基于电荷转移的跨尺度固-固界面摩擦电效应机理研究

Applications including energy harvesting by triboelectric nanogenerators and triboelectric prevention on space/aerospace fields are faced with the urgent needs of fundamental scientific research into triboelectric effects. This project focuses on solid-state tribo-pairs and use the research to investigate two principal issues about charge transfer (i.e. analyses in the quantum view) and triboelectric process description (i.e. multi-scale triboelectrification) on solid-solid interface. The driving potential and energy relationships will be utilized to reveal the charge transfer mechanisms in triboelectric process, and (semi-)quantitative physical description and equations will demonstrate the relatively universal transfer models and clarify the transfer modes of triboelectric charging units (e.g. electron, ion, and (nano-)material). The coupling principles of tribology and electronics are to be determined. With these principles, the effects from surface/interface characteristics and environmental factors (e.g. tribo-loads, temperature, and moisture) can be explained, and the surface/interface- and environment-dependence of triboelectric effect can be clarified. Given the research by combining experiments, theories and modeling approach, the theoretical model for electrical performance in triboelectric process will be set up, which could assist with the optimization for triboelectric behavior. In brief, the proposed research could provide well-founded solutions and critical techniques for design and optimization of triboelectronics and bring a significant value and a broader prospect for industrial applications in triboelectric prevention.

受摩擦电效应机理不明确的制约，新型能源和航空航天领域中摩擦起电高效利用及有效防护两个关键问题尚未得到有效解决。本项目以固体摩擦副为研究载体，围绕固-固界面摩擦起电过程中电荷转移机理和跨尺度过程建模两个关键科学问题，研究：1）转移粒子的驱动势与能量的作用关系，描述以电子、离子和纳米尺度磨损物质为载体的粒子转移模式，采用半定量和定量的量子化方法建立普适的粒子相互作用模型，揭示固-固界面摩擦起电过程中电荷转移机理；2）研究摩擦-电学耦合作用机制，解析固-固界面特性和工况环境对电荷转移的影响规律，探明摩擦电效应对界面特性和工况环境的依赖性；3）基于实验、理论和模型仿真相结合的方法，建立固-固界面摩擦-电学行为评价模型，实现对固体摩擦副摩擦-电学性能的优化设计。上述研究将为摩擦电效应的机理揭示提供基础理论，为摩擦-电学系统的优化设计提供技术依据，对拓宽摩擦起电的利用及防护技术的工程应用具有重要价值。

本项目针对新型能源和航空航天等领域中摩擦致电现象的高效利用及有效防护需求，以固体摩擦副为研究载体，研究针对固-固界面摩擦起电过程中电荷转移机理分析和摩擦-电学系统可控化设计的技术方法。本项目将理论分析、多尺度仿真和自主开发测试系统等手段相结合，研究了接触分离频率、压力、摩擦速度、摩擦副材料、润滑形式等多种因素对摩擦致电效应的影响规律，揭示了摩擦致电过程的时间/工况/界面/环境依赖性；将量子力学方法、分子动力学仿真与有限元方法相结合，实现了原子尺度、纳米尺度和介观尺度的数据互通，建立了摩擦致电效应机理研究的跨尺度建模方法，揭示了摩擦致电效应的电荷转移机理；在摩擦-电学系统的可控化设计方面，优化了TENG器件中电极距离、形状及材质，提高了TENG器件的输出性能，针对导电滑环、电信号连接器等装置的信号失稳问题，结合试验与仿真方法，明确了信号稳定度与摩擦致电效应的关系，揭示了摩擦致电效应对连接器性能稳定性的影响规律，并提出了针对性的改进措施，实现了固-固界面摩擦电效应的可控化防护；最后，从摩擦电学量的采集与分析方法出发，提出了“摩擦信息学”新概念与实施框架。以上研究为固-固界面摩擦致电效应的机理阐释与防护利用提供了理论基础和技术依据。相关研究工作在Nano Energy，Friction，ASME Journal of Computing and Information Science in Engineering等期刊发表SCI论文7篇，其中ESI高被引论文1篇；在上海交通大学学报、清华大学学报等中文期刊发表论文3篇；授权中国发明专利2件，登记软件著作权1项；在全国摩擦学大会、全国青年摩擦学学术会议、数字孪生国际会议等国内外学术会议上做报告6次，获优秀报告奖1次。