摩擦起电是一种常见的物理现象，两个物体摩擦或接触-分离就会产生摩擦起电。由摩擦起电引起的静电效应，在机械、轻工等领域有着广泛的应用，但同时也给石油输运、工业生产等带来安全隐患，对人们的生活及安全造成不利影响。近年来，摩擦电作为一种绿色能源，其收集和利用受到广泛关注。本书以摩擦表界面的起电原理为出发点，全面、系统地介绍摩擦表界面的起电过程、影响因素，摩擦电的收集、利用及测试方法等基础理论与知识；重点阐述与摩擦学及表界面科学相关的界面接触、黏附、剥离、材料磨损、材料转移、润滑、表面润湿性等条件对摩擦起电的影响，对其技术应用进行详细论述。 本书可作为摩擦磨损、摩擦起电方向研究与开发科技工作者的参考书，也可作为高等院校表界面科学、材料学等相关专业师生的参考书。

第1章 绪论
　　摩擦起电是自然界和日常生产生活中普遍存在的现象。因为物体之间的摩擦或者相对运动总是不可避免的，所以摩擦起电也总是伴随摩擦随时随地发生着。在我国的中小学教材中，通常以丝绸摩擦玻璃棒和毛皮摩擦橡胶棒为例来介绍摩擦起电的基本概念。虽然人们发现摩擦起电已有几千年的历史，但是直到现在，也未能完全知悉摩擦起电的本质。近几十年，随着微纳科学、摩擦学、表界面科学的研究逐渐深入，人们对摩擦起电有了新的认知，逐渐发现了摩擦起电未曾被了解的一面，这为表界面科学、摩擦学、能源等领域的发展注入了新的动力。
　　1.1 摩擦起电现象与定义
　　1.1.1 摩擦起电现象
　　生活中，摩擦静电吸引现象是*容易被人们感知到的一种摩擦起电行为。例如，用塑料梳子打理头发时，摩擦可使干燥的头发与梳子之间产生静电，导致发丝之间携带同种电荷，产生静电斥力而分散开来，梳子也会因静电吸引力黏附纸屑等轻微物体。又如，将吹起来的气球在化纤衣服上摩擦数次，可轻松地黏附在墙壁上，这也是气球和衣物之间摩擦产生的静电吸引力造成的。在干燥的冬季，衣物摩擦产生的静电会导致头发 “散乱”；静电的释放会使人们在触摸门把手时遭受“电击”；在夜晚脱掉毛衣时会看到因静电释放产生 “火花”，让人感到不适，严重时甚至还会引发心血管疾病，影响生活质量。
　　自然界中的闪电也是一种摩擦起电现象。在气流的作用下，空气与水滴或者冰晶产生剧烈摩擦，电荷发生转移使水滴表面带电，随着局部气压的波动和涡流的产生，水滴在压力作用下会互相团聚并重新组合成更大的水滴，从而使得大水滴表面电势升高；当电荷累积到一定程度并超过大气的击穿电压时，便会发生放电现象而产生闪电。另外，火山喷发时的火山灰也存在摩擦起电现象。这些自然界的放电现象可能与*早的生命起源存在密切联系。“震光” 或 “地光” 也可能与摩擦起电现象有关。当地震发生（尤其是破坏性地震）时，由板块运动造成岩石断裂并产生剧烈的摩擦起电，出现震光现象。总之，摩擦起电现象在自然界中广泛存在，其本质和机理至今仍被人们研究。
　　1.1.2 摩擦起电定义
　　随着认识的深入，人们对摩擦起电的定义提出了多种不同的表述。相比于早期人们对摩擦起电的认知，近年来摩擦起电的概念涵盖范围更广，很多基础概念需要进一步梳理明确。为了更好地了解并研究摩擦起电，需要对摩擦起电的定义进行归纳和总结。
　　表述 1：摩擦起电一般指电子由一个物体转移到另一个物体上，使两个物体分别带等量电荷，两个原本不带电的物体表面产生了电荷，其中一个物体带正电荷，另一个物体带负电荷。
　　表述 2：摩擦起电是因摩擦过程中材料之间得失电子能力存在着差异，电荷发生转移并造成材料界面带上等量异号电荷的现象。
　　表述 3：当两种材料相互接触的时候，在接触部位产生化学键，由于两种材料的电化学势不同，电荷在两者之间转移以平衡两物体之间电化学势。当外力作用使两种材料分开时，其中一个接触面会留住多余的电子，另一个接触面会抛弃多余的电子，从而在接触表面形成了摩擦电荷。
　　摩擦起电与物体的摩擦息息相关，如果参考摩擦学的定义 “摩擦学是研究相对运动的相对作用表面之间的摩擦、磨损和润滑的理论及应用的科学和技术”，那么也可以做出下面的表述。
　　表述 4：摩擦起电是研究相对运动的相对作用表面之间的电荷转移或者传输的理论及应用的科学和技术。
　　上面的几种表述大都是基于摩擦起电的宏观表现形式和结果而言的。如果从能量角度表述，摩擦导致了机械能的不可逆耗散，而摩擦起电则是能量耗散的一种重要方式（机械能转变为电能），其中机械能的耗散可能包含电子空穴和电荷密度波的产生，在原子尺度运动的能量以声子和电子机制而耗散，在滑动过程局部产生的非平衡的声子，以声子与声子或者声子与电子间的耦合形式耗散 [1-6]。从摩擦起电的机理来看，能带理论更能贴合摩擦起电的本质。因此，从能量的角度，也可以对摩擦起电进行定义如下。
　　表述 5：摩擦起电是相互作用的物体在发生相对运动时由机械能耗散为电能的一种方式。
　　上面介绍了几种有关摩擦起电定义的表述，对于摩擦起电的定义而言，还有几点需要注意的事项。
　　1. 摩擦起电的机械运动形式
　　在*初提及摩擦起电时，由于琥珀等物体需要反复地摩擦才能使材料带电，一般大家认为摩擦起电的运动形式仅包括摩擦，实际上并非如此。摩擦起电包括多种机械运动形式，如图 1.1 所示，两物体之间的接触–分离运动、单向滑动摩擦、往复滑动摩擦、滚动摩擦、滚动与滑动同时摩擦、剥离等形式都可能引起摩擦起电。其中，*常见的一种形式是表面间的接触–分离运动产生的摩擦起电，即 “接触起电”；其他运动形式从本质上来说，也属于接触界面分离的范畴。例如，滑动摩擦实际上是旧的接触界面分离、新的接触界面不断形成的过程，可以看作是无数 “接触–分离” 的集合。从科学的角度讲，“接触起电” 相比 “摩擦起电”更能反映出界面摩擦起电的本质，但是从历史因素、摩擦学及其工程应用的通用性考虑，本书仍沿用 “摩擦起电” 这一称谓。除此之外，界面的剥离、物体的滚动等行为也会发生电荷转移，属于摩擦起电的重要研究范围。
　　图 1.1 摩擦起电的机械运动形式
　　2. 摩擦起电的材料
　　常规认知中，摩擦起电似乎只发生在不同材料的界面之间。然而，并不是只有不同的材料在接触或者摩擦之后才会起电，相同材料之间因非对称也会引起摩擦起电现象。引起材料性质非对称的因素很多，同种材料虽然从宏观上看是相同的，但是在微观上两个表面的性质可能会存在细微的差别，这种差别往往也会引起同种材料之间发生摩擦起电。图 1.2 列举了几种引起相同材料摩擦起电的非对称性因素，如表面*率差别、粗糙度差异、表面吸附与污染、表面初始电荷差异、表面温度差异、运动状态差异等，都会导致相同材料之间发生摩擦起电的行为。同种材料接触界面性质的不同引起的摩擦起电往往被称为 “非对称摩擦起电” 或者“非对称接触起电”。
　　3. 摩擦起电的载流子
　　摩擦起电的载流子转移方式通常被分为电子转移、离子转移、材料转移等，是根据转移载流子的物质形式来判断的。虽然这些载流子转移方式在客观形式上都是存在的，但是从某种程度上来说，材料转移更类似于表面 “物质” 发生了改变，其本质仍然是电子转移占据主要地位。另外，材料表面还可能存在残余电荷，也会影响实际的摩擦起电状况。
　　图 1.2 引起相同材料摩擦起电的非对称性因素
　　4. 摩擦起电的电荷
　　两个表面在摩擦之后，一般认为一个表面带正电，另外一个表面带负电。值得注意的一点是，摩擦后的任意一个表面并不是只带正电或者只带负电，而是整体表面的 “净电荷” 为正电或者负电，即表面带电表现为正负电荷相加和的结果。实际上，已经有研究表明，表面的电荷往往是类似于 “马赛克” 形貌分布的，正电荷和负电荷一般会同时存在于同一个表面上，总体表现为其中一种过量电荷的极性 [7]。
　　5. “静电” 的含义
　　在摩擦发生之后，电荷往往会在绝缘体表面停留较长的一段时间，这个现象被称为 “摩擦静电”。相比于其他方式，由摩擦产生的静电是比较常见的。静电并不是代表电荷不运动，而是相对于金属中电子可以自由流动而言的。绝缘体上存在的静电荷也会逐渐地 “消失”，即静电荷的耗散过程，*终完全变为零电势。摩擦表面的静电荷耗散速率与材料的本性和环境因素密切相关。
　　6. 感应起电
　　感应起电是指物体在静电场的作用下电荷再分布的现象。摩擦起电与感应起电往往同时发生。金属与绝缘体都会发生感应起电，只不过金属的电子能够较自由地移动，而绝缘体的电荷则不会自由流动，呈现出一种被 “束缚” 的状态，其感应电荷往往是使分子中的电子云偏离平衡位置产生了极性，此即 “偶极”效应。
　　1.2 摩擦起电的研究历史与进展
　　摩擦起电的研究历史悠久。从历史上看，摩擦起电是人们*早系统观察和研究的电学现象，早在古希腊时期就已经有关于摩擦起电的观察记录。古希腊哲学家泰勒斯发现琥珀和毛皮摩擦后可以吸引细小的物体，说明那时人们已经发现了摩擦起电现象。我国东汉时期的思想家王充所著《论衡？乱龙》中也记载了 “顿牟掇芥，磁石引针” 的现象，这里的 “顿牟” 就是玳瑁或者琥珀之类的材料，所述现象即为静电吸引。
　　16 世纪，人们对静电现象有了进一步观察。英国吉尔伯特出版的《论磁石》一书中发表了他观察到的静电现象，发现除了琥珀之外，还有硫黄等十余种物质都存在静电吸引的现象，并将这种起作用的物质命名为 “electric”。英文 “electricity”一词出现在 1646 年左右，*初含义即为 “吸引轻物体的力”。受到吉尔伯特书籍出版的影响，人们对静电的研究更加深入，并开启了电磁学研究的序幕。
　　尽管摩擦起电的研究起源很早，但是直到近代，特别是近几十年才有了比较系统和科学的认识。摩擦起电的研究历史，整体表现出从感性到理性、从简单到复杂、从现象到机理、从研究到应用的特点。下面将对摩擦起电相关的研究历程进行介绍。
　　1.2.1 摩擦起电相关的早期实验装置
　　随着对摩擦产生静电研究的进一步深入，人们逐渐发现关于静电的更多现象，如静电不仅能够使物体相互吸引，也能使物体发生排斥，并逐渐发展出一系列与静电相关的装置和仪器。
　　1. 起电机
　　为了更好地理解摩擦起电的性质，人们发明了各式各样的摩擦起电机用来进行*初的电学实验，大大促进了静电学基本理论的发展。*早发明的摩擦起电机是马德堡硫黄球起电机。在 1661 年左右，担任德国马德堡市市长的奥托？冯？格里克发明了**个摩擦静电起电机，将硫黄制成一个圆球，球中间为一木柄做成的轴，当硫黄球转动时，用手摩擦硫黄球，就会产生剧烈的摩擦起电现象。1775年，意大利科学家伏特 (Volta) 发明了一种静电起电盘，其由一块绝缘板和带有绝缘柄的导电平板组成。通过摩擦或接触使绝缘板带上一种电荷，将导电板放到绝缘板上面，然后将导电板接地或用手触碰，再拿起时导电板上就会获得另外一种电荷。1867 年，英国科学家开尔文 (Kelvin) 发明了一种滴水起电机（开尔文滴水起电机），通过让水分别通过两个中空的金属环流入两个金属桶，将金属环与金属桶交叉连接，就可以使水在流下时形成正反馈，得到高压电源 [图 1.3(a)]。1882年，英国科学家威姆斯赫斯特 (Wimshurst) 发明了一种改进的圆盘式静电感应起电机，两个贴有铝箔的绝缘板做反向高速转动并与铜丝进行摩擦，通过针电极和莱顿瓶将电荷收集起来，又称为维氏起电机 [图 1.3(b)]。1930 年左右，范德格拉夫 (van de Graaff) 发明了一类起电机，可通过传送带将产生的静电荷传送到中空的球形集电器中。范德格拉夫起电机易于获得非常高的电压，现代的范德格拉夫起电机电势可达 500 万 V，在高能物理领域可用来为粒子加速器提供高能量。
　　图1.3 几种摩擦起电早期研究的实验装置
　　(a) 开尔文滴水起电机；(b) 维氏起电机；(c) 莱顿瓶
　　2. 储电器
　　1739 年，荷兰莱顿大学米森布鲁克 (Musschenbroek) 教授在用起电机向玻璃瓶中的水中注入电荷时，无意间碰到了瓶口，遭受到剧烈的电击。通过研究其结构，制造出一种将电荷储存起来的装置，并以其所在大学名称命名为 “莱顿瓶”[图 1.3(c)]。利用莱顿瓶的放电可以观测到电火花的存在，使人们意识到静电和雷电应该是一种现象。
　　3. 验电装置
　　1752 年，美国科学家富兰克林通过屋顶带尖的铁棒将雷雨天气云层中的电荷通过金属线传导到屋中人的身上，发现人身上有火花出现，证明了雷电也是一种静电现象，并基于此原理设计出了避雷针。为了表征静电电荷，法国的让？安

目录
序
前言
第1章 绪论 1
1.1 摩擦起电现象与定义 1
1.1.1 摩擦起电现象 1
1.1.2 摩擦起电定义 2
1.2 摩擦起电的研究历史与进展 5
1.2.1 摩擦起电相关的早期实验装置 5
1.2.2 摩擦起电的早期研究 6
1.2.3 摩擦起电的进展 7
1.3 摩擦起电与静电的危害 9
1.3.1 基于静电力吸引或静电力排斥的危害 9
1.3.2 基于静电积累和释放的危害 10
1.3.3 摩擦起电对摩擦的影响 11
1.4 摩擦起电的应用 12
参考文献 12
第2章 摩擦起电的原理 15
2.1 电子转移理论 16
2.1.1 金属与电介质材料之间的摩擦起电 17
2.1.2 两种电介质材料之间的摩擦起电 18
2.1.3 金属与半导体之间的摩擦起电 20
2.1.4 金属与金属材料之间的摩擦起电 22
2.1.5 固–液界面接触的电子转移理论 24
2.1.6 电子云重叠理论 25
2.1.7 摩擦电序列 26
2.2 离子转移理论 28
2.2.1 固–液界面的离子转移理论 28
2.2.2 固–固界面的离子转移理论 31
2.3 材料转移理论 32
2.4 其他理论 35
2.4.1 压电效应 36
2.4.2 热电效应 36
2.4.3 摩擦发光效应 37
参考文献 38
第3章 摩擦起电与表界面行为 41
3.1 表界面行为概述 41
3.2 界面接触与摩擦起电 43
3.2.1 界面接触的几个模型 43
3.2.2 界面接触对摩擦起电的影响 45
3.3 界面黏附与剥离起电 46
3.3.1 黏附行为 46
3.3.2 剥离起电的影响因素 48
3.4 界面的摩擦、磨损及其对摩擦起电的影响 54
3.4.1 摩擦起电与摩擦学 55
3.4.2 摩擦运动条件对摩擦起电的影响 56
3.4.3 磨损对摩擦起电的影响 59
3.4.4 材料转移对摩擦起电的影响 61
3.5 润滑介质参与的摩擦起电 62
3.5.1 表面润湿性 62
3.5.2 几种润滑状态 63
3.5.3 润滑介质对摩擦起电的影响 65
参考文献 67
第4章 摩擦起电的影响因素与调控 71
4.1 材料对摩擦起电的影响 71
4.1.1 材料组成对摩擦起电的影响 71
4.1.2 表面修饰对摩擦起电的影响 74
4.1.3 表面结构对摩擦起电的影响 76
4.2 环境因素对摩擦起电的影响 77
4.2.1 温度对摩擦起电的影响 78
4.2.2 湿度对摩擦起电的影响 79
4.2.3 气氛对摩擦起电的影响 80
4.3 特殊空间环境下的摩擦起电影响因素 82
4.3.1 真空度对摩擦起电的影响 82
4.3.2 原子氧辐照对摩擦起电的影响 84
4.3.3 紫外辐照对摩擦起电的影响 86
4.4 摩擦起电器件设计对摩擦起电输出的影响 89
4.4.1 摩擦起电器件模型 89
4.4.2 电荷储存层对摩擦起电的影响 90
4.4.3 导电电极对摩擦起电的影响 91
4.4.4 *率对摩擦起电的影响 92
4.5 摩擦起电的调控 94
4.5.1 摩擦起电调控方法 94
4.5.2 摩擦起电调控实例 98
参考文献 101
第5章 摩擦起电的应用及其实例 103
5.1 摩擦起电在能源收集中的应用 103
5.1.1 基于固–固界面摩擦起电的应用 104
5.1.2 基于固–液界面摩擦起电的应用 107
5.1.3 两相流摩擦起电 108
5.1.4 基于人体运动的能量收集及应用 110
5.1.5 其他应用 116
5.2 摩擦起电在自驱动传感检测中的应用 119
5.2.1 摩擦电信号用于自供电传感检测 119
5.2.2 摩擦电信号用于危险预警 124
5.3 摩擦起电在摩擦学中的应用 127
5.3.1 常见的润滑失效及监测方法 127
5.3.2 基于摩擦电的摩擦状态监测及预警 128
5.3.3 摩擦电在摩擦调控领域中的应用 136
参考文献 138
第6章 摩擦起电涂层的设计及应用 142
6.1 有机摩擦起电涂层 143
6.1.1 树脂改性涂层 143
6.1.2 添加功能填料涂层 145
6.1.3 表面结构涂层 147
6.2 有机–无机复合摩擦起电涂层 149
6.2.1 微弧氧化–氟化复合涂层 149
6.2.2 微弧氧化–（溶胶–凝胶）复合涂层 150
6.2.3 阳极氧化–氟化复合涂层 152
6.3 摩擦起电功能一体化涂层 153
6.4 摩擦起电涂层的应用 156
6.4.1 海洋能收集 156
6.4.2 自供电防腐 159
6.4.3 自供电防污 162
参考文献 163
第7章 静电防护技术与方法 165
7.1 静电概述 165
7.2 常用的防静电方法 167
7.3 新型防静电技术 170
7.3.1 基于摩擦起电界面原位中和技术 170
7.3.2 结构防静电技术 172
7.3.3 表面组成调控技术 174
7.3.4 多功能助剂技术 176
7.3.5 摩擦电原位利用技术 177
7.4 防静电技术发展趋势 178
参考文献 179
第8章 摩擦起电测试技术 181
8.1 与摩擦起电相关的参数 181
8.2 摩擦起电测试方法与测试仪器 183
8.3 摩擦起电测试技术的趋势 194
参考文献 195
第9章 展望 196