【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及液体物理性质测量，具体涉及一种量化液体摩擦静电序列的实验方法及装置。
技术介绍
1、摩擦起电是一种十分普遍的现象：当两个物体相互接触时，由于得失电子能力的不同，电荷从一个物体转移到另一个物体，使两物体表面携带等量异号的静电荷；若经外电路相连，当电荷将在外电路定向移动，产生电能和电信号。在石油开采、交通运输、生物制药等领域，潜在的摩擦静电问题会导致产品质量下降、设备损坏，甚至引起火灾；另一方面，近年来基于摩擦起电效应的摩擦纳米发电机技术被广泛应用于能量收集与转换、自驱动传感、柔性电子等领域，为分布式传感器网络以及智能人机交互等提供了全新方案。为了应对摩擦起电的“两面性”，实现按需调控摩擦起电效应的目标——如抑制生产生活中的摩擦起电从而减少由静电引发的事故，或在摩擦纳米发电机中增强摩擦起电效应以提升其输出功率和能量转化效率，全面掌握和理解各种材料的摩擦起电特性变得极为关键。
2、一种通用的描述材料摩擦起电特性的方法是使用摩擦静电序列(triboelectricseries)，这一序列是按照材料摩擦起电获得或失去电子的趋势进行排列。自18世纪以来，人们已经对各种固体材料的摩擦起电特性进行了研究，构建了一个相对准确、全面的固体摩擦静电序列。与固体-固体摩擦起电相比，基于液体介质的摩擦纳米发电机具有低磨损、长寿命、高灵活度等优势，是当前研究的热点。然而，针对液体材料摩擦起电性能的研究仍十分匮乏。仅有文献“a liquid triboelectric series[j].advanced materials,202
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种简单有效的量化液体摩擦静电序列的实验方法及装置，以“待测液体在介电材料管内运动、与管壁摩擦起电”为基本工作模型，综合考虑并控制影响液-固摩擦起电的多重因素，旨在构建出准确、全面的液体摩擦静电序列。
2、本专利技术是通过以下技术方案实现的：
3、根据本专利技术的一种量化液体摩擦静电序列的实验方法，包括以下步骤：
4、s1，在介电材料管外壁面设置电极，形成一个单电极模式的液-固摩擦纳米发电机，作为摩擦起电的测量单元。
5、优选地，所述介电材料管应具有良好的耐抗酸碱性能，以防化学反应产生额外电荷；其次，所述管材内壁应具有良好的光滑度，避免高黏度液体在管壁上的黏附影响液-固摩擦起电的充分性和稳定性；最后，所述管材应具有良好的摩擦起电性能，与大多数液体摩擦后易产生摩擦电荷，且其在数值上具有一定的显著差异，便于液体静电序列的排序。介电管可选用的材料包括聚全氟乙丙烯(fep)、聚四氟乙烯(ptfe)。
6、优选地，所述介电材料管的截面形状可以为圆形、长方形、正方形等。
7、优选地，所述管外导电电极与管外壁紧密接触，沿管道轴线方向覆盖在管外壁区域。
8、优选地，所述管外电极材料可选用铜、铝、金、银等固态金属，也可采用汞、镓、镓铟锡合金等液态金属。
9、s2，驱动一段新鲜的、呈电中性的待测液体在管内运动(与内壁面接触)，直至其流出管道(分离)，在此过程中测量所设管外电极与大地之间的电荷转移量qi，单位μc，其中i＝1,2,3…表示该种液体摩擦起电的次序。
10、优选地，所述待测液体初始呈电中性的实现方法，可以令待测液体通过导线接地来实现电荷的释放，也可以在介电管前端设置一段相同内外径的金属管并接地实现。
11、优选地，整个测量过程在给定气体氛围保护下进行，并由该种气流驱动液体运动，其中待测液体与管壁的摩擦速度可以通过气体流量进行精确调节。
12、优选地，所述气体氛围/驱动气流可为惰性气体(如氦气、氩气等)，或较难与液体、介电材料发生摩擦起电、溶解、吸附、氧化、腐蚀等物理/化学反应的气体(如氮气等)。
13、s3，根据预设条件判断这种液体电荷是否达到饱和状态，若未满足条件，则重复上一步骤，直至满足饱和条件，记录此时的电荷转移量——即为该种待测液体的饱和电荷qsat，单位μc，并计算其饱和电荷密度(单位面积)σsat，单位μc·m-2：
14、
15、其中，a为两摩擦材料(液体与介电材料管)之间的有效接触面积，单位m2。
16、优选地，判断液体的摩擦电荷是否达到饱和的条件可以设为：当连续十个接触-分离(摩擦起电)周期内电荷转移量的波动幅度±5％以内，则认为液体的摩擦电荷达到饱和。
17、s4，按照以上步骤获取各种液体的摩擦电荷密度，按照数值从大到小(包含正负号)的顺序对液体材料进行排列，形成液体摩擦静电序列。
18、优选地，水是自然界最常见也是方便获取的高纯度液体，使用去离子水(标记为diwater，电阻率>18.2mω·cm)作为参考物质，对测量结果进行归一化处理——将标准工况下测得的某种液体的饱和电荷密度与该工况下去离子水的饱和电荷密度之比定义为相对电荷密度σr：
19、
20、σr为一无量纲数；去离子水的相对饱和电荷密度σr(di water)＝1。
21、优选地，实验测量可采用的一种标准工况为：氮气氛围，一个标准大气压，温度25℃，相对湿度20％rh(relative humidity)；这也是本专利实施例中所选定的实验条件。
22、本专利技术的一种量化液体摩擦静电序列的装置，用于实现上述量化液体摩擦静电序列的方法，包括：摩擦起电模块、流体驱动模块、电信号采集模块和环境控制模块。所述摩擦起电模块包括设有管外电极层的介电材料管，作为摩擦起电电荷的测量单元。所述流体驱动模块包括输液设备、输气设备、三通接头：三通接头设为两进一出，两个入口分别连接输液设备和输气设备，出口与介电管相连；输液设备用于输送待测液体进入介电管，输气设备用于生成气流切断连续液体、形成分段液柱，并推动液柱在管内移动。所述电信号采集模块包括静电计、数据采集卡和计算机：静电计正、负接线端分别与所述摩擦起电模块的管外电极、大地相连，用于测量电极与大地之间的电荷转移量，根据静电感应原理获取液体与管内壁摩擦起电的电荷；静电计经数据采集卡与计算机相连，可在计算机软件界面实时显示电荷信号的变化情况，通过计算机编程可自动判断电荷转移是否达到饱和状态。所述环境控制模块由集液器、法拉第笼和手套箱及其配套的本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种量化液体摩擦静电序列的实验方法，其特征在于包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于步骤S1中介电管的材料为聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯、亚克力、硅胶或尼龙。
3.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于步骤S1中在介电材料管外壁设置电极的方法，是将具有导电胶粘剂的铜箔或铝箔胶带紧密黏附在管外壁，作为电极层；或使用铜、铝、金、银等粉末为原料通过真空蒸镀法、磁控溅射方式，或通过热转印技术将金属薄膜转移到管壁上生成电极层。
4.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于步骤S1中电极设置方法使用汞、镓、镓铟锡合金液态金属作为电极，通过在介电管外装配一个半封闭空腔，注入液态金属浸没介电管外部分区域作为电极，电极长度由空腔长度决定。
5.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于步骤S2中待测液体初始呈电中性的实现方法，令待测液体通过导线接地来实现电荷的释放，或者在介电管前端设置一段相同内外径的金属管并接地实现。
6.根据权利要求1所述的实验方法，其
7.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于步骤S3中判断液体的摩擦电荷是否达到饱和的条件为：当连续十个摩擦起电周期内电荷转移量的波动幅度都在±5％以内，则认为液体的摩擦电荷达到饱和。
8.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于步骤S4中，为实现测量标准化、使实验结果具有可比较性，进一步对液体摩擦电荷密度进行归一化处理——使用去离子水作为参考物质，标记为DI water，电阻率>18.2MΩ·cm，将标准工况下测得的某种液体的饱和电荷密度与同工况下去离子水的饱和电荷密度之比定义为相对电荷密度σr：
9.一种量化液体摩擦静电序列的装置，其特征在于包含以下模块：摩擦起电模块(10)，包括设有外部电极层101的介电材料管102；流体驱动模块(20)，包括输液设备201、输气设备202和三通接头203；电信号采集模块(30)，包括静电计301、数据采集卡302和计算机303；环境控制模块(40)，包括手套箱401、集液器402和法拉第笼403。其中部件之间的连接关系为：设有外部电极层101的介电材料管102、输液设备201和输气设备203分别连接三通接头203的三个接口，输液和输气设备用于输出和推动液体在介电材料管内运动；静电计301的测量探头与介电材料管的外部电极层101相连，其数据线经数据采集卡302连接至计算机303进行数据显示和处理；集液器402置于介电材料管102出口端下部，收集摩擦起电后的液体；以上所有部件均置于法拉第笼403内，以屏蔽外界电磁场干扰；法拉第笼403处于手套箱401中，用于控制实验环境条件。
10.根据权利要求5所述的装置，其特征在于三通接头设为两进一出，两个入口分别连接输液设备和输气设备，出口与介电管相连；输液设备用于输送待测液体进入介电管，输气设备用于周期性生成气流切断连续液体、形成分段液柱，并推动液柱在管内移动。
...【技术特征摘要】
1.一种量化液体摩擦静电序列的实验方法，其特征在于包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于步骤s1中介电管的材料为聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯、亚克力、硅胶或尼龙。
3.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于步骤s1中在介电材料管外壁设置电极的方法，是将具有导电胶粘剂的铜箔或铝箔胶带紧密黏附在管外壁，作为电极层；或使用铜、铝、金、银等粉末为原料通过真空蒸镀法、磁控溅射方式，或通过热转印技术将金属薄膜转移到管壁上生成电极层。
4.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于步骤s1中电极设置方法使用汞、镓、镓铟锡合金液态金属作为电极，通过在介电管外装配一个半封闭空腔，注入液态金属浸没介电管外部分区域作为电极，电极长度由空腔长度决定。
5.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于步骤s2中待测液体初始呈电中性的实现方法，令待测液体通过导线接地来实现电荷的释放，或者在介电管前端设置一段相同内外径的金属管并接地实现。
6.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于步骤s2中待测液体的驱动方式，使用惰性气流驱动，其中待测液体与管壁的摩擦速度通过气体流量进行精确调节。
7.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于步骤s3中判断液体的摩擦电荷是否达到饱和的条件为：当连续十个摩擦起电周期内电荷转移量的波动幅度都在±5％以内，则认为液体的摩擦电荷达到饱和。
8.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于步骤...
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