第十五届全国表面工程大会

材料的表面电荷密度对摩擦起电和摩擦磨损行为具有很大的影响。一方面，提高摩擦电材料表面电荷密度对提升摩擦纳米发电机(TENGs)的能量收集效率意义重大；另一方面，通过调控材料界面处的电荷积累，可以避免静电导致的事故与故障，还可有效缓解材料的磨损程度。因此，有必要对应于不同应用场景有针对性地调控材料的表面电荷密度以达到更好的应用效果。其中，得益于操作简单、处理时长短、成本低廉等优势，等离子体表面改性技术已成为调控材料表面电荷密度的一种有效方法。等离子体处理可以通过电离气体对目标材料表面进行蚀刻并形成微纳米结构来释放能量，从而改变表面形貌并增加摩擦电极材料之间的有效接触面积。此外，反应性离子蚀刻（RIE）等离子体处理可以通过向系统中注入反应气体以同时实现化学改性，从而调控摩擦电材料的功函数并影响其接触起电性能。
基于此，本文将等离子体表面改性技术用于摩擦电材料的化学表面修饰，并针对不同的应用场景开发了具有高能量收集效率的聚偏二氟乙烯（PVDF）/Ag@C基摩擦电材料以及具有防静电、耐磨性的聚酰亚胺（PI）基材料。两步O₂+CF₄等离子体处理大大提高了PVDF/Ag@C摩擦负极材料的表面粗糙度和有效接触面积，并引入了大量的-F，-CF_x等吸电子基团，显著提高了PVDF/Ag@C的表面电子亲和力和疏水性。将PVDF/Ag@C与PVA摩擦电极组装成TENG，得益于功函数的提高，TENG的表面电荷密度从64.26 μC/m²显著增加至 216.60 μC/m²，表明其在能量收集领域的巨大潜力^[1]。此外，通过单步Ar等离子体表面改性来调节PI表面的电荷积累，成功降低了其在摩擦过程中产生的摩擦电荷，实现了对摩擦系数等摩擦磨损行为的调控^[2]。等离子体表面改性可以在能量收集、工业生产、电子电路等领域产生重要影响。
 

等离子体表面改性；表面电荷密度；化学表面修饰；摩擦纳米发电机