【正文】 失去電子的物體帶正電，而得到電子的物體則帶負(fù)電。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]。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％。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。如果從理論上來說，人們在日常生活中一舉一動(dòng)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(dòng)產(chǎn)生的電能卻一直是個(gè)難題。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。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]。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。 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。單純的接觸再分離過程就會(huì)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)。相互摩擦?xí)r兩種物體表面的溫度都要升高。另外摩擦使物體斷裂和熱分解影響接觸起電。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。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。 壓電起電和熱電起電在給石英等離子型晶體加壓時(shí)，會(huì)在他們表面產(chǎn)生極化電荷。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。這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。 感應(yīng)起電感應(yīng)起電通常是對導(dǎo)體來說的。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。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(huì)有某種符號的過剩電荷而帶電。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。具有圖 22 所示的形式。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。這是最難建模的一個(gè)階段[4]。 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(dòng)摩擦實(shí)驗(yàn)。 (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。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(dòng)所得到的摩擦力大小不同。摩擦的方向性有時(shí)在宏觀尺度的滑動(dòng)摩擦中也能夠觀察到。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。探針在42的法向載荷作用下，以l的速度沿石墨表面滑動(dòng)。 圖26 HOPG微觀摩擦為了考察條狀形貌對摩擦的影響，以及棘輪模型的適用性，Ruan和Bhushan進(jìn)一步分析了探針在往返滑動(dòng)中粗糙峰斜率與摩擦力的對應(yīng)關(guān)系，如圖17所示。類似的情況也存在于右側(cè)兩圖所表示的探針反方向滑動(dòng)中。通過電子顯微鏡對條狀形貌區(qū)域分析表明，表面粗化造成摩擦力增加的原因有二：一是粗糙峰高度增加，同時(shí)表面較大部分的晶格方向改變，不再是（0001）平面；二是粗化處理使得條狀區(qū)出現(xiàn)非晶碳。 犁溝效應(yīng)微觀摩擦是在極輕載荷下分子光滑表面之間的摩擦。分析表明，球形粗糙峰犁溝產(chǎn)生的摩擦系數(shù)取決于球形半徑和壓入深度，而錐形粗糙峰的犁溝摩擦系數(shù)只與錐頂角有關(guān)。圖28給出滑動(dòng)過程中摩擦力的變化。他們根據(jù)Bowdon和Tabor的修正粘著摩擦模型中法向力（載荷）和切向力（摩擦力）聯(lián)合作用下接觸面積計(jì)算公式，以及接觸面積和接觸電阻關(guān)系式，分析計(jì)算了探針和基片在完全塑性接觸和零載荷下滑動(dòng)時(shí)摩擦力F與接觸電阻R的關(guān)系。在靜接觸中，表面間粘著力往往比外加載荷更為重要。 圖29零載荷下摩擦為了深入揭示零載荷甚至負(fù)載荷下的摩擦行為和機(jī)理，用作實(shí)驗(yàn)的摩擦副材料應(yīng)選擇具有適當(dāng)?shù)恼持鴱?qiáng)度而又不至于產(chǎn)生表面損傷或材料轉(zhuǎn)移，還應(yīng)使滑動(dòng)剪切發(fā)生在界面上[9]。然而，圖29與圖28的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相反，后者得出隨摩擦力增加接觸面積也增加。 圖211 接觸面積與載荷圖211（a）的材料組合為鎢探針和金基片，材料經(jīng)離子腐蝕凈化和接近熔點(diǎn)溫度的退火處理。圖（c）為鎢探針與Ti4O7基片，實(shí)驗(yàn)表明無零載荷接觸出現(xiàn)，而且分離接觸的載荷非常小，說明其粘著能較低。 彈性、彈塑性和塑性接觸Pollock等人[10]將宏觀力學(xué)中如硬度、彈塑性、韌性等概念引入微觀接觸分析，推導(dǎo)出相關(guān)的近似公式。對于半徑為r的彈性半球體與剛性平面相接觸，在外加載荷P作用下的接觸圓半徑a應(yīng)當(dāng)是總載荷（P+2S）作用下的接觸圓半徑。當(dāng)接觸載荷P滿足式（21）關(guān)系時(shí)，即開始進(jìn)入彈塑性接觸狀態(tài)。 固體粘著與表面力 1．固體粘著現(xiàn)象關(guān)于固體表面粘著微觀機(jī)理最有影響的研究報(bào)告是1990年Luedtke等人[10]提出的。進(jìn)而兩表面形成粘著接觸，即在探針表面形成單分子的金膜。進(jìn)而形成原子尺度的連接探針和基片的金絲，連接絲仍然保持晶體狀態(tài)。 圖212 固體接觸與分離根據(jù)表面物理可以得到 (25) 式中，ga，gb分別為兩固體表面a和b的自由能。為界面能，它可以定義為使界面ab擴(kuò)大單位面積所需要作的功或能量。粘著能表示分離粘著表面時(shí)外加拉力克服兩表面之間的吸力所作的功。如果接觸圓的半徑為a，接觸圓上的總粘著能則為。經(jīng)過推導(dǎo)可以求得粘著能與表面自由能之間的關(guān)系，即 為常數(shù) （29）由上式求得粘著能以后，就可以由式（27）確定表面力。在 Israelachvili 模型中，物體表面被視為原子級光滑，相對滑動(dòng)過程被抽象為球形分子在規(guī)則排列的原子陣表面上的移動(dòng)，如圖 213所示。在滑動(dòng)過程中，并非所有的能量都被耗散或?yàn)榫Ц裾駝?dòng)所吸收，部分能量會(huì)在分子的沖擊碰撞中反射回來。上世紀(jì) 80 年代以后，隨著人們對微觀摩擦認(rèn)識(shí)的深入,IO模型被用來進(jìn)行模擬計(jì)算和解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果[12]。B0的運(yùn)動(dòng)取決于周期勢場的綜合勢能 VS，圖215所示為強(qiáng)表面作用時(shí)的情形，其中黑點(diǎn)代表在 曲線上的位置。根據(jù)IO模型，模擬原子力顯微鏡探針對石墨試樣的掃描試驗(yàn)，利用 IO 模型和熱激發(fā)效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算和分析，得到摩擦力隨滑動(dòng)速度改變，它們之間存在對數(shù)關(guān)系的結(jié)論，成功地解釋了原子力顯微鏡掃描試驗(yàn)的結(jié)果；研究了原子力顯微鏡探針與試樣接觸對微觀摩擦的熱激發(fā)和粘滑現(xiàn)象動(dòng)態(tài)特性的影響，并建立了粘滑與接觸界面原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系。 復(fù)合振子模型為了能進(jìn)一步研究滑動(dòng)摩擦過程的能量耗散機(jī)理，許中明等在獨(dú)立振子模型的基礎(chǔ)上提出無磨損光滑界面摩擦的復(fù)合振子模型（posite oscillator model）[13，14]。在獨(dú)立振子模型中，摩擦體系的上下界面之間是不存在能量的轉(zhuǎn)移的，而在復(fù)合振子模型中，很明顯外力做功的部分能量將會(huì)通過上摩擦界面?zhèn)鬟f給下界面，這與實(shí)際摩擦系統(tǒng)是相符的。人們通過 FK 模型，在準(zhǔn)靜態(tài)滑動(dòng)時(shí)的摩擦動(dòng)態(tài)特性、粘滑現(xiàn)象的微觀機(jī)理、公度與無公度的相互轉(zhuǎn)化、聲子激發(fā)過程等方面的研究取得了較大進(jìn)展。例如，Gyalog和Thomas 等用二維 FKT模型研究兩個(gè)無限大的原子級光滑表面的滑動(dòng)摩擦現(xiàn)象。 在無磨損界面摩擦微觀能量耗散機(jī)理的研究中，目前主要有兩種模型：聲子摩擦模型（Schematic of phonon friction）和電子摩擦模型。 圖219聲子摩擦示意圖Krim 利用 QCM 從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了聲子的存在。理論上，兩表面的接觸狀態(tài)由相稱轉(zhuǎn)化為不相稱，會(huì)大大減小滑動(dòng)摩擦力。另外，除了這兩種微觀摩擦能量耗散機(jī)制之外，是否還有別的摩擦能量耗機(jī)制也有待進(jìn)一步研究。按這個(gè)模型，如果初始值，則永遠(yuǎn)都不會(huì)超過，摩擦是位移的函數(shù)，與速度無關(guān)，這使 Hysteresis Operator 理論的應(yīng)用成為可能。 (222)N 是鬃毛的數(shù)量，是鬃毛的硬度，是鬃毛的相對位置，b是形成結(jié)點(diǎn)的位置，當(dāng)時(shí)結(jié)點(diǎn)斷開，新結(jié)點(diǎn)在隨機(jī)位置又形成了。鬃毛模型的優(yōu)點(diǎn)是較為準(zhǔn)確地捕捉了摩擦模型的隨機(jī)特性，但是它沒有考慮到計(jì)算時(shí)的耗時(shí)問題。由于切向力作用，鬃毛產(chǎn)生變形，從而導(dǎo)致摩擦力；當(dāng)切向力足夠大，鬃毛進(jìn)一步變形，以致產(chǎn)生滑動(dòng)。當(dāng)v增加時(shí)，g(v)從 g(0)開始單調(diào)降低，這與 Stribeck 負(fù)斜率效應(yīng)相一致。Lugre 摩擦模型屬于連續(xù)模型，不同摩擦狀態(tài)之間能夠平滑地過渡，更容易實(shí)施。我們這次的發(fā)電機(jī)模型就已此為原理來設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，%的機(jī)械形變下。此外，外部的按壓產(chǎn)生的機(jī)械形變也能使它們發(fā)生從接觸到分離的現(xiàn)象而產(chǎn)生電力。這樣就形成了一個(gè)簡易的接觸—分離式靜電發(fā)電機(jī)。（f）是在滑動(dòng)過程中電荷分布變化圖。而毫無疑問，我們把材料的長度分割的越小，在相同的運(yùn)動(dòng)距離下，可以收集的電流頻率會(huì)越高，因此收集到的電流就越大。k與制造彈簧的材料有關(guān)，材料不同，一般k不同。如圖42所示。也就是說一塊材料分割的份數(shù)越多，對應(yīng)的匝數(shù)就越多，匝數(shù)越多對應(yīng)的剛性系數(shù)就越小。其中Constant是個(gè)恒量模塊，他提供一個(gè)常數(shù)且不變化的輸出。從+輸入來的取+號，—輸入的就取—，然后進(jìn)行求和輸出。速經(jīng)過增益放大器Gain之后其值變?yōu)?，然后?jīng)過平方之后得到了，標(biāo)記的Math模塊是實(shí)現(xiàn)去倒數(shù)功能，此時(shí)模塊輸出信號即為，經(jīng)過Product1的輸出即為,Product1的輸出經(jīng)過加法器加上然后經(jīng)過Gain1放大后即得到。 圖45 的實(shí)現(xiàn)經(jīng)過Math Function3模塊變成了的倒數(shù)，然后在與Abs(取絕對值運(yùn)算模塊)的輸出經(jīng)過Product相乘之后得到的結(jié)果與Z相乘之后被減去之后即得到，而經(jīng)過Integrator2（實(shí)現(xiàn)積分的功能模塊）之后就是Z。 (46) 這里，分別給Gain2,Gain3,Gain4（見圖41）賦值為，,然后經(jīng)過加法器就可得到摩擦力F。雖然最大靜摩擦力和最大速度的變化顯得非常微小，但是考慮到接觸式靜電發(fā)電機(jī)屬于微電機(jī)，其目的在于可以讓人的一舉一動(dòng)都可以收集電能進(jìn)行供電，比方說走路，抬下胳膊都可以觸發(fā)納米材料接觸起電，收集電能。）從圖可以看出，~，材料接觸起電的圖像在摩擦力圖像上方，此時(shí)獲得的效益最高。無論是在學(xué)習(xí)知識(shí)上，還是開拓視野上，尤其是在思維上讓我受益匪淺。不禁對導(dǎo)師活躍的思維