耐磨PI的制備及其在摩擦納米發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用

徐官平

(中國海洋大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100)

自2012年王中林發(fā)明摩擦納米發(fā)電機(jī)以來，對(duì)摩擦納米發(fā)電機(jī)的研究與日俱增，尤其是對(duì)于應(yīng)用于收集環(huán)境中的摩擦能耗。通過這段時(shí)間的各國科學(xué)家的研究，其在收集風(fēng)能、水能、潮汐能等方面取得了巨大進(jìn)展[1]。然而，摩擦納米發(fā)電機(jī)本質(zhì)上離不開摩擦帶來的損耗，這些損耗包括對(duì)能量的浪費(fèi)以及對(duì)摩擦層材料本身的損失。為進(jìn)一步提高摩擦層材料的耐磨性，聚酰亞胺(PI)，作為綜合性能最好的材料之一，人們對(duì)它的有著很大興趣，相比于金屬電極如鋁、銅等，PI易于制取容易獲得且有著較好的電子得失能力[2]。而SiC作為一種天然礦物，有著較好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐磨性，人們對(duì)其的研究已經(jīng)很成熟了。但是，PI作為摩擦納米發(fā)電機(jī)的摩擦層[3]使用時(shí)，由于摩擦?xí)?dǎo)致PI材料產(chǎn)生磨損變薄以及表面破損。因此，能夠提高材料耐磨性的SiC成為提高摩擦納米發(fā)電機(jī)的摩擦層PI的理想材料。但是，單純的SiC顆粒體積和質(zhì)量過大反而會(huì)增加PI的表面粗糙度，降低PI的耐磨性。因此需要對(duì)摻入SiC材料的質(zhì)量和體積進(jìn)行調(diào)控，使制得的耐磨PI擁有較好的穩(wěn)定性和耐磨性，提高摩擦納米發(fā)電機(jī)摩擦層的耐磨性能。

本文采用粉碎攪拌法，在PI溶液中混入SiC等材料進(jìn)行混合后得到耐磨PI，摻入SiC后，耐磨PI作為摩擦納米發(fā)電機(jī)的摩擦層材料能夠保持穩(wěn)定且提高耐磨性。通過對(duì)摩擦納米發(fā)電機(jī)電學(xué)輸出性能的研究和摩擦系數(shù)的測(cè)試分析可知，該耐磨PI材料不僅能夠解決摩擦層損耗較大的問題，而且不會(huì)對(duì)電學(xué)性能輸出有過多的降低。將該耐磨PI應(yīng)用到摩擦納米發(fā)電機(jī)中，得到了比單純PI作為摩擦層時(shí)更優(yōu)異的性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

商用PI膜，DMF， MDA，BPDA粉末，PEPA粉末，銅電極，商用PI粉體，亞克力板(PMMA)，馬口鐵，環(huán)氧樹脂，尼龍11(PA11)，以上試劑均為分析純。樣品制備使用噴槍，錫壺，粉碎機(jī)，攪拌機(jī)，真空干燥器，手套箱，烘箱等。摩擦納米發(fā)電機(jī)性能測(cè)試使用NI PCIe-6259 DAQ信號(hào)采集卡，SR570電流放大器，WMUC512075-06-X直線電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)。

1.2 PI溶液的制備

向帶有磁力攪拌的250 mL兩口瓶中加入160 mL DMF，在有氮?dú)獗Ｗo(hù)且處于磁力攪拌的狀態(tài)下，向反應(yīng)瓶中加入13.3826 g(0.0675 mol)MDA粉末，溶液由無色變?yōu)榈S色，待二胺完全溶解后向反應(yīng)體系加入13.2399 g(0.0450 mol)a-BPDA粉末(分三批加入)，溶液由淡黃色變?yōu)闇\黃色，溶液粘度不斷的增大，待a-BPDA粉末全部溶解完全后，再繼續(xù)向體系加入11.1708 g(0.0450 mol)4-PEPA粉末(分三批加入)，室溫?cái)嚢璺磻?yīng)15 h，得到計(jì)算固含量為20%的淺黃色PAA溶液。將反應(yīng)制得的聚酰胺酸溶液于低溫干燥的環(huán)境下保存。

1.3 耐磨PI的制備

將一定量的SiC粉末放入上述步驟中制得的PI溶液中，然后使用攪拌機(jī)攪拌溶解，溶解完成后放入烘箱中烘干一定時(shí)間等待固化。將耐磨PI放入真空干燥箱中備用。

1.4 摩擦納米發(fā)電機(jī)的組裝與電學(xué)性能和磨損性能測(cè)試

我們?cè)O(shè)計(jì)的摩擦納米發(fā)電機(jī)主要是對(duì)摩材料為耐磨PI和模具鋼與外電路組成，二者構(gòu)成了摩擦納米發(fā)電機(jī)的總體。將模具鋼固定住，并將背面貼上電極的耐磨PI固定在直線電機(jī)上，在水平方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使得耐磨PI和模具鋼實(shí)現(xiàn)周期性的接觸分離。概念上的摩擦納米發(fā)電機(jī)就制作完成了。使用LabVIEW對(duì)采集的電流和電壓的數(shù)據(jù)進(jìn)行電學(xué)性能測(cè)試。使用UMT對(duì)耐磨PI進(jìn)行了磨損的表征。

2 結(jié)果分析

2.1 耐磨材料的選擇

往配置好的PI溶液中加入不同的耐磨材料，然后將制得的含有不同材料的耐磨PI與模具鋼對(duì)摩，測(cè)試其電學(xué)輸出性能，結(jié)果如圖1所示。其中P1為純PI、P2為摻雜ZnS軟顆粒、P3為摻雜納米級(jí)SiC顆粒(摻4%體積)、P4為摻雜纖維、P5為摻雜微米級(jí)SiC顆粒(摻4%體積)?？梢钥闯鰮诫s后電學(xué)輸出性能有了一定的下降，尤其是摻雜了ZnS軟顆粒的耐磨PI。這主要是因?yàn)閾诫s雜質(zhì)后，純PI的靜電感應(yīng)性能有所下降，使得電子轉(zhuǎn)移能力下降，這樣導(dǎo)致了輸出電流的下降。因此需要選擇一種摻雜材料不會(huì)使電學(xué)性能下降太多，因此我們選擇了P3即納米級(jí)SiC顆粒。總之該顆粒一定程度降低了摩擦納米發(fā)電機(jī)的電學(xué)輸出，但是也會(huì)相應(yīng)的大大提高對(duì)摩材料的使用壽命。

圖1 摻雜不同耐磨材料的PI在室溫下的電流輸出測(cè)試

2.2 摻雜不同濃度的SiC選擇

確定了納米級(jí)SiC顆粒作為摻雜材料，需要選擇一個(gè)合適的濃度作為最終確定的摩擦層耐磨PI，如圖2所示?？梢钥闯鍪褂卯?dāng)選用摻雜1%的SiC時(shí)，對(duì)比于純PI它地輸出電流沒有明顯的下降，同時(shí)隨著摻雜濃度的增加，其輸出電流有著明顯的下降趨勢(shì)，需要對(duì)耐磨PI的摩擦系數(shù)進(jìn)行測(cè)試，從而確定選定材料的最佳濃度，在保證電學(xué)性能未有明顯下降的情況下，大大提高PI的耐磨性能。

圖2 摻雜不同濃度SiC的輸出電流圖

2.3 耐磨PI的摩擦系數(shù)測(cè)試

圖3 (a) 摻雜1%濃度的PI的摩擦系數(shù) (b)純PI的摩擦系數(shù)圖

用UMT測(cè)試了純PI和摻雜1%濃度的耐磨PI的摩擦系數(shù)。使用不銹鋼球作為摩擦對(duì)象，發(fā)現(xiàn)純PI的摩擦系數(shù)遠(yuǎn)大于摻雜之后的耐磨PI，平均摩擦系數(shù)分別為0.38和0.12，如圖3所示。表明了在摻雜1%體積的SiC之后，PI的摩擦磨損性能有了較大提高。

3 總結(jié)

通過粉碎攪拌法制備的摻納米級(jí)SiC耐磨PI具有良好的電學(xué)性能和耐磨性能。相比較純的PI，使用該耐磨PI的電流輸出略有下降，但摩擦磨損性能有較大的提高，說明該耐磨PI作為摩擦納米發(fā)電機(jī)的摩擦層具有良好的性能，可以起到增大延長使用壽命的作用，在摩擦納米發(fā)電機(jī)上有較好的應(yīng)用前景。