摩擦-電學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)

何 可， 武子帥， 王道愛(ài)， 張執(zhí)南

(1. 上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 上海 200240；2. 中國(guó)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(chǎng)上尚無(wú)成熟的摩擦電試驗(yàn)系統(tǒng)，研究者多通過(guò)搭建簡(jiǎn)易摩擦起電測(cè)試臺(tái)或改造標(biāo)準(zhǔn)摩擦試驗(yàn)機(jī)的方式開(kāi)展相關(guān)的摩擦起電試驗(yàn)[5-8].然而，多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)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(yàn)，導(dǎo)致試驗(yàn)研究不規(guī)范.因此，開(kāi)發(fā)具備摩擦-電學(xué)性能的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)于摩擦起電的試驗(yàn)研究有重要意義.

針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)并自主研發(fā)一套摩擦-電學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)，用于研究球/銷(xiāo)-盤(pán)在旋轉(zhuǎn)或往復(fù)條件下的摩擦-電學(xué)特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)微電流、載荷和摩擦系數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量.為系統(tǒng)配備摩擦微電流測(cè)量裝置，并開(kāi)發(fā)配套的LabVIEW測(cè)控軟件.該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)小載荷條件下的平穩(wěn)加載和微電流的精確測(cè)量，為規(guī)范化開(kāi)展摩擦-電學(xué)性能的試驗(yàn)提供參考.

1 系統(tǒng)組成

摩擦-電學(xué)測(cè)試系統(tǒng)主要由試驗(yàn)機(jī)骨架、加載模塊、旋轉(zhuǎn)模塊和測(cè)控模塊組成，包括概念設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)兩個(gè)階段：在概念設(shè)計(jì)階段，通過(guò)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(jì)方法初步確定測(cè)試系統(tǒng)的工作原理；在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，通過(guò)SolidWorks進(jìn)行完整的三維建模，分析布局設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)件選型和強(qiáng)度校核等.圖1為測(cè)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(yàn)形式為球/銷(xiāo)-盤(pán)旋轉(zhuǎn)，為測(cè)試系統(tǒng)配備測(cè)量微電流信號(hào)的專(zhuān)用數(shù)字萬(wàn)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(cè)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(yàn)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(jì)時(shí)主要考慮試驗(yàn)機(jī)內(nèi)部空間的合理規(guī)劃，將試驗(yàn)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(qiáng)測(cè)試系統(tǒng)的綜合性.

圖2為測(cè)試系統(tǒng)的加載模塊，其主要原理為以伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠帶動(dòng)加載元件下壓彈簧實(shí)現(xiàn)精確加載.當(dāng)上、下試樣相互接觸后，隨著伺服電動(dòng)機(jī)在控制程序下的驅(qū)動(dòng)，下壓件壓緊彈簧實(shí)現(xiàn)設(shè)定載荷的加載.該設(shè)計(jì)參考UMT摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，利用彈簧加載具有較高的穩(wěn)定性和抗振動(dòng)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(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)在特定載荷條件下的平穩(wěn)加載.

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

圖3為測(cè)試系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)模塊，其主要通過(guò)伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)同步輪來(lái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)元件的轉(zhuǎn)動(dòng).同步帶、輪能夠有效保障轉(zhuǎn)動(dòng)的平穩(wěn)性，同時(shí)具備較高精度的傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩.加載模塊實(shí)現(xiàn)上試樣對(duì)下試樣的加載，轉(zhuǎn)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)下試樣的運(yùn)動(dòng)，從而形成上、下試樣對(duì)磨的基本形式.在該模塊中，在轉(zhuǎn)動(dòng)軸的上、下端分別安置一個(gè)滾珠軸承，以保證轉(zhuǎn)動(dòng)軸的平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)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(yàn)要求[9-10].

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

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

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

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

2 關(guān)鍵技術(shù)

摩擦-電學(xué)測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)為實(shí)現(xiàn)小載荷條件下的微電流測(cè)量，具體主要涉及測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù).

2.1 小載荷平穩(wěn)加載設(shè)計(jì)

摩擦試驗(yàn)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(yùn)動(dòng)[11-12]，其較易提供特定的運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)摩擦-電學(xué)試驗(yàn)測(cè)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(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)[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(dòng)機(jī)每 1 000 個(gè)脈沖轉(zhuǎn)一圈，即每個(gè)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(zhǎng)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(guò)程.其中，F(xiàn)為載荷，t為加載時(shí)間.在實(shí)際加載測(cè)試中，優(yōu)化前的載荷曲線存在一個(gè)突變階段(見(jiàn)圖5(a))，載荷迅速增大至約15 N，試驗(yàn)測(cè)試時(shí)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(shí)，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(jiàn)圖5(c)).該設(shè)計(jì)對(duì)UMT等試驗(yàn)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(shí)，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(shí)，隨著加載結(jié)構(gòu)進(jìn)一步下壓，緩沖彈簧恢復(fù)原長(zhǎng)，固定塊開(kāi)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(cè)量絕緣處理

摩擦-電學(xué)測(cè)試系統(tǒng)在測(cè)量載荷、摩擦力信號(hào)的同時(shí)，還能夠測(cè)量上、下試樣摩擦過(guò)程中的微電流信號(hào).目前，研究者多采用常規(guī)的摩擦試驗(yàn)方法，利用附加測(cè)量微電流設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)摩擦試驗(yàn)機(jī)，考察材料特性和界面參數(shù)對(duì)摩擦起電量的影響[17-19].其中，標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)機(jī)在摩擦信號(hào)測(cè)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(cè)量不準(zhǔn)確[5,17].對(duì)此，針對(duì)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(cè)量的絕緣設(shè)計(jì)Fig.6 Insulation design of micro current measurement

圖中，直線滑臺(tái)的上部絕緣，可以有效隔離上試樣和試驗(yàn)機(jī)主體部分，因此無(wú)需再進(jìn)行絕緣處理.下試樣與轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)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(jì)主要為保證摩擦產(chǎn)生的電荷不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移，最終實(shí)現(xiàn)上、下試樣之間通路，上、下試樣與試驗(yàn)機(jī)主體均斷路.

絕緣處理的難點(diǎn)在于完全隔離上、下試樣與試驗(yàn)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(tái))中，即可滿足隔離要求.完成絕緣處理后，在試驗(yàn)進(jìn)行中，摩擦產(chǎn)生的微電流即可通過(guò)圖6中的藍(lán)色路徑流出，再由數(shù)字萬(wàn)用表實(shí)現(xiàn)采集和測(cè)量.

3 試驗(yàn)測(cè)試與分析

3.1 樣機(jī)對(duì)標(biāo)測(cè)試

為驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)在基本摩擦測(cè)試方面的準(zhǔn)確性，以本實(shí)驗(yàn)室的多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)標(biāo)測(cè)試，對(duì)比載荷穩(wěn)定性.分別在2臺(tái)機(jī)器上進(jìn)行2組重復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)信息如表2所示.其中，Ra為粗糙度，v為轉(zhuǎn)動(dòng)速度.

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

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

圖7 載荷平穩(wěn)性對(duì)比測(cè)試Fig.7 Comparative test of load stability

3.2 摩擦起電試驗(yàn)

以載荷為例研究其對(duì)摩擦起電量的影響.銷(xiāo)-盤(pán)摩擦起電試驗(yàn)參數(shù)(見(jiàn)表2)用以說(shuō)明鋁盤(pán)和純銅-銷(xiāo)試樣在F=10～30 N條件下的試驗(yàn)信息.

圖8為試驗(yàn)用摩擦-電學(xué)測(cè)試系統(tǒng).其中，圖8(a)為自主研發(fā)的試驗(yàn)樣機(jī)，可實(shí)現(xiàn)F<50 N的穩(wěn)態(tài)加載和小于600 r/min的恒速轉(zhuǎn)動(dòng).其附帶緩沖彈簧，上、下試樣經(jīng)過(guò)絕緣處理.圖8(b)為摩擦起電試驗(yàn)測(cè)試圖，摩擦微電流由數(shù)字萬(wàn)用表采集并測(cè)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(shí)間的變化.可知，當(dāng)載荷較小時(shí)，微電流存在一定的正負(fù)波動(dòng)，表現(xiàn)為電荷曲線的波動(dòng)上升；當(dāng)載荷較大時(shí)，微電流相對(duì)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(shì).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(cè)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(duì)目前摩擦起電試驗(yàn)中存在的主要問(wèn)題，為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)量的摩擦-電學(xué)測(cè)試系統(tǒng).在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)摩擦學(xué)測(cè)試的基礎(chǔ)上，通過(guò)配備高精度數(shù)字萬(wàn)用表DMM 6500和對(duì)上、下試樣的絕緣處理，實(shí)現(xiàn)摩擦微電流的精準(zhǔn)測(cè)量.主要結(jié)論如下：

(1) 摩擦-電學(xué)測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)滾珠絲杠帶動(dòng)加載結(jié)構(gòu)下壓彈簧實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)加載，并通過(guò)同步輪實(shí)現(xiàn)下試樣轉(zhuǎn)動(dòng)，最后基于LabVIEW程序和NI板卡等實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)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(guò)程，保證測(cè)試系統(tǒng)在小載荷條件下得到較平穩(wěn)的加載曲線；對(duì)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(wàn)用表，保證微電流測(cè)量的準(zhǔn)確性.

(3) 對(duì)標(biāo)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該測(cè)試系統(tǒng)具有平穩(wěn)加載的特點(diǎn)；純銅-銷(xiāo)和鋁盤(pán)的摩擦起電基礎(chǔ)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)銅-鋁界面間的轉(zhuǎn)移電荷量隨時(shí)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).