一种介质材料表面摩擦电荷密度的测量方法和测量装置与流程

本发明涉及机械能发电领域，特别是用于机械能转变为电能的摩擦纳米发电机中，介质材料在与金属材料摩擦后表面摩擦电荷密度的测量方法以及装置。

背景技术：

摩擦纳米发电机的基本原理是利用摩擦在互相接触的材料表面产生电荷，并使两者分离使材料表面带有表面摩擦电荷，从而产生极高的电势，驱动外电路的电子发生定向移动，产生电能。这种发电机能够从环境中收集微弱的机械能并转换为电能。

摩擦纳米发电机主要基于金属与介质材料，或介质材料与介质材料摩擦而工作。对于摩擦纳米发电机而言，摩擦面的表面摩擦电荷密度高低是决定发电机输出的重要参数。密度越高，发电机的输出功率越高，反之则低。

目前关于介质材料表面摩擦起电性能的研究主要通过介质材料与另一种固体材料之间的接触进行。由于固体表面总是有纳米到微米尺度的表面粗糙度，使固体之间的接触被表面间较低的接触紧密度所限，难于进行介质材料表面摩擦电荷密度的准确测量。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种介质材料表面电荷密度的测量方法，克服固体之间接触时表面间紧密度不高的问题，能够准确测量介质材料在与金属摩擦后表面摩擦电荷密度。

为了实现上述目的，本发明提供一种介质材料表面摩擦电荷密度的测量 方法，包括步骤:

提供待测介质材料，在介质材料上接触设置电极；

将设置有所述电极的待测介质材料与导电液体接触后分离，并测量所述电极与导电液体之间的电荷转移量Q；或者测量电极与导电液体之间的电流I，并通过积分获得整个过程中电荷转移量Q；

获取所述待测介质材料与所述液态金属的最大接触面积S；

将所述电荷转移量Q除以最大接触面积S,得到待测介质材料1的表面摩擦电荷密度。

优选的，所述导电液体采用液态金属。

优选的，所述液态金属为液态镓、含镓液态合金、镓铟合金、锡合金或者汞。

优选的，所述待测介质材料与电极设置为电极与待测介质材料互相层叠，所述待测介质材料的上表面设置所述电极，仅待测介质材料下表面与所述导电液体的液面接触后分离。

优选的，所述待测介质材料与导电液体接触后分离为，将所述待测介质材料提出液面至距离液面的距离在所述待测介质材料厚度一百倍以上。

优选的，所述电极的至少一端被待测介质材料完全包裹，所述待测介质材料与导电液体接触后分离为，将电极的包覆端的部分待测介质材料插入液态金属中，然后将待测介质材料提出液面。

优选的，步骤将设置有所述电极的待测介质材料与导电液体接触后分离的过程，在气体保护条件下进行。

相应的，本发明还提供一种介质材料表面摩擦电荷密度的测量装置，包括导电液体、电极部件、连接在电极部件与导电液体之间的测量部件，其中，电极部件至少包括电极，用于在其上附着待测介质材料；导电液体用于与待测介质材料互相接触产生表面电荷。

优选的，所述导电液体为液态金属。

优选的，还包括计算部件，用于记录所述测量部件检测到所述电极部件与导电液体之间的电流或者电荷量，并根据待测介质材料与导电液体的接触面积，计算介质材料与导电液体摩擦后的表面摩擦电荷密度。

优选的，还包括位置控制部件，连接在所述电极部件导电液体之间，用于控制所述电极部件与导电液体的距离。

与现有技术相比，本发明提供的介质材料表面电荷密度的测量方法具有如下优点：

本发明利用液态金属与介质材料接触摩擦，通过摩擦分离过程中电荷转移量和摩擦面积，进而可以获得介质材料的摩擦电荷密度，从而为摩擦纳米发电机如何进行介质材料的选择提供了重要的评价标准和方法。

采用导电液体特别是液态金属与介质材料接触摩擦，互相之间的接触更有效更充分，更充分利用了实际介质材料的表面积。

采用电极与液态金属之间的电流输出积分来间接计算介质材料的摩擦电荷密度，这种测算方法很有效并且成本更低。

附图说明

通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1和图2为本发明的介质材料表面摩擦电荷密度测量过程示意图；

图3为本发明的介质材料表面摩擦电荷密度测量方法流程示意图；

图4为不同待测介质材料与液态金属和固态金属接触分离测量获得的介质材料表面摩擦电荷密度值；

图5为介质材料FEP与不同液体以及固体金属接触分离测量获得的介质 材料表面摩擦电荷密度值；

图6为介质材料表面摩擦电荷密度测量装置示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。

本发明将提出一种介质材料表面摩擦电荷密度的测量方法，技术方案是利用液体金属与介质材料接触摩擦，测量摩擦分离过程中转移电荷的量和摩擦面积，进而获得介质材料表面的摩擦电荷密度，能够为摩擦纳米发电机进行介质材料的选择提供了重要的评价标准和方法。下面结合附图详细介绍本发明的测量方法。

本发明提供了一种介质材料表面摩擦电荷密度的测量方法，参见图3，该方法包括以下步骤：

步骤S1，提供待测介质材料，在介质材料上接触设置电极。

在介质材料上设置电极层可以有多种方法，可以采用粘贴或包覆电极材料等方法实现。也可以将待测介质材料通过物理或化学方法，包括化学气相淀积(CVD)、物理气相沉积(PVD)等方法沉积电极材料。

电极材料可以为金属、氧化物导体、有机物导体等，例如电极可以为铜片、铝片、ITO。电极的厚度优选0.1mm至5mm。

参见图1和图2，待测介质材料1与电极2，可以设置为电极2与待测介质材料1互相层叠(如图1所示)，或者电极2的至少一端被待测介质材 料1完全包裹(如图2所示)。具体形式可以根据待测介质材料的形状或者电极的形状决定，采用片状电极时可以将待测介质材料粘贴在片状电极上，采用柱状电极时，可以将待测介质材料包覆在电极的一端，使电极的至少一端被待测介质材料包裹与外界绝缘。

步骤S2，将步骤S1中设置有电极2的待测介质材料1与导电液体3接触后分离，并测量电极2与导电液体3之间的电荷转移量Q；或者测量电极2与导电液体3之间的电流I，并通过积分获得整个过程中电荷转移量Q。

测量电极2与导电液体3之间的电荷转移量Q，具体可以测量整个过程流过电流表5的电流，并通过积分计算整个过程中流动电荷的总量，也可以直接用电学设备测试流动电荷的总量，即电荷转移量Q。

电荷转移量Q可以用电极插入或靠近液态金属3的过程计算或测量，也可以用电极2拉出或者远离液体金属3的过程计算或测量，也可以将两个过程都计算或测量。

导电液体3可以为任意可以导电的液体，优选为液态金属，如为液态镓、含镓液态合金、镓铟合金、锡合金或者汞等液态金属。由于液态金属具有较强的形状适应能力，与待测介质材料互相接触时接触紧密度可以大大提高。在使用易氧化的含镓液体金属时，尽可能在气体保护条件下进行测量，例如在氩气气氛保护下的手套箱中进行。

该步骤中，将设置有电极2的待测介质材料1与导电液体3接触后分离，根据待检测介质材料的结构可以有两种方式：

一种方式是，电极2与待测介质材料1互相层叠(如图1所示)设置，待测介质材料1的上表面设置电极2，仅待测介质材料1下表面与导电液体3的液面接触后分离，如图1所示，导电液体以液体金属为例，当介质材料1表面(没有电极2的一面)接触液态金属3表面时，由于摩擦起电效应，接触的表面会产生电荷。把待测介质材料1提出液面，至一定距离后，在液 态金属表面产生的电荷就会被几乎完全转移到电极2上。

为了使液体金属3表面产生的电荷全部转移至电极1，将待测介质材料1提出液面至距离液面的距离在所述待测介质材料厚度一百倍以上。

另一种方式是，电极2的至少一端被待测介质材料1完全包裹，如图2所示，导电液体以液态金属为例，将电极2的包覆端的部分待测介质材料1插入液态金属3中，然后将待测介质材料1提出液面，由于摩擦起电效应，液态金属3与待测介质材料1互相接触的表面会产生电荷，将待测介质材料1与液态金属3分离后，待测介质材料表面的电荷将被保持，把待测介质材料1提出液面，至一定距离后，在液态金属表面产生的电荷就会被几乎完全转移到电极2上。

在该方式中，将液态金属3置于容器4中，容器4的底面积应尽可能大，如比电极2的底面(宽度乘以厚度)10倍以上。

步骤S4，获取待测介质材料1与液态金属3的最大接触面积S。

最大接触面积S，可以通过计算或者测量的方式获得。

步骤S5，将所述电荷转移量Q除以最大接触面积S,得到待测介质材料1的表面摩擦电荷密度。

在实验过程中选择不同的待测介质材料，包括氟化乙烯-丙烯共聚物(FEP)、聚酰亚胺(Kapton)、极化后的聚偏二氟乙烯(polarized PVDF)、聚乙烯(PE)、天然橡胶(nature rubber)和纤维素(cellulose)。通过镀膜方式在待测介质材料的一个表面镀上铜膜作为电极，待测介质材料的另一个表面分别与液态镓铟锡合金galinstan接触后分离，测量整个过程中的电荷转移量Q，获得表面摩擦电荷密度，见图4。如果发现所测介质材料比液态金属要更倾向带负电，那么所测得电荷密度则标为正值；反之，标为负值(如cellulose)。

作为对比，用固态镓替换掉液态金属镓铟锡合金galinstan，做了相同的 实验，获得的结果见图4。同一材料如FEP，接触不同液态金属和固态镓测量获得的表面摩擦电荷密度不同，见图5。图4和图5的结果中，和液态金属接触所测得的不同介质材料的摩擦电荷密度总是比和固态镓接触所测得的值要高。这是因为采用液态金属，与介质材料的接触紧密度被大大提高了。接触不同液态金属所测得的不同值可能是因为它们吸引电子的能力不一样。由我们实验所得的摩擦起电顺序为(最负)FEP–Kapton–PVDF–PE–Nature Rubber–Galinstan–Cellulose(最正)，和目前报道的摩擦起电顺序相符。各种材料的摩擦起电性能可以用相对同一个液态金属的摩擦起电表面电荷密度来定量表征。

相应的，本发明还提供一种介质材料摩擦电荷密度的测量装置，见图5，包括导电液体20、电极部件10、连接在电极部件10与导电液体20之间的测量部件30。电极部件10至少包括电极，用于在其上附着待测介质材料，电极可以为平板状、薄膜状或者柱状。导电液体20用于与待测介质材料互相接触产生表面电荷。

还可以包括计算部件40，用于记录测量部件检测到电极部件10与导电液体20之间的电流或者电荷量，并根据待测介质材料与导电液体的接触面积，计算介质材料与导电液体摩擦后的表面摩擦电荷密度。

为了方便控制电极部件10(即介质材料)与导电液体20的距离，还可以包括位置控制部件50，连接在电极部件10与导电液体20之间，位置控制部件中可以包括机械或者电控制的位置移动装置，例如行程控制开关等元件，以实现精确控制介质材料与导电液体的接触和分离距离。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术 方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。