耐磨PI的制备及其在摩擦纳米发电机中的应用

徐官平

(中国海洋大学 材料科学与工程学院，山东 青岛 266100)

自2012年王中林发明摩擦纳米发电机以来，对摩擦纳米发电机的研究与日俱增，尤其是对于应用于收集环境中的摩擦能耗。通过这段时间的各国科学家的研究，其在收集风能、水能、潮汐能等方面取得了巨大进展[1]。然而，摩擦纳米发电机本质上离不开摩擦带来的损耗，这些损耗包括对能量的浪费以及对摩擦层材料本身的损失。为进一步提高摩擦层材料的耐磨性，聚酰亚胺(PI)，作为综合性能最好的材料之一，人们对它的有着很大兴趣，相比于金属电极如铝、铜等，PI易于制取容易获得且有着较好的电子得失能力[2]。而SiC作为一种天然矿物，有着较好的化学稳定性和耐磨性，人们对其的研究已经很成熟了。但是，PI作为摩擦纳米发电机的摩擦层[3]使用时，由于摩擦会导致PI材料产生磨损变薄以及表面破损。因此，能够提高材料耐磨性的SiC成为提高摩擦纳米发电机的摩擦层PI的理想材料。但是，单纯的SiC颗粒体积和质量过大反而会增加PI的表面粗糙度，降低PI的耐磨性。因此需要对掺入SiC材料的质量和体积进行调控，使制得的耐磨PI拥有较好的稳定性和耐磨性，提高摩擦纳米发电机摩擦层的耐磨性能。

本文采用粉碎搅拌法，在PI溶液中混入SiC等材料进行混合后得到耐磨PI，掺入SiC后，耐磨PI作为摩擦纳米发电机的摩擦层材料能够保持稳定且提高耐磨性。通过对摩擦纳米发电机电学输出性能的研究和摩擦系数的测试分析可知，该耐磨PI材料不仅能够解决摩擦层损耗较大的问题，而且不会对电学性能输出有过多的降低。将该耐磨PI应用到摩擦纳米发电机中，得到了比单纯PI作为摩擦层时更优异的性能。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

商用PI膜，DMF， MDA，BPDA粉末，PEPA粉末，铜电极，商用PI粉体，亚克力板(PMMA)，马口铁，环氧树脂，尼龙11(PA11)，以上试剂均为分析纯。样品制备使用喷枪，锡壶，粉碎机，搅拌机，真空干燥器，手套箱，烘箱等。摩擦纳米发电机性能测试使用NI PCIe-6259 DAQ信号采集卡，SR570电流放大器，WMUC512075-06-X直线电机测试系统。

1.2 PI溶液的制备

向带有磁力搅拌的250 mL两口瓶中加入160 mL DMF，在有氮气保护且处于磁力搅拌的状态下，向反应瓶中加入13.3826 g(0.0675 mol)MDA粉末，溶液由无色变为淡黄色，待二胺完全溶解后向反应体系加入13.2399 g(0.0450 mol)a-BPDA粉末(分三批加入)，溶液由淡黄色变为浅黄色，溶液粘度不断的增大，待a-BPDA粉末全部溶解完全后，再继续向体系加入11.1708 g(0.0450 mol)4-PEPA粉末(分三批加入)，室温搅拌反应15 h，得到计算固含量为20%的浅黄色PAA溶液。将反应制得的聚酰胺酸溶液于低温干燥的环境下保存。

1.3 耐磨PI的制备

将一定量的SiC粉末放入上述步骤中制得的PI溶液中，然后使用搅拌机搅拌溶解，溶解完成后放入烘箱中烘干一定时间等待固化。将耐磨PI放入真空干燥箱中备用。

1.4 摩擦纳米发电机的组装与电学性能和磨损性能测试

我们设计的摩擦纳米发电机主要是对摩材料为耐磨PI和模具钢与外电路组成，二者构成了摩擦纳米发电机的总体。将模具钢固定住，并将背面贴上电极的耐磨PI固定在直线电机上，在水平方向往复运动，使得耐磨PI和模具钢实现周期性的接触分离。概念上的摩擦纳米发电机就制作完成了。使用LabVIEW对采集的电流和电压的数据进行电学性能测试。使用UMT对耐磨PI进行了磨损的表征。

2 结果分析

2.1 耐磨材料的选择

往配置好的PI溶液中加入不同的耐磨材料，然后将制得的含有不同材料的耐磨PI与模具钢对摩，测试其电学输出性能，结果如图1所示。其中P1为纯PI、P2为掺杂ZnS软颗粒、P3为掺杂纳米级SiC颗粒(掺4%体积)、P4为掺杂纤维、P5为掺杂微米级SiC颗粒(掺4%体积)。可以看出掺杂后电学输出性能有了一定的下降，尤其是掺杂了ZnS软颗粒的耐磨PI。这主要是因为掺杂杂质后，纯PI的静电感应性能有所下降，使得电子转移能力下降，这样导致了输出电流的下降。因此需要选择一种掺杂材料不会使电学性能下降太多，因此我们选择了P3即纳米级SiC颗粒。总之该颗粒一定程度降低了摩擦纳米发电机的电学输出，但是也会相应的大大提高对摩材料的使用寿命。

图1 掺杂不同耐磨材料的PI在室温下的电流输出测试

2.2 掺杂不同浓度的SiC选择

确定了纳米级SiC颗粒作为掺杂材料，需要选择一个合适的浓度作为最终确定的摩擦层耐磨PI，如图2所示。可以看出使用当选用掺杂1%的SiC时，对比于纯PI它地输出电流没有明显的下降，同时随着掺杂浓度的增加，其输出电流有着明显的下降趋势，需要对耐磨PI的摩擦系数进行测试，从而确定选定材料的最佳浓度，在保证电学性能未有明显下降的情况下，大大提高PI的耐磨性能。

图2 掺杂不同浓度SiC的输出电流图

2.3 耐磨PI的摩擦系数测试

图3 (a) 掺杂1%浓度的PI的摩擦系数 (b)纯PI的摩擦系数图

用UMT测试了纯PI和掺杂1%浓度的耐磨PI的摩擦系数。使用不锈钢球作为摩擦对象，发现纯PI的摩擦系数远大于掺杂之后的耐磨PI，平均摩擦系数分别为0.38和0.12，如图3所示。表明了在掺杂1%体积的SiC之后，PI的摩擦磨损性能有了较大提高。

3 总结

通过粉碎搅拌法制备的掺纳米级SiC耐磨PI具有良好的电学性能和耐磨性能。相比较纯的PI，使用该耐磨PI的电流输出略有下降，但摩擦磨损性能有较大的提高，说明该耐磨PI作为摩擦纳米发电机的摩擦层具有良好的性能，可以起到增大延长使用寿命的作用，在摩擦纳米发电机上有较好的应用前景。