二次电子发射特性与固体材料摩擦起电的关系*

常天海 马威 常建

(华南理工大学电子与信息学院，广东广州510640)

固体材料在摩擦过程中的静电起电机理很复杂，至今还有许多现象未被透彻揭示，某些固体制品的抗静电性能检验标准与实际情况甚至产生了令人费解的矛盾.例如，仅依据表面电阻、电荷面密度等参数而生产的防静电塑料集装袋，当其基布材料中的导电纤维过多或过少时，皆通不过防静电点火验收试验.因此，建立一个比较统一的且能够透彻揭示固体材料摩擦起电机理的相关理论体系，既是目前电气科学与工程领域的一个重要研究方向［1-2］，也是当前静电理论与技术、绝缘与功能电介质材料、电力系统、电磁兼容等领域研究人员追求的主要目标之一［3-5］.

文中主要考虑固体材料的二次电子发射特性，同时参考国内外有关标准和资料公布的静电序列，挑选聚四氟乙烯、高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)和A3碳钢等实验材料，利用已获发明专利授权的“一种静电动态电位的多因素联合效应模拟实验装置”［6-7］进行固体材料的摩擦起电实验，深入分析实验结果，揭示固体材料在摩擦过程中静电起电的微观机制.

1 摩擦起电实验材料的选择

有关标准和资料已公布的静电序列显示:两种拟摩擦的固体材料，各自带上何种电量、带多少电量与其在摩擦带电序列中的位置有关;一般来说，排在较前位置的物体带正电，排在较后位置的物体带负电，且两物体在静电序列中距离越远，摩擦后越容易带电，带的电量越多［8-9］.文中在挑选实验材料时，既参考静电序列，又重点考虑固体材料本身的二次电子发射特性，该特性主要由材料的二次电子发射系数最大值δm和δm对应的原入射粒子能量Em决定，与绝缘材料相比，金属材料的δm较小，大多位于1.0～1.4的范围内.

基于上述情况，文中选择的摩擦起电实验材料如下:δm较大且位于静电序列靠后位置的绝缘材料聚四氟乙烯、HDPE、PP和PVC，及δm较小且位于静电序列正中位置的金属材料A3碳钢.这5种实验材料的最大外观尺寸及厚度皆相同，但形状不同.A3碳钢为条形和三叶形，如图1(a)和1(b)所示;聚四氟乙烯、HDPE、PP和PVC皆为圆盘形，如图1(c)所示.

图1 摩擦起电实验材料的形状Fig.1 Shapes of the materials used in triboelectrification experiments

2 摩擦起电实验方案的设计

利用笔者所在研究组设计并获发明专利授权的“一种静电动态电位的多因素联合效应模拟实验装置”进行固体材料摩擦起电实验，在该实验装置中的静止摩擦盘上先后装条形和三叶形A3碳钢，旋转摩擦盘上先后装圆盘形聚四氟乙烯、HDPE、PP和PVC，静电动态电位测量探头的探测对象为圆盘形材料，具体的实验方案见表1.

3 摩擦起电的实验结果与分析

方案1和2的实验结果分别见表2和3.基于固体材料摩擦带电的静电序列，位于该序列靠后位置聚四氟乙烯、HDPE、PP和PVC，与位于该序列正中部的A3碳钢摩擦后，皆应带负电，但表2中的聚四氟乙烯、HDPE和PP表面静电电位的最大值皆为正值，表3中HDPE和PVC表面静电电位的最大值中也有正值，即实验结果与该静电序列不相符.

表1 固体材料摩擦起电过程的关联性实验方案Table 1 Relevance experiment schemes of triboelectrification course of solid materials

表2 方案1的实验结果Table 2 Experimental results of Scheme 1

但是，若另行考虑固体材料的二次电子发射特性，则可说明表2和3中的结果.因为绝缘体与金属材料的二次电子发射性质基本相同，即当受到一次粒子入射时，其表面将积累电荷［10］.绝大多数固体材料皆具有形如图2所示的二次电子发射特性曲线［11-12］，即其二次电子发射系数δ取决于一次入射粒子的能量E;若δ＞1，则其表面积累正电荷，若δ＜1，则其表面积累负电荷;且随着E的增大，δ先上升，在E=Em时，达到最大值δm;继续增加E，δ开始下降;当E远大于Em时，δ重新降为较小的数值.

表2中的摩擦速度和表3中的摩擦盘压力的增大会使摩擦表面产生更多的热量，这些热量可以等值于图2中的入射能量E.

表3 实验方案2的实验结果Table 3 Experimental results of Scheme 2

图2 固体材料的二次电子发射特性曲线［11-12］Fig.2 Characteristic curve of secondary electron emission of solid materials

显然，由表2、表3和图2可知:(1)在与A3碳钢的摩擦过程中，随着旋转摩擦盘转速的提高或静止摩擦盘压力的增大，摩擦产生的热量(即一次入射粒子的能量E)在不断变化，且变化的幅度较大;在材料摩擦前期，能量E小于Em，但随着摩擦速度或摩擦盘压力的增大，E大于Em，E正好等于Em的概率较小.伴随着E的不断变化，聚四氟乙烯、HDPE、PP和PVC的二次电子发射系数δ也在不断变化;当δ＞1时，材料表面的静电电位显示为正值，当δ＜1时，材料表面的静电电位显示为负值.(2)几种材料的二次电子发射系数δ变化主要集中在图2中E1和E2对应的δ=1的曲线交点附近，且在E2对应点附近的概率更高，这是因为几种绝缘材料表面静电电位的平均值皆为负值，且随着摩擦速度或摩擦力(即原入射粒子能量E)的增加，该平均值的绝对值皆趋向于增大.(3)与表2相比，表3中的HDPE和PVC表面静电电位的变化更剧烈，其最大值既有正值，也有负值，这主要归因于固定盘的压力和形状.与条形相比，三叶形固定盘与圆转盘的摩擦频率更高;此外，与圆盘转速相比，固定盘压力的递增更易加剧摩擦.也就是说，固定盘的这两个改变增大了摩擦材料静电起电过程中原入射粒子能量E的改变频率，使固体材料的二次电子发射系数在摩擦过程中的变化频率更高.

4 结语

文中参考有关标准和资料已公布的静电序列，重点考虑了固体材料本身的二次电子发射特性，分析了位于静电序列靠后位置的聚四氟乙烯、HDPE、PP和PVC等材料与A3碳钢摩擦后，其表面有时带正电的现象.根据静电序列排序原理，位于序列靠后的材料应该更容易产生负电，但这与实验结果并不一致，所以，固体材料静电的产生不仅与静电序列的位置有关，更与实验中所考虑的二次电子发射特性相关.由此可知，对固体材料二次电子发射特性的研究有助于揭示材料的静电起电机理.

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