第十五届全国摩擦学大会暨全国青年摩擦学学术会议

湿度会影响摩擦纳米发电机的输出性能和稳定性。然而，目前湿度对摩擦纳米发电机中金属-非晶聚合物接触起电的影响研究仍局限于实验，关于吸附在接触界面的水分子如何影响起电过程电荷转移的微观机理仍不清楚。为此，本文通过第一性原理计算的方法研究了湿度对典型摩擦电材料接触副铝(Al)-非晶聚乙烯(PE)接触界面电荷转移的影响机理。研究发现在Al/PE之间的电子转移中，吸附在界面之间的水分子取代了原来的电子供体Al，并将电子提供给PE的LUMO(最低未占据分子轨道)以及Al的表面原子，减少了Al/PE接触副的电荷转移量。同时，水分子的介入并不会影响聚合物的LUMO轨道作为电子受体，因此不会使得聚合物表面电荷极性发生逆转。最重要的是，研究证明了氢键使得水分子在金属/聚合物界面易失去电子而带正电，并使得水分子中未形成氢键的氢原子是主要的电子供体。此外，我们还发现转移电荷的数量与电子供体的数量密切相关，这可以很好地解释随着湿度增加电荷转移量的下降趋势。本文的研究为湿度环境下接触起电的调控和抗湿型摩擦纳米发电机的设计提供了理论依据。