固体表面间接触/摩擦致电机制及其黏附接触效应与调控

As an ubiquitous phenomenon, contact electrification (or triboelectrification) plays an important role in modern industry fields, such as granular flow processing, dust storms/devils control, space application, electronics protecting, electrophotography and so on. In the very recent years, the potential effect of contact electrification on adhesion attracts much attention, and it is believed to be crucial for controlling the adhesion between surfaces. In this project, based on the study on the motion and migration of electrons and the interaction between them, the relationship between migration of electrons and contact electrification is investigated; then the mechanism of contact electrification is uncovered. Furthermore, we investigate the effect of contact electrification on adhesion and the corresponding feasible control strategy. The research content mainly includes the relationship between contact electrification and surface structures and properties, the influence factors of contact electrification and the corresponding affecting law, the theoretical model for the driving force of the transfer of electrons and the effect of contact electrification on adhesion. The findings of this project will deepen our understanding on the mechanism of contact electrification, and provide useful data for the achievement of stable and controllable adhesion between surfaces, and the development of contact electrification related technologies.

接触/摩擦致电是一种普遍存在却不为人深知的物理现象，在粉尘加工、沙尘雾霾防控、空间应用、电子元器件静电防护和电子摄影术等现代工业领域都扮演着重要的角色。相关技术的发展亟需接触/摩擦致电理论科学研究提供有力支撑。近年来，接触/摩擦致电对表面黏附行为的影响也引起了人们的格外关注，被认为可能是实现固体表面可控黏附技术的关键。本项目从电子运动、作用和迁移规律这一关键点着手，研究电子迁移与表面致电行为的关系，揭示接触/摩擦致电的深层机理，并探索其黏附接触效应及可行的调控方案。研究内容包括：接触/摩擦致电与材料表面结构及性质的关系；接触/摩擦致电的影响因素及其影响规律；电荷转移的驱动力理论模型；接触/摩擦电的黏附接触效应与调控。本研究的成果将加深人们对接触/摩擦致电机理的理解和认识，为固体表面间稳定、可控黏附技术的实现提供理论指导，对发展其他接触/摩擦致电相关技术也具有重要的科学意义。

接触/摩擦致电是一种普遍存在却不为人深知的物理现象，在粉尘加工、沙尘雾霾防控、空间应用、电子元器件静电防护和电子摄影术等现代工业领域都扮演着重要的角色。近年来，基于接触/摩擦起电的摩擦纳米发电机的能源收集和自驱动传感研究引起了科研人员的极大关注。相关技术的发展亟需接触/摩擦致电理论科学研究提供有力支撑。申请人在国家自然基金委青年基金的资助下，研究了碳材料与金属表面接触/摩擦起电性能与机理，分析了固体表面起电的微观结构依赖性，探究了缺陷、载荷等因素对致电性能的影响规律，探讨了界面电荷的黏附及摩擦。取得的成果主要如下：（1）研究了石墨烯与Au/Ni表面的界面相互作用及电荷转移机制，揭示了致电量与界面作用的关系，发现了Gr/Ni体系在载荷作用下电荷转移机制的转变；建立碳纳米管与金属表面起电量与表面功函数差的关系，并分析了界面相互作用对表面电子分布的贡献及其对电荷转移的影响规律。（2）研究了多种类型的相互作用表面的接触/摩擦起电性能，发现致电量与接触区的微观原子结构密切相关。（3）采用第一性原理方法研究了金属表面空位及掺杂缺陷对表面接触/摩擦起电的影响，空位可减小金属表面间接触/摩擦起电性能，原子掺杂的影响取决于所掺杂原子对电子的作用能力。探究了载荷对表面接触/摩擦起电过程的影响规律，建立了致电量与载荷的关系。（4）研究建立了不同层状材料体系原子尺度摩擦与界面电荷密度涨落的关系，探讨了表面电荷对黏附的影响及其对摩擦的影响，提出了原子尺度摩擦控制的新思路。相关研究成果加深了人们对接触/摩擦致电机理的理解和认识，对接触/摩擦致电相关技术的发展具有重要理论指导意义，也为原子尺度摩擦的控制奠定了基础。