何 可， 武子帥， 王道愛， 張執(zhí)南

(1. 上海交通大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院， 上海 200240；2. 中國科學(xué)院 蘭州化學(xué)物理研究所， 蘭州 730000)

摩擦納米發(fā)電機(jī)(Triboelectric Nanogenerator, TENG)是一種能量收集和轉(zhuǎn)化裝置，其利用接觸起電和靜電感應(yīng)效應(yīng)的耦合，將環(huán)境中的摩擦能轉(zhuǎn)化為電能，實現(xiàn)對外輸出能量[1]，可用于微機(jī)電系統(tǒng)的持久續(xù)航[2-4].摩擦起電效應(yīng)是研制新型摩擦納米發(fā)電機(jī)的理論基礎(chǔ)，分析摩擦副材料的摩擦-電學(xué)性能有助于進(jìn)一步理解摩擦起電機(jī)理，為優(yōu)化摩擦納米發(fā)電機(jī)的發(fā)電性能提供理論基礎(chǔ).

目前，市場上尚無成熟的摩擦電試驗系統(tǒng)，研究者多通過搭建簡易摩擦起電測試臺或改造標(biāo)準(zhǔn)摩擦試驗機(jī)的方式開展相關(guān)的摩擦起電試驗[5-8].然而，多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)試驗機(jī)具有較寬的載荷范圍和復(fù)雜的金屬機(jī)械結(jié)構(gòu)，并不適用于較小載荷和絕緣條件下的摩擦起電試驗，導(dǎo)致試驗研究不規(guī)范.因此，開發(fā)具備摩擦-電學(xué)性能的測試系統(tǒng)對于摩擦起電的試驗研究有重要意義.

針對上述問題，設(shè)計并自主研發(fā)一套摩擦-電學(xué)性能測試系統(tǒng)，用于研究球/銷-盤在旋轉(zhuǎn)或往復(fù)條件下的摩擦-電學(xué)特性，實現(xiàn)對微電流、載荷和摩擦系數(shù)的實時測量.為系統(tǒng)配備摩擦微電流測量裝置，并開發(fā)配套的LabVIEW測控軟件.該系統(tǒng)可實現(xiàn)小載荷條件下的平穩(wěn)加載和微電流的精確測量，為規(guī)范化開展摩擦-電學(xué)性能的試驗提供參考.

1 系統(tǒng)組成

摩擦-電學(xué)測試系統(tǒng)主要由試驗機(jī)骨架、加載模塊、旋轉(zhuǎn)模塊和測控模塊組成，包括概念設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計兩個階段：在概念設(shè)計階段，通過功能-結(jié)構(gòu)分析、形態(tài)學(xué)矩陣和Pugh法等系統(tǒng)化設(shè)計方法初步確定測試系統(tǒng)的工作原理；在詳細(xì)設(shè)計階段，通過SolidWorks進(jìn)行完整的三維建模，分析布局設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)件選型和強度校核等.圖1為測試系統(tǒng)模型及其主要元件.表1為系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù).其中， 試驗形式為球/銷-盤旋轉(zhuǎn)，為測試系統(tǒng)配備測量微電流信號的專用數(shù)字萬用表DMM 6500，并利用 USB+LabVIEW程序進(jìn)行通信交互.

圖1 摩擦-電學(xué)測試系統(tǒng)的主要組成Fig.1 Main components of triboelectric test system

表1 主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters

試驗機(jī)骨架主要包括底板、支承板、隔離板和外殼等一系列金屬板殼，設(shè)計時主要考慮試驗機(jī)內(nèi)部空間的合理規(guī)劃，將試驗操作區(qū)域和電路控制區(qū)域隔離，并遮擋和隱藏部分區(qū)域，便于模塊更換，增強測試系統(tǒng)的綜合性.

圖2為測試系統(tǒng)的加載模塊，其主要原理為以伺服電動機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠帶動加載元件下壓彈簧實現(xiàn)精確加載.當(dāng)上、下試樣相互接觸后，隨著伺服電動機(jī)在控制程序下的驅(qū)動，下壓件壓緊彈簧實現(xiàn)設(shè)定載荷的加載.該設(shè)計參考UMT摩擦磨損試驗機(jī)，利用彈簧加載具有較高的穩(wěn)定性和抗振動性能.在該模塊中，滾珠絲杠的導(dǎo)程和彈簧的勁度系數(shù)可以保證載荷分辨率較小，交叉導(dǎo)軌可以保證下壓的豎直性，從而實現(xiàn)測試系統(tǒng)在特定載荷條件下的平穩(wěn)加載.

圖2 測試系統(tǒng)的加載模塊Fig.2 Loading module of test system

圖3為測試系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)模塊，其主要通過伺服電動機(jī)驅(qū)動同步輪來實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)元件的轉(zhuǎn)動.同步帶、輪能夠有效保障轉(zhuǎn)動的平穩(wěn)性，同時具備較高精度的傳動轉(zhuǎn)矩.加載模塊實現(xiàn)上試樣對下試樣的加載，轉(zhuǎn)動模塊實現(xiàn)下試樣的運動，從而形成上、下試樣對磨的基本形式.在該模塊中，在轉(zhuǎn)動軸的上、下端分別安置一個滾珠軸承，以保證轉(zhuǎn)動軸的平穩(wěn)轉(zhuǎn)動，并實現(xiàn)對轉(zhuǎn)動軸的定位.此外，操作者面向旋轉(zhuǎn)模塊正面，便于各部件的直接更換，以滿足不同形式的摩擦起電試驗要求[9-10].

圖4為測試系統(tǒng)的測控模塊，其主要包括以NI板卡為核心的運動、加載、控制等電控元件，主要負(fù)責(zé)控制測試系統(tǒng)的加載、運動和啟停，同時采集并處理力信號和電信號.圖4(a)為電控元件的走線設(shè)計，其中運動和加載電動機(jī)分別采用速度控制和位置控制，以實現(xiàn)特定的轉(zhuǎn)速和精準(zhǔn)的位移加載；圖

4(b)為自主開發(fā)的LabVIEW控制程序，其采用移動中值濾波法處理摩擦數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)歸零、圖像實時展示、數(shù)據(jù)一鍵處理、緊急停止等功能.

圖3 測試系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)模塊Fig.3 Rotating module of test system

圖4 測試系統(tǒng)的測控模塊Fig.4 Measurement control module of test system

2 關(guān)鍵技術(shù)

摩擦-電學(xué)測試系統(tǒng)的關(guān)鍵點為實現(xiàn)小載荷條件下的微電流測量，具體主要涉及測試系統(tǒng)開發(fā)過程中的兩項關(guān)鍵技術(shù).

2.1 小載荷平穩(wěn)加載設(shè)計

摩擦試驗機(jī)的基本特征為上、下試樣在特定的載荷作用下進(jìn)行某種形式的運動[11-12]，其較易提供特定的運動形式，但不易施加穩(wěn)定載荷.且載荷越小，平穩(wěn)加載的難度越高.因此，載荷的平穩(wěn)加載是實現(xiàn)摩擦-電學(xué)試驗測試的關(guān)鍵之一[13-14].

在機(jī)械式加載中，彈簧加載因其具有較好的穩(wěn)定性和抗沖擊性而被廣泛應(yīng)用于新型試驗機(jī)的設(shè)計[15-16].加載精度取決于滾珠絲杠的導(dǎo)程和彈簧的勁度系數(shù).其中，滾珠絲杠的導(dǎo)程為5 mm，加載電動機(jī)每 1 000 個脈沖轉(zhuǎn)一圈，即每個脈沖下壓 5 μm.所選彈簧為不銹鋼壓簧，最軟彈簧的外徑為11 mm，直徑為1 mm，長度為50 mm，勁度系數(shù)約為0.8 N/mm，可滿足0.01 N的加載精度.

圖5為加載模塊的優(yōu)化過程.其中，F(xiàn)為載荷，t為加載時間.在實際加載測試中，優(yōu)化前的載荷曲線存在一個突變階段(見圖5(a))，載荷迅速增大至約15 N，試驗測試時難以滿足小于10 N的小載荷.這是由于當(dāng)上、下試樣未接觸時，受重力影響，圖5(b)中的限位塊與固定塊之間存在壓力；而上、下試樣接觸瞬間，加載結(jié)構(gòu)繼續(xù)下壓，限位塊與固定塊發(fā)生分離，壓力瞬間消失，表現(xiàn)為載荷曲線的突變.

在限位塊與固定塊之間設(shè)置緩沖彈簧(見圖5(c)).該設(shè)計對UMT等試驗機(jī)的加載結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，令緩沖彈簧逐步釋放加載結(jié)構(gòu)的重力，保證小載荷條件下的平穩(wěn)加載.當(dāng)上、下試樣未接觸時，緩沖彈簧受壓，保持加載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定.隨著上、下試樣逐漸接觸，緩沖彈簧的壓力逐漸釋放，可以滿足小載荷條件下的平穩(wěn)加載.當(dāng)載荷較大時，隨著加載結(jié)構(gòu)進(jìn)一步下壓，緩沖彈簧恢復(fù)原長，固定塊開始擠壓加載彈簧，從而保證大載荷條件下的平穩(wěn)加載.

圖5 加載模塊的優(yōu)化Fig.5 Optimization of loading module

2.2 微電流測量絕緣處理

摩擦-電學(xué)測試系統(tǒng)在測量載荷、摩擦力信號的同時，還能夠測量上、下試樣摩擦過程中的微電流信號.目前，研究者多采用常規(guī)的摩擦試驗方法，利用附加測量微電流設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)摩擦試驗機(jī)，考察材料特性和界面參數(shù)對摩擦起電量的影響[17-19].其中，標(biāo)準(zhǔn)試驗機(jī)在摩擦信號測量方面表現(xiàn)較好，但由于其內(nèi)部的絕緣性較差，所以摩擦微電流測量不準(zhǔn)確[5,17].對此，針對上、下試樣的部分元件做絕緣處理，如圖6所示.

圖6 微電流測量的絕緣設(shè)計Fig.6 Insulation design of micro current measurement

圖中，直線滑臺的上部絕緣，可以有效隔離上試樣和試驗機(jī)主體部分，因此無需再進(jìn)行絕緣處理.下試樣與轉(zhuǎn)動軸相連，其絕緣處理較為復(fù)雜：首先使用橡膠墊片和橡膠螺栓固定下試樣，減少因固定螺栓而產(chǎn)生的電荷損失；然后采用絕緣漆或絕緣膠帶對4根支撐柱的上部進(jìn)行絕緣處理，保證電荷不向下流出；最后，向下方滾珠軸承的外圈噴絕緣漆，保證電荷不向外圈流出.絕緣設(shè)計主要為保證摩擦產(chǎn)生的電荷不會發(fā)生轉(zhuǎn)移，最終實現(xiàn)上、下試樣之間通路，上、下試樣與試驗機(jī)主體均斷路.

絕緣處理的難點在于完全隔離上、下試樣與試驗機(jī)主體.選取橡膠等非金屬材料，將其應(yīng)用于上、下試樣附近的某一元件(如直線滑臺)中，即可滿足隔離要求.完成絕緣處理后，在試驗進(jìn)行中，摩擦產(chǎn)生的微電流即可通過圖6中的藍(lán)色路徑流出，再由數(shù)字萬用表實現(xiàn)采集和測量.

3 試驗測試與分析

3.1 樣機(jī)對標(biāo)測試

為驗證測試系統(tǒng)在基本摩擦測試方面的準(zhǔn)確性，以本實驗室的多功能摩擦磨損試驗機(jī)為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對標(biāo)測試，對比載荷穩(wěn)定性.分別在2臺機(jī)器上進(jìn)行2組重復(fù)試驗，試驗信息如表2所示.其中，Ra為粗糙度，v為轉(zhuǎn)動速度.

利用移動平均法對摩擦-電學(xué)測試系統(tǒng)和對標(biāo)的摩擦試驗機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終載荷曲線的波動情況如圖7所示.可知，相比于對標(biāo)的摩擦試驗機(jī)，摩擦-電學(xué)測試系統(tǒng)的載荷穩(wěn)定性更好，其載荷波動為±0.3 N，波動幅度為±1%，緩沖彈簧有效降低了載荷的波動幅度.該測試系統(tǒng)在F<50 N時表現(xiàn)出更平穩(wěn)的加載性能，能夠保證摩擦力信號的穩(wěn)定性，且具備較好的重復(fù)性，可以實現(xiàn)摩擦起電測試的平穩(wěn)進(jìn)行.

表2 試驗條件與參數(shù)Tab.2 Conditions and parameters of experiment

圖7 載荷平穩(wěn)性對比測試Fig.7 Comparative test of load stability

3.2 摩擦起電試驗

以載荷為例研究其對摩擦起電量的影響.銷-盤摩擦起電試驗參數(shù)(見表2)用以說明鋁盤和純銅-銷試樣在F=10～30 N條件下的試驗信息.

圖8為試驗用摩擦-電學(xué)測試系統(tǒng).其中，圖8(a)為自主研發(fā)的試驗樣機(jī)，可實現(xiàn)F<50 N的穩(wěn)態(tài)加載和小于600 r/min的恒速轉(zhuǎn)動.其附帶緩沖彈簧，上、下試樣經(jīng)過絕緣處理.圖8(b)為摩擦起電試驗測試圖，摩擦微電流由數(shù)字萬用表采集并測量，載荷和摩擦力等摩擦參數(shù)由NI板卡采集并導(dǎo)出.

圖9為摩擦起電的電荷(Q)轉(zhuǎn)移曲線.其中，圖9(a)為不同載荷條件下，電荷隨時間的變化.可知，當(dāng)載荷較小時，微電流存在一定的正負(fù)波動，表現(xiàn)為電荷曲線的波動上升；當(dāng)載荷較大時，微電流相對穩(wěn)定，表現(xiàn)為電荷曲線的平穩(wěn)上升.圖9(b)為電荷隨載荷的變化趨勢.可知，在一定范圍內(nèi)，摩擦起電量隨載荷的增加而增大，與文獻(xiàn)[17-18]中的結(jié)果一致，即轉(zhuǎn)移電荷量與載荷存在明顯的線性關(guān)系.

圖8 摩擦-電學(xué)測試系統(tǒng)Fig.8 A triboelectric test system

圖9 摩擦起電的電荷轉(zhuǎn)移曲線Fig.9 Transferred charge of triboelectrification

4 結(jié)論

針對目前摩擦起電試驗中存在的主要問題，為了實時監(jiān)測微電流、載荷和摩擦力，自主研發(fā)滿足小載荷平穩(wěn)加載、微電流精確測量的摩擦-電學(xué)測試系統(tǒng).在實現(xiàn)傳統(tǒng)摩擦學(xué)測試的基礎(chǔ)上，通過配備高精度數(shù)字萬用表DMM 6500和對上、下試樣的絕緣處理，實現(xiàn)摩擦微電流的精準(zhǔn)測量.主要結(jié)論如下：

(1) 摩擦-電學(xué)測試系統(tǒng)通過滾珠絲杠帶動加載結(jié)構(gòu)下壓彈簧實現(xiàn)平穩(wěn)加載，并通過同步輪實現(xiàn)下試樣轉(zhuǎn)動，最后基于LabVIEW程序和NI板卡等實現(xiàn)試驗系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)采集.

(2) 設(shè)置緩沖彈簧能夠優(yōu)化加載結(jié)構(gòu)的施壓過程，保證測試系統(tǒng)在小載荷條件下得到較平穩(wěn)的加載曲線；對上、下試樣進(jìn)行絕緣處理，能夠?qū)崿F(xiàn)摩擦電荷只流向數(shù)字萬用表，保證微電流測量的準(zhǔn)確性.

(3) 對標(biāo)試驗發(fā)現(xiàn)該測試系統(tǒng)具有平穩(wěn)加載的特點；純銅-銷和鋁盤的摩擦起電基礎(chǔ)試驗發(fā)現(xiàn)銅-鋁界面間的轉(zhuǎn)移電荷量隨時間穩(wěn)步上升，且與載荷存在明顯的線性關(guān)系，為深入研究摩擦起電機(jī)理奠定基礎(chǔ).