摩擦-電學性能測試系統的設計與研發

何 可， 武子帥， 王道愛， 張執南

(1. 上海交通大學 機械與動力工程學院， 上海 200240；2. 中國科學院 蘭州化學物理研究所， 蘭州 730000)

摩擦納米發電機(Triboelectric Nanogenerator, TENG)是一種能量收集和轉化裝置，其利用接觸起電和靜電感應效應的耦合，將環境中的摩擦能轉化為電能，實現對外輸出能量[1]，可用于微機電系統的持久續航[2-4].摩擦起電效應是研制新型摩擦納米發電機的理論基礎，分析摩擦副材料的摩擦-電學性能有助于進一步理解摩擦起電機理，為優化摩擦納米發電機的發電性能提供理論基礎.

目前，市場上尚無成熟的摩擦電試驗系統，研究者多通過搭建簡易摩擦起電測試臺或改造標準摩擦試驗機的方式開展相關的摩擦起電試驗[5-8].然而，多數標準試驗機具有較寬的載荷范圍和復雜的金屬機械結構，并不適用于較小載荷和絕緣條件下的摩擦起電試驗，導致試驗研究不規范.因此，開發具備摩擦-電學性能的測試系統對于摩擦起電的試驗研究有重要意義.

針對上述問題，設計并自主研發一套摩擦-電學性能測試系統，用于研究球/銷-盤在旋轉或往復條件下的摩擦-電學特性，實現對微電流、載荷和摩擦系數的實時測量.為系統配備摩擦微電流測量裝置，并開發配套的LabVIEW測控軟件.該系統可實現小載荷條件下的平穩加載和微電流的精確測量，為規范化開展摩擦-電學性能的試驗提供參考.

1 系統組成

摩擦-電學測試系統主要由試驗機骨架、加載模塊、旋轉模塊和測控模塊組成，包括概念設計和詳細設計兩個階段：在概念設計階段，通過功能-結構分析、形態學矩陣和Pugh法等系統化設計方法初步確定測試系統的工作原理；在詳細設計階段，通過SolidWorks進行完整的三維建模，分析布局設計、標準件選型和強度校核等.圖1為測試系統模型及其主要元件.表1為系統主要技術參數.其中， 試驗形式為球/銷-盤旋轉，為測試系統配備測量微電流信號的專用數字萬用表DMM 6500，并利用 USB+LabVIEW程序進行通信交互.

圖1 摩擦-電學測試系統的主要組成Fig.1 Main components of triboelectric test system

表1 主要技術參數Tab.1 Main technical parameters

試驗機骨架主要包括底板、支承板、隔離板和外殼等一系列金屬板殼，設計時主要考慮試驗機內部空間的合理規劃，將試驗操作區域和電路控制區域隔離，并遮擋和隱藏部分區域，便于模塊更換，增強測試系統的綜合性.

圖2為測試系統的加載模塊，其主要原理為以伺服電動機驅動滾珠絲杠帶動加載元件下壓彈簧實現精確加載.當上、下試樣相互接觸后，隨著伺服電動機在控制程序下的驅動，下壓件壓緊彈簧實現設定載荷的加載.該設計參考UMT摩擦磨損試驗機，利用彈簧加載具有較高的穩定性和抗振動性能.在該模塊中，滾珠絲杠的導程和彈簧的勁度系數可以保證載荷分辨率較小，交叉導軌可以保證下壓的豎直性，從而實現測試系統在特定載荷條件下的平穩加載.

圖2 測試系統的加載模塊Fig.2 Loading module of test system

圖3為測試系統的旋轉模塊，其主要通過伺服電動機驅動同步輪來實現旋轉元件的轉動.同步帶、輪能夠有效保障轉動的平穩性，同時具備較高精度的傳動轉矩.加載模塊實現上試樣對下試樣的加載，轉動模塊實現下試樣的運動，從而形成上、下試樣對磨的基本形式.在該模塊中，在轉動軸的上、下端分別安置一個滾珠軸承，以保證轉動軸的平穩轉動，并實現對轉動軸的定位.此外，操作者面向旋轉模塊正面，便于各部件的直接更換，以滿足不同形式的摩擦起電試驗要求[9-10].

圖4為測試系統的測控模塊，其主要包括以NI板卡為核心的運動、加載、控制等電控元件，主要負責控制測試系統的加載、運動和啟停，同時采集并處理力信號和電信號.圖4(a)為電控元件的走線設計，其中運動和加載電動機分別采用速度控制和位置控制，以實現特定的轉速和精準的位移加載；圖

4(b)為自主開發的LabVIEW控制程序，其采用移動中值濾波法處理摩擦數據，可實現數據歸零、圖像實時展示、數據一鍵處理、緊急停止等功能.

圖3 測試系統的旋轉模塊Fig.3 Rotating module of test system

圖4 測試系統的測控模塊Fig.4 Measurement control module of test system

2 關鍵技術

摩擦-電學測試系統的關鍵點為實現小載荷條件下的微電流測量，具體主要涉及測試系統開發過程中的兩項關鍵技術.

2.1 小載荷平穩加載設計

摩擦試驗機的基本特征為上、下試樣在特定的載荷作用下進行某種形式的運動[11-12]，其較易提供特定的運動形式，但不易施加穩定載荷.且載荷越小，平穩加載的難度越高.因此，載荷的平穩加載是實現摩擦-電學試驗測試的關鍵之一[13-14].

在機械式加載中，彈簧加載因其具有較好的穩定性和抗沖擊性而被廣泛應用于新型試驗機的設計[15-16].加載精度取決于滾珠絲杠的導程和彈簧的勁度系數.其中，滾珠絲杠的導程為5 mm，加載電動機每 1 000 個脈沖轉一圈，即每個脈沖下壓 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，長度為50 mm，勁度系數約為0.8 N/mm，可滿足0.01 N的加載精度.

圖5為加載模塊的優化過程.其中，F為載荷，t為加載時間.在實際加載測試中，優化前的載荷曲線存在一個突變階段(見圖5(a))，載荷迅速增大至約15 N，試驗測試時難以滿足小于10 N的小載荷.這是由于當上、下試樣未接觸時，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，加載結構繼續下壓，限位塊與固定塊發生分離，壓力瞬間消失，表現為載荷曲線的突變.

在限位塊與固定塊之間設置緩沖彈簧(見圖5(c)).該設計對UMT等試驗機的加載結構進行優化，令緩沖彈簧逐步釋放加載結構的重力，保證小載荷條件下的平穩加載.當上、下試樣未接觸時，緩沖彈簧受壓，保持加載結構的穩定.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加載.當載荷較大時，隨著加載結構進一步下壓，緩沖彈簧恢復原長，固定塊開始擠壓加載彈簧，從而保證大載荷條件下的平穩加載.

圖5 加載模塊的優化Fig.5 Optimization of loading module

2.2 微電流測量絕緣處理

摩擦-電學測試系統在測量載荷、摩擦力信號的同時，還能夠測量上、下試樣摩擦過程中的微電流信號.目前，研究者多采用常規的摩擦試驗方法，利用附加測量微電流設備的標準摩擦試驗機，考察材料特性和界面參數對摩擦起電量的影響[17-19].其中，標準試驗機在摩擦信號測量方面表現較好，但由于其內部的絕緣性較差，所以摩擦微電流測量不準確[5,17].對此，針對上、下試樣的部分元件做絕緣處理，如圖6所示.

圖6 微電流測量的絕緣設計Fig.6 Insulation design of micro current measurement

圖中，直線滑臺的上部絕緣，可以有效隔離上試樣和試驗機主體部分，因此無需再進行絕緣處理.下試樣與轉動軸相連，其絕緣處理較為復雜：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生的電荷損失；然后采用絕緣漆或絕緣膠帶對4根支撐柱的上部進行絕緣處理，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.絕緣設計主要為保證摩擦產生的電荷不會發生轉移，最終實現上、下試樣之間通路，上、下試樣與試驗機主體均斷路.

絕緣處理的難點在于完全隔離上、下試樣與試驗機主體.選取橡膠等非金屬材料，將其應用于上、下試樣附近的某一元件(如直線滑臺)中，即可滿足隔離要求.完成絕緣處理后，在試驗進行中，摩擦產生的微電流即可通過圖6中的藍色路徑流出，再由數字萬用表實現采集和測量.

3 試驗測試與分析

3.1 樣機對標測試

為驗證測試系統在基本摩擦測試方面的準確性，以本實驗室的多功能摩擦磨損試驗機為標準進行對標測試，對比載荷穩定性.分別在2臺機器上進行2組重復試驗，試驗信息如表2所示.其中，Ra為粗糙度，v為轉動速度.

利用移動平均法對摩擦-電學測試系統和對標的摩擦試驗機進行數據處理，最終載荷曲線的波動情況如圖7所示.可知，相比于對標的摩擦試驗機，摩擦-電學測試系統的載荷穩定性更好，其載荷波動為±0.3 N，波動幅度為±1%，緩沖彈簧有效降低了載荷的波動幅度.該測試系統在F<50 N時表現出更平穩的加載性能，能夠保證摩擦力信號的穩定性，且具備較好的重復性，可以實現摩擦起電測試的平穩進行.

表2 試驗條件與參數Tab.2 Conditions and parameters of experiment

圖7 載荷平穩性對比測試Fig.7 Comparative test of load stability

3.2 摩擦起電試驗

以載荷為例研究其對摩擦起電量的影響.銷-盤摩擦起電試驗參數(見表2)用以說明鋁盤和純銅-銷試樣在F=10～30 N條件下的試驗信息.

圖8為試驗用摩擦-電學測試系統.其中，圖8(a)為自主研發的試驗樣機，可實現F<50 N的穩態加載和小于600 r/min的恒速轉動.其附帶緩沖彈簧，上、下試樣經過絕緣處理.圖8(b)為摩擦起電試驗測試圖，摩擦微電流由數字萬用表采集并測量，載荷和摩擦力等摩擦參數由NI板卡采集并導出.

圖9為摩擦起電的電荷(Q)轉移曲線.其中，圖9(a)為不同載荷條件下，電荷隨時間的變化.可知，當載荷較小時，微電流存在一定的正負波動，表現為電荷曲線的波動上升；當載荷較大時，微電流相對穩定，表現為電荷曲線的平穩上升.圖9(b)為電荷隨載荷的變化趨勢.可知，在一定范圍內，摩擦起電量隨載荷的增加而增大，與文獻[17-18]中的結果一致，即轉移電荷量與載荷存在明顯的線性關系.

圖8 摩擦-電學測試系統Fig.8 A triboelectric test system

圖9 摩擦起電的電荷轉移曲線Fig.9 Transferred charge of triboelectrification

4 結論

針對目前摩擦起電試驗中存在的主要問題，為了實時監測微電流、載荷和摩擦力，自主研發滿足小載荷平穩加載、微電流精確測量的摩擦-電學測試系統.在實現傳統摩擦學測試的基礎上，通過配備高精度數字萬用表DMM 6500和對上、下試樣的絕緣處理，實現摩擦微電流的精準測量.主要結論如下：

(1) 摩擦-電學測試系統通過滾珠絲杠帶動加載結構下壓彈簧實現平穩加載，并通過同步輪實現下試樣轉動，最后基于LabVIEW程序和NI板卡等實現試驗系統的控制和數據采集.

(2) 設置緩沖彈簧能夠優化加載結構的施壓過程，保證測試系統在小載荷條件下得到較平穩的加載曲線；對上、下試樣進行絕緣處理，能夠實現摩擦電荷只流向數字萬用表，保證微電流測量的準確性.

(3) 對標試驗發現該測試系統具有平穩加載的特點；純銅-銷和鋁盤的摩擦起電基礎試驗發現銅-鋁界面間的轉移電荷量隨時間穩步上升，且與載荷存在明顯的線性關系，為深入研究摩擦起電機理奠定基礎.