纳米发电机多级织构界面接触/摩擦起电机理与调控研究

Triboelectric nanogenerator is a new energy technology which is based on the ideas of self-powered nanotechnology and the mechanisms of triboelectric and electrostatic induction. When the contact area of the hierarchical structure interface is less than nano scale, the classical contact mechanics is no longer applicable. But so far the scale effect and surface effect on the interfacial charge transfer have not been clear yet so that the establishment of the adhesive contact theory including contact electrification is greatly challenging. This project intends to undertake the following studies. (1) The metal-polymer interface contact model will be established by the first principle molecular dynamics simulation method with the consideration of temperature and pressure to reveal the evolutionary process of charge transfer at the contact interface. (2) A new adhesive contact model will be established considering hierarchical structures, Van der Waals force and electrostatic force, and also the effective numerical methods will be developed to quantitatively analyze the coupling effects of scale, surface and contact electrification on contact pressure, real contact area, charge density and contact charge. (3) The contact/friction electrification test platforms will be developed to characterize the relationship between the frictional coefficient and wear rate and the triboelectric charge at the hierarchical structured interface. (4) The high level fabrication process for hierarchical structured surface will be explored, and also the relationship between the surface structure parameters and the nanogenerator performance will be studied. The design principles and key technologies for triboelectric nanogenerator with high charge density, low friction and wear will be provided in this project.

摩擦纳米发电机是基于自驱动纳米技术新思想并以摩擦起电和静电感应为基础的新能源技术。当摩擦电多级织构界面接触区域小至纳米尺度，经典接触理论不适用。但迄今尺度和表面效应对接触界面电荷转移的影响机理尚不清楚，建立包含接触起电的黏附接触理论极具挑战。本课题研究：（1）提出用第一性原理分子动力学方法来构建包含温度和压力等因素的金属-聚合物界面接触模型的新思路，揭示接触界面电荷转移及演化规律；（2）提出考虑多级织构表面形貌、范德华力和静电力的黏附接触新理论，发展高效数值方法，定量分析尺度效应、表面效应和接触起电效应对接触应力、真实接触面积、电荷密度和接触电荷的耦合影响；（3）构建摩擦起电实验平台，揭示多级织构界面摩擦系数及磨损率与摩擦电荷的相关性；（4）探索多级织构高精度微纳制造工艺，提出表面织构与摩擦纳米发电机性能的构性关系。本研究将为高电荷密度及低摩擦磨损纳米发电机提供设计准则及关键技术。

摩擦纳米发电机是基于自驱动纳米技术新思想并以摩擦起电和静电感应为基础的新能源技术。当摩擦电多级织构界面接触区域小至纳米尺度，经典接触理论不适用。但迄今尺度和表面效应对接触界面电荷转移的影响机理尚不清楚，建立包含接触起电的黏附接触理论极具挑战。本课题研究内容及重要结果如下：（1）通过金属聚合物接触起电第一性原理模拟计算，从原子、电子层面弄清了电荷载流子类型、电荷转移驱动力以及电子受体轨道等基本科学问题，揭示了金属聚合物接触起电机理，发现电荷转移过程与材料的功函数无直接关系，而与接触副材料的界面势垒直接相关；提出了针对大体系非晶态聚合物接触起电的第一性原理研究方法，发现含有 π 电子轨道的双键分子基团在接触起电中的主要贡献及其机理，在此基础上提出了比传统卤族元素改性更高效的双键分子基团改性方法，为提高摩擦纳米发电机的起电性能提供了新的思路。（2）推导了考虑范德华力、静电力以及多级织构的摩擦纳米发电机黏附接触新模型，发展了高效数值求解方法，发现了静电力在不同表面电荷密度及外载荷下对黏附接触及起电性能的不同贡献；揭示了表面织构尺度及形状对摩擦纳米发电机织构界面有效接触面积及开路电压的影响规律，提出了摩擦纳米发电机表面织构的设计理论与方法，实现了通过设计表面织构而使接触起电性能可控。（3）建立了可控环境的摩擦起电实验平台，提出了磨损系数和表面电荷密度预测公式，构建了以织构长径比和面密度为参量的磨损图和开路电压图；揭示了湿度和温度对织构化摩擦纳米发电机开路电压的影响规律，提出了织构化摩擦纳米发电机最佳工作湿度和温度以及最优织构参数。（4）提出多级织构高精度微纳制造工艺，研制出可收集车辆悬架系统振动能量的摩擦纳米发电机、基于电荷泵浦及电荷穿梭的高性能纳米发电机、面向智能轴承的自供能摩擦电速度及压力传感器等。本研究可为高电荷密度及低摩擦磨损纳米发电机提供设计准则及关键技术。