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任选3绝技直接可控靜電放電性能的非對稱摩擦納米發電機

2016-08-19

        摩擦起電是生活中常見的科學現象,比如梳頭時頭發會被梳子“粘”起來;而由摩擦引起的靜電放電現象也是為人所熟知的,比如夏天暴雨時的雷鳴電閃和冬天脫毛衣時的輕微“噼啪”聲。近年來,摩擦起電現象被廣泛用于采集能量,由此制備了大量用于自供能系統、主動式傳感等領域的摩擦發電機。然而,作為極大影響摩擦發電機穩定性和安全性的靜電放電現象卻一直被忽視。
 
       近日,北京大學信息科學技術學院微納電子學研究院張海霞教授課題組提出一種非對稱的摩擦結構,對摩擦發電機中的放電現象展開了系統的研究和分析。研究首次把靜電放電和摩擦發電結合起來,通過非對稱結構實現了摩擦誘導的靜電放電,并通過光電探測器驗證了靜電放電的產生;還結合有限元仿真工具細致分析了不同因素(摩擦材料、接觸壓強和表面結構等)對摩擦放電現象的影響,并提出避免靜電放電的三個重要措施。該研究成果以《具有直接可控靜電放電性能的非對稱摩擦納米發電機》(Asymmetrical triboelectric nanogenerator with controllable direct electrostatic discharge)為題,發表于材料科學領域重要期刊《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)上。
 
       a. 非對稱結構的摩擦發電機; b. 摩擦發電機的不穩定輸出和放電發光現象; c.不同表面結構的SEM照片; d. 不同表面結構接觸的力學仿真。
 
      不同于其他影響因素,摩擦誘導放電改變了摩擦材料的表面電荷量,從而極大影響摩擦發電機的輸出穩定性。文中所提出的避免放電的方法對此有極大的改善。與此同時,由于摩擦起電和靜電放電在基本物理機理上還存在許多爭論(特別是涉及絕緣體的摩擦問題),文中也提出了一種能夠連續產生摩擦起電和靜電放電的裝置,提供了全新的研究方式。
 
      該項研究工作得到國家自然科學基金、國家高技術研究發展計劃(“863計劃”)、北京市科技計劃和北京市自然科學基金等支持,在摩擦誘導靜電放電等研究中取得了重要突破。