一种介质材料表面摩擦电荷密度的测量方法和测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种介质材料表面摩擦电荷密度的测量方法和测量装置，利用导电液体与介质材料接触摩擦，计算摩擦分离过程中与介质材料接触设置的电极与导电液体直接转移电荷的量，结合介质材料与导电液体摩擦面积，方便地获得介质材料表面摩擦电荷密度。由于导电液体与介质材料互相紧密接触，本发明专利技术的方法获得准确的接触面积和电荷转移量，可以为摩擦纳米发电机进行介质材料的选择提供重要的评价标准和方法。

Method and device for measuring surface friction charge density of dielectric material

The present invention provides a method and a device for measuring the surface charge density of friction materials, friction contact conductive liquid and dielectric materials using electrode, calculation of friction separation process and dielectric materials arranged in contact with the conducting liquid direct transfer charge based on dielectric material and the conductive liquid friction area, easy access to the charge density of dielectric materials surface friction. Due to the conductive liquid and dielectric materials in close contact with each other, the method of the invention is to obtain accurate contact area and the amount of charge transfer, provide an important evaluation standard and method can be used for material selection of friction nano generator.

【技术实现步骤摘要】
一种介质材料表面摩擦电荷密度的测量方法和测量装置
本专利技术涉及机械能发电领域，特别是用于机械能转变为电能的摩擦纳米发电机中，介质材料在与金属材料摩擦后表面摩擦电荷密度的测量方法以及装置。
技术介绍
摩擦纳米发电机的基本原理是利用摩擦在互相接触的材料表面产生电荷，并使两者分离使材料表面带有表面摩擦电荷，从而产生极高的电势，驱动外电路的电子发生定向移动，产生电能。这种发电机能够从环境中收集微弱的机械能并转换为电能。摩擦纳米发电机主要基于金属与介质材料，或介质材料与介质材料摩擦而工作。对于摩擦纳米发电机而言，摩擦面的表面摩擦电荷密度高低是决定发电机输出的重要参数。密度越高，发电机的输出功率越高，反之则低。目前关于介质材料表面摩擦起电性能的研究主要通过介质材料与另一种固体材料之间的接触进行。由于固体表面总是有纳米到微米尺度的表面粗糙度，使固体之间的接触被表面间较低的接触紧密度所限，难于进行介质材料表面摩擦电荷密度的准确测量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种介质材料表面电荷密度的测量方法，克服固体之间接触时表面间紧密度不高的问题，能够准确测量介质材料在与金属摩擦后表面摩擦电荷密度。为了实现上述目的，本专利技术提供一种介质材料表面摩擦电荷密度的测量方法，包括步骤:提供待测介质材料，在介质材料上接触设置电极；将设置有所述电极的待测介质材料与导电液体接触后分离，并测量所述电极与导电液体之间的电荷转移量Q；或者测量电极与导电液体之间的电流I，并通过积分获得整个过程中电荷转移量Q；获取所述待测介质材料与所述液态金属的最大接触面积S；将所述电荷转移量Q除以最大接触面积S,得到待测介质材料1的表面摩擦电荷密度。优选的，所述导电液体采用液态金属。优选的，所述液态金属为液态镓、含镓液态合金、镓铟合金、锡合金或者汞。优选的，所述待测介质材料与电极设置为电极与待测介质材料互相层叠，所述待测介质材料的上表面设置所述电极，仅待测介质材料下表面与所述导电液体的液面接触后分离。优选的，所述待测介质材料与导电液体接触后分离为，将所述待测介质材料提出液面至距离液面的距离在所述待测介质材料厚度一百倍以上。优选的，所述电极的至少一端被待测介质材料完全包裹，所述待测介质材料与导电液体接触后分离为，将电极的包覆端的部分待测介质材料插入液态金属中，然后将待测介质材料提出液面。优选的，步骤将设置有所述电极的待测介质材料与导电液体接触后分离的过程，在气体保护条件下进行。相应的，本专利技术还提供一种介质材料表面摩擦电荷密度的测量装置，包括导电液体、电极部件、连接在电极部件与导电液体之间的测量部件，其中，电极部件至少包括电极，用于在其上附着待测介质材料；导电液体用于与待测介质材料互相接触产生表面电荷。优选的，所述导电液体为液态金属。优选的，还包括计算部件，用于记录所述测量部件检测到所述电极部件与导电液体之间的电流或者电荷量，并根据待测介质材料与导电液体的接触面积，计算介质材料与导电液体摩擦后的表面摩擦电荷密度。优选的，还包括位置控制部件，连接在所述电极部件导电液体之间，用于控制所述电极部件与导电液体的距离。与现有技术相比，本专利技术提供的介质材料表面电荷密度的测量方法具有如下优点：本专利技术利用液态金属与介质材料接触摩擦，通过摩擦分离过程中电荷转移量和摩擦面积，进而可以获得介质材料的摩擦电荷密度，从而为摩擦纳米发电机如何进行介质材料的选择提供了重要的评价标准和方法。采用导电液体特别是液态金属与介质材料接触摩擦，互相之间的接触更有效更充分，更充分利用了实际介质材料的表面积。采用电极与液态金属之间的电流输出积分来间接计算介质材料的摩擦电荷密度，这种测算方法很有效并且成本更低。附图说明通过附图所示，本专利技术的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本专利技术的主旨。图1和图2为本专利技术的介质材料表面摩擦电荷密度测量过程示意图；图3为本专利技术的介质材料表面摩擦电荷密度测量方法流程示意图；图4为不同待测介质材料与液态金属和固态金属接触分离测量获得的介质材料表面摩擦电荷密度值；图5为介质材料FEP与不同液体以及固体金属接触分离测量获得的介质材料表面摩擦电荷密度值；图6为介质材料表面摩擦电荷密度测量装置示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。其次，本专利技术结合示意图进行详细描述，在详述本专利技术实施例时，为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不应限制本专利技术保护的范围。本专利技术将提出一种介质材料表面摩擦电荷密度的测量方法，技术方案是利用液体金属与介质材料接触摩擦，测量摩擦分离过程中转移电荷的量和摩擦面积，进而获得介质材料表面的摩擦电荷密度，能够为摩擦纳米发电机进行介质材料的选择提供了重要的评价标准和方法。下面结合附图详细介绍本专利技术的测量方法。本专利技术提供了一种介质材料表面摩擦电荷密度的测量方法，参见图3，该方法包括以下步骤：步骤S1，提供待测介质材料，在介质材料上接触设置电极。在介质材料上设置电极层可以有多种方法，可以采用粘贴或包覆电极材料等方法实现。也可以将待测介质材料通过物理或化学方法，包括化学气相淀积(CVD)、物理气相沉积(PVD)等方法沉积电极材料。电极材料可以为金属、氧化物导体、有机物导体等，例如电极可以为铜片、铝片、ITO。电极的厚度优选0.1mm至5mm。参见图1和图2，待测介质材料1与电极2，可以设置为电极2与待测介质材料1互相层叠(如图1所示)，或者电极2的至少一端被待测介质材料1完全包裹(如图2所示)。具体形式可以根据待测介质材料的形状或者电极的形状决定，采用片状电极时可以将待测介质材料粘贴在片状电极上，采用柱状电极时，可以将待测介质材料包覆在电极的一端，使电极的至少一端被待测介质材料包裹与外界绝缘。步骤S2，将步骤S1中设置有电极2的待测介质材料1与导电液体3接触后分离，并测量电极2与导电液体3之间的电荷转移量Q；或者测量电极2与导电液体3之间的电流I，并通过积分获得整个过程中电荷转移量Q。测量电极2与导电液体3之间的电荷转移量Q，具体可以测量整个过程流过电流表5的电流，并通过积分计算整个过程中流动电荷的总量，也可以直接用电学设备测试流动电荷的总量，即电荷转移量Q。电荷转移量Q可以用电极插入或靠近液态金属3的过程计算或测量，也可以用电极2拉出或者远离液体金属3的过程计算或测量，也可以将两个过程都计算或测量。导电液体3可以为任意可以导电的液体，优选为液态金属，如为液态镓、含镓液态合金、镓铟合金、锡合金或者汞等液态金属。由于液态金属具有较强的形状适应能力，与待测介质材料互相接触时接触紧密度可以大大提高。在使用易氧化的含镓液体金属时，尽可能在气体保护条件下进行测量，例如在氩气气氛保护下的手套箱中进行。该步骤中，将设置有电极2的待测介质材料1与导电液体3接触后分离，根据待检测介质材料的结构可以有两种方式：一种方式是，电极2与待测介质材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种介质材料表面摩擦电荷密度的测量方法，其特征在于，包括步骤:提供待测介质材料，在介质材料上接触设置电极；将设置有所述电极的待测介质材料与导电液体接触后分离，并测量所述电极与导电液体之间的电荷转移量Q；或者测量电极与导电液体之间的电流I，并通过积分获得整个过程中电荷转移量Q；获取所述待测介质材料与所述液态金属的最大接触面积S；将所述电荷转移量Q除以最大接触面积S,得到待测介质材料1的表面摩擦电荷密度。

【技术特征摘要】
1.一种介质材料表面摩擦电荷密度的测量方法，其特征在于，包括步骤:提供待测介质材料，在介质材料上接触设置电极；将设置有所述电极的待测介质材料与导电液体接触后分离，并测量所述电极与导电液体之间的电荷转移量Q；或者测量电极与导电液体之间的电流I，并通过积分获得整个过程中电荷转移量Q；获取所述待测介质材料与所述液态金属的最大接触面积S；将所述电荷转移量Q除以最大接触面积S,得到待测介质材料1的表面摩擦电荷密度。2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述导电液体采用液态金属。3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述液态金属为液态镓、含镓液态合金、镓铟合金、锡合金或者汞。4.根据权利要求1-3任一项所述的测量方法，其特征在于，所述待测介质材料与电极设置为电极与待测介质材料互相层叠，所述待测介质材料的上表面设置所述电极，仅待测介质材料下表面与所述导电液体的液面接触后分离。5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于，所述待测介质材料与导电液体接触后分离为，将所述待测介质材料提出液面至距离液面的距离在所述待测介质材料厚度一百倍以上。6.根据权利要求1-3任一项所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：訾云龙，唐伟，牛思淼，王中林，
申请(专利权)人：北京纳米能源与系统研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11