中科院兰州化物所：王道爱团队实现轻金属铝表面的摩擦起电调控

第一作者：冯敏，马韶晨

通讯作者：王道爱

通讯单位：中科院兰州化物所

接触起电累积静电荷的瞬间释放会对静电系统造成不可逆转的损坏。尽管在减少摩擦电荷方面取得了重大进展，但这个问题仍然难以解决。本文通过化学刻蚀、阳极氧化和煅烧处理，在金属铝上制备了具有四种微纳米结构的氧化铝膜，并将其与聚四氟乙烯膜组装成固-固摩擦纳米发电机（TENG），从而研究了纳米发电机的表面组成和结构对摩擦电性能的影响。结果表明，阶梯状纳米多孔阳极氧化铝（Micro/nano-AAO）基TENG的短路电流比纯铝小8.77倍，这是由于改性金属的接触面积减小和表面存在氧化膜所致。通过调节氧化铝纳米管的直径，从理论上证明了接触面积与测得的电荷密度之间的正相关性，从而确定了接触面积的大小是影响摩擦电输出的主要因素。这种通过微纳米结构设计对摩擦电输出进行调节的新方法为真空和非接地环境中抗静电材料的发展提供了新的方向。

研究背景

两种不同表面之间的接触分离通常伴随着电荷转移，近年来，随着TENG技术的发展，积累的电荷可被收集起来并用于自供电传感和其他领域。摩擦带电产生的瞬态高压会造成诸如短路和静电击穿等现象，对电子设备、静电敏感系统和航空航天设备造成极大的危害甚至导致飞机、火箭、卫星等导航系统出现故障。因此，静电的抑制和调控是电子工业迫切关注的问题。表面的结构和组成以及摩擦副的界面状态是直接影响摩擦带电程度的关键因素。在弹性聚合物材料表面制备微观和纳米纹理已被证明可以有效地增加接触面积和摩擦电输出。基于以上实验结果，我们设想是否能通过在刚性轻金属材料表面引入三维纳米多孔结构来降低其摩擦电荷密度呢？

图文导读

图1 不同结构氧化铝的SEM形貌

具有平滑表面的铝、阳极氧化铝、具有台阶状表面的铝以及具有孔洞结构的阶梯状阳极氧化铝的SEM形貌如图1所示。为了去除氧化层和任何污染物，对商用铝片进行电化学抛光，以获得光滑平整的表面（图1a）。然后在草酸溶液中对抛光后的铝进行阳极氧化，形成均匀的纳米管阵列（图1b，纳米孔径约为128 nm）。接下来，如图1c所示，通过在CuCl2和HCl溶液中的金属替代反应，光滑的铝表面上产生了微米级三维阶梯状结构。当继续在磷酸水溶液中阳极氧化时，产生了具有纳米孔（平均直径：170 nm）的阶梯状结构（图1d）。

图2 摩擦层接触效率和电荷密度之间的线性拟合关系

为了验证摩擦层接触效率和摩擦电输出之间的关系，对阳极氧化铝（AAO）的扩孔时间进行了调控，非孔区域的面积即为有效接触面积。图2a为纳米管孔径分布随扩孔时间的变化，图2b和2c则为不同PTFE基TENG产生的摩擦电流和电荷密度。可以看出， AAO的短路电流首先随着扩孔时间的增加而减小，在扩孔8分钟时达到最小值（0.29 µA），随即增加。由SEM图像可知，当扩孔时间延长至10分钟时， AAO从纳米管变为松散的纳米线，导致有效接触面积急剧增加，因此，此时摩擦电输出瞬时增加，达到1.26 µA。电荷密度显示出类似的线性趋势，随着扩孔时间从0分钟变为8分钟，然后变为10分钟，电荷密度首先从4.21 µC·m-2下降到1.54 µC·m-2，然后增加到4.52 µC·m-2。接触效率与电荷密度的拟合曲线的结果如图2d所示，可以看出，摩擦电荷密度随无孔面积的增加近似线性增加。结合先前的实验结果，基于Micro/nano-AAO的TENG具有最小的输出，表明具有纳米孔洞的三维结构引起的有效接触面积的减小是影响TENG输出值的关键因素。

图3 Micro/nano-AAO用于摩擦电监测及静电防护的应用

如上所述，TENG中的电荷流动是摩擦副接触分离过程中摩擦带电和静电感应耦合的结果，因此，摩擦电输出与摩擦层的接触面积直接相关。为了探索上述实验结果的实际应用，通过实时电信号监测和抗静电测试，研究了铝基板上的不同结构的影响。为此，通过将摩擦层材料和LED灯串联在电路中，实现了摩擦副表面摩擦电的现场动态监测，从而可以轻松识别铝片上不同成分和结构对摩擦电活性的影响。如图3a-c所示，当人体皮肤接触具有不同表面结构的氧化铝材料时，会产生不同大小的摩擦电，从而对应的LED状态为“亮”、“微亮”和“不亮”。随后，如图3d-f所示，将平滑氧化铝和Micro/nano-AAO弯曲成手机壳的形状，与PTFE摩擦后，通过聚苯乙烯泡沫球的吸附实验可以看出，许多泡沫球粘附在商用手机外壳的摩擦表面上，而在摩擦后，Micro/nano-AAO样品的表面没有粘附，表明氧化铝表面的微纳米结构具有更好、更直观的抗静电效果。

总结与展望

本工作从结构设计出发，研究了固−固界面有效接触面积与起电能力的关系。通过在轻金属铝表面构建不同结构的氧化铝膜，详细研究了表面结构和成分对摩擦电输出性能的影响。通过电化学抛光、化学刻蚀、阳极氧化和煅烧等处理在金属铝表面制备了具有微米、纳米及微纳米结构的氧化铝，并将其与PTFE组装成接触分离式TENG，实时监测结构和成分对摩擦起电性能的影响。结果表明，与平滑的铝相比，具有微纳米结构和氧化铝膜的PTFE基TENG的摩擦电流降低了8.77倍。通过对不同条件下制备的阳极氧化铝纳米管尺寸的理论计算，以及相同结构的铝和氧化铝的起电能力的标定，证实了接触面积的变化及氧化铝膜的生成是摩擦电性能差异的直接原因。这种基于表面微纳米结构的设计实现了金属铝表面摩擦起电的原位动态监测，为真空和非接地环境下的抗静电研究提供了一个新的方向。

论文链接：https://doi.org/10.1039/D2NR03445J

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