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Scientific Report: 压力对摩擦电性能的影响
布鲁克纳米表面仪器部 魏岳腾 博士
摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator, TENG）的相关研究进入第二个五年。本领域的开创者王中林老师刚在EcoMat发表了一篇综述（图1），系统总结了TENG的研究历史、现状和未来的发展趋势。这片综述预测在2024年前后该领域的主要研究方向还处于包括性能测试、原型探索等基础研究和应用基础研究阶段，之后即将进入大规模的工业化应用阶段。所以留给研究所实验室的时间已经不多了。如何快速从摩擦领域进入摩擦电领域，是广大致力于探索未知世界的科研人员要考虑的问题之一。
在众多研究TENG的文章中，有一篇有意思的文章。它做的摩擦学测试是常见的铜-铝配副的销盘摩擦，载荷不大（约几十牛顿），速度不快（2Hz频率，20mm行程），测试时间不长（15s）。与常规摩擦测试最大的差异在于，这个实验在原有的UMT摩擦磨损测试仪基础上增加了电学测量模块，直接将常规的摩擦测试变成了热门的摩擦电测试。图2显示了摩擦电测量的配置。
本研究的内容正如文章标题所示，时间和压力对摩擦电性能的影响。在本文的结果里面，压力对摩擦系数的影响在预期内。如图3所示，随着载荷的增加，铝-铝配副的摩擦系数保持在较高水平（0.5以上），铝-铜配副的摩擦系数则在相对高载下（>40N）降低至0.5以下。摩擦系数受载荷的影响已经有很多理论分析和实践佐证，包括表面形貌、表面力学特性、表面氧化层等因素都会影响不同载荷下的摩擦系数。
本研究最重要的结果不同压力下的电流变化（图4）和原因分析。图4左图显示了随着压力增大，铝-铝配副和铝-铜配副的摩擦电行为完全不同。铝-铝同样材料的摩擦配副显示了预期的结果：没有观察到摩擦电。对于铝-铜配副，作者从将压力对摩擦电的影响分为线性部分和非线性部分。摩擦电的线性部分采用声子模型，压力引起的晶格变化带来的表面态密度变化，从而影响电子传输/离子转移。摩擦电的非线性部分则由磨损来解释。作者还进一步区分了微观和宏观下的特征体积（与晶格常数、表面粗糙度相关），发现实际摩擦电落在微观和宏观模型预测的摩擦电之间。这可以由磨损造成的表面形貌和压力的动态变化来解释。对于一个很简略的模型而言，这样的结果很是不错。
这篇文章是2018年发表的，当时TENG的研究还没有像现在这么热门。除了具体的结论以外，这篇文章展示了TENG研究领域的一个特点：在已有摩擦体系内增加电测量模块，从而研究传统摩擦学参数对摩擦电的影响。由于摩擦电十分微小，传统摩擦学参数（材料、载荷、表面形貌、环境、温度）对其影响可能非常显著，远远高于这些参数对摩擦系数和磨损的影响。因此需要精确控制这些关键参数。布鲁克纳米表面测量部提供了表面理化特性的精密测量技术和方案，欢迎相关领域的老师和同学前来咨询。
本文相关链接：
标题:Time- & Load-Dependence of Triboelectric Effect
作者:Shuaihang Pan, Nian Yin & Zhinan Zhang*
出处:Scientific Reports volume 8, Article number: 2470 (2018)
DOI:https://www.nature.com/articles/s41598-018-20937-6
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