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直接可控静电放电性能的非对称摩擦纳米发电机

2016-08-19

        摩擦起电是生活中常见的科学现象,比如梳头时头发会被梳子“粘”起来;而由摩擦引起的静电放电现象也是为人所熟知的,比如夏天暴雨时的雷鸣电闪和冬天脱毛衣时的轻微“噼啪”声。近年来,摩擦起电现象被广泛用于采集能量,由此制备了大量用于自供能系统、主动式传感等领域的摩擦发电机。然而,作为极大影响摩擦发电机稳定性和安全性的静电放电现象却一直被忽视。
 
       近日,北京大学信息科学技术学院微纳电子学研究院张海霞教授课题组提出一种非对称的摩擦结构,对摩擦发电机中的放电现象展开了系统的研究和分析。研究首次把静电放电和摩擦发电结合起来,通过非对称结构实现了摩擦诱导的静电放电,并通过光电探测器验证了静电放电的产生;还结合有限元仿真工具细致分析了不同因素(摩擦材料、接触压强和表面结构等)对摩擦放电现象的影响,并提出避免静电放电的三个重要措施。该研究成果以《具有直接可控静电放电性能的非对称摩擦纳米发电机》(Asymmetrical triboelectric nanogenerator with controllable direct electrostatic discharge)为题,发表于材料科学领域重要期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)上。
 
       a. 非对称结构的摩擦发电机; b. 摩擦发电机的不稳定输出和放电发光现象; c.不同表面结构的SEM照片; d. 不同表面结构接触的力学仿真。
 
      不同于其他影响因素,摩擦诱导放电改变了摩擦材料的表面电荷量,从而极大影响摩擦发电机的输出稳定性。文中所提出的避免放电的方法对此有极大的改善。与此同时,由于摩擦起电和静电放电在基本物理机理上还存在许多争论(特别是涉及绝缘体的摩擦问题),文中也提出了一种能够连续产生摩擦起电和静电放电的装置,提供了全新的研究方式。
 
      该项研究工作得到国家自然科学基金、国家高技术研究发展计划(“863计划”)、北京市科技计划和北京市自然科学基金等支持,在摩擦诱导静电放电等研究中取得了重要突破。