩擦力變化與形貌變化具有相同的周期并相互對應(yīng)的特征，提出微觀摩擦的“棘輪（ratchet）”模型。探針滑過基片表面類似于棘爪沿棘輪齒緣的運(yùn)動，從而得出粗糙峰斜率是決定摩擦系數(shù)的關(guān)鍵因素。微觀摩擦力與粗糙峰斜率的相關(guān)關(guān)系已被用探針與HOPG基片或單晶金剛石基片的FFM摩擦實(shí)驗(yàn)所證明。圖25給出單晶金剛石表面在200200范圍內(nèi)粗糙峰高度、斜率和摩擦力分布的灰度圖。金剛石表面經(jīng)拋光處理，實(shí)驗(yàn)用法向載荷50nN。由圖可知，摩擦力分布與粗糙峰斜率分布基本上相同，而與峰高關(guān)系不大。 圖25單晶金剛石微觀摩擦Ruan和Bhushan[7]采用同樣的方法，對于探針與熱解石墨HOPG的摩擦與形貌關(guān)系作了進(jìn)一步研究。探針在42的法向載荷作