Page 202 - 《摩擦学学报》2021年第6期

第 6 期 张立强, 等: 钢-聚四氟乙烯摩擦界面的摩擦起电行为 987

(a) 0.15 (d) 0.10
Friction coefficient 0.10 Δ(Friction coefficient) 0.05

0.05
0.00
0 50 100 150 200 250 300 0.00 1 5 50 100 150 200 300 400
Time/s Time/s
(b) 500 (e) 800
Surface potential/V −500 0 opposite direction Δ(Surface potential)/V 400
Evolution in the

−1 000

0 50 100 150 200 250 300 0 1 5 50 100 150 200 300 400
Time/s Time/s
(c) (f) 2
1
Current/nA 0 Δ(Current)/nA 1

−1 0
0 50 100 150 200 250 300 1 5 50 100 150 200 300 400
Time/s Time/s

Fig. 3 Comparison of three kinds of signals: (a) friction coefficient; (b) surface potential; (c) current. Comparison of the fluctuation
values of the three signals at different times: (d) friction coefficient; (e) surface potential; (f) current. The applied load
is 5 N and the sliding speed is 4.48 cm/s
图 3 三种信号的对比：(a)摩擦系数；(b)表面电势；(c)接地电流. 三种信号的波动值在不同时间的对比：(d)摩擦系数；
(e)表面电势；(f)接地电流. 摩擦过程中施加的载荷为5 N，滑动的速度为4.48 cm/s

变电流的峰形. 在第二种情况下钢球在PTFE表面往复 荷或者直接以界面回注的方式转移到钢球，使接触界
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滑动，且每次的摩擦轨迹保持一致. 在这种运动模式 面的电势差降低 . 因此，电流表现出先负后正的双极
下，收集的电信号同样表现出双极性的交变电流峰形. 性峰形，由于摩擦起电效应，电子会继续向PTFE表面
而当钢球以Z形或者螺旋线形在PTFE表面慢速滑动 转移，这样最终电流就表现为双极性的峰形.
时，则电流表现为正极性的峰形. 这是因为这种不与 为了更清晰地说明电子的流动，在图5中展示了
原始摩擦轨迹重叠的运动模式下，钢球不断在零电荷 几种摩擦界面状态的示意图. 如图5(a)所示，界面达到
的新表面滑动，钢球的电子持续转移到PTFE表面，从 了相对稳定的状态，由于钢球与聚四氟乙烯的得失电
而导致电子从大地持续流到钢球，产生了正电流的峰 子差异，电子有机会从钢球表面向聚四氟乙烯表面转
形. 而在第二种直线往复的运动模式下，即与原始的 移. 如图5(b)所示，钢球表面的电子转移到聚四氟乙烯
滑动轨迹重合时，电流的峰形表现为先负后正的双极 表面，在原始位置形成了空穴，并导致电子在钢球内
性的峰形，这说明摩擦方式与摩擦起电行为密切相关. 部的晶格内流动. 此时发生了电荷的转移. 另一方面，
图4(b)说明了电流峰形呈现为双极性的原因. 当 由于钢球与零电势的地线相连，因此电子的流动是从
钢球与PTFE表面接触时，由于摩擦起电效应，钢球表 地线流入电流表再流入钢球到达钢球表面，形成正向
面的电子转移到PTFE表面，然而此时正电荷和负电 的电流. 如图5(c)所示，当电子流动结束后，钢球表面
荷处于同一接触平面，界面的净电荷为零. 当界面由 达到暂时稳定的状态. 如图5(d)所示，由于聚合物表面
于剪切运动分离时，电子就会从大地流入钢球补偿其 的电荷很难向环境中耗散，因此，当钢球滑动到聚四
失去的电子，产生正向的电流. 此时PTFE表面的静电 氟乙烯带负电较多的区域时，电子就有机会发生两个
电荷由于势垒的存在会在表面停留相当长的时间. 当 行为：一是电子从聚四氟乙烯表面回注到钢球表面；
钢球重新滑过表面时，为了平衡零电势的钢球与带电 二是电子在电荷之间的静电排斥作用下往回运动，进
的PTFE接触时产生的电势差使摩擦界面能量最低， 而导致电子的反向流动，在外电路表现为电流的反向
钢球上的电子会注入大地并在界面产生一部分正电 流动，这样电流就宏观表现为交流信号.