清華新聞網(wǎng)10月24日電 靜電吸附作為一種現(xiàn)代可控吸附技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域，如集成電路制造中的靜電卡盤ESC、機(jī)器人攀爬以及柔性?shī)A具等。然而，傳統(tǒng)的靜電吸附系統(tǒng)面臨著一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)：它們需要高達(dá)數(shù)千伏的電壓來產(chǎn)生足夠的吸附力，而這種高壓通常只能由笨重的商業(yè)電源提供。這不僅增加了成本和系統(tǒng)復(fù)雜性，還限制了系統(tǒng)的便攜性和靈活性及相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。
清華大學(xué)機(jī)械系智能與生物機(jī)械實(shí)驗(yàn)室使用旋轉(zhuǎn)獨(dú)立式摩擦納米發(fā)電機(jī)（RF-TENG）通過整流單元驅(qū)動(dòng)多層柔性薄膜靜電阻尼器（EAD）提供持續(xù)、穩(wěn)定的動(dòng)力。這項(xiàng)基于摩擦電高壓的柔性薄膜靜電吸附技術(shù)，不僅在能源供應(yīng)上實(shí)現(xiàn)了自供電，還展現(xiàn)了輕便性、安全性、便攜性和易操作性等特點(diǎn)，為未來靜電吸附技術(shù)的發(fā)展和摩擦納米發(fā)電機(jī)的高壓應(yīng)用提供了新思路。
圖1.多層柔性薄膜自供電靜電吸附系統(tǒng)
該研究的設(shè)計(jì)靈感來源于肌肉的收縮與舒張機(jī)制，通過模擬這一自然過程，給予靜電吸附膜導(dǎo)電電極施加摩擦高電壓使其整體結(jié)構(gòu)硬化，實(shí)現(xiàn)了類似于人工肌肉的可變剛度效果。
圖2.EAD內(nèi)部靜電吸附機(jī)理
所設(shè)計(jì)的自供電靜電吸附系統(tǒng)由RF-TENG、整流單元和EAD組成，其中RF-TENG由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，定子由一個(gè)矩形丙烯酸板組成，上面有兩層銅箔電極并覆蓋著尼龍薄膜，轉(zhuǎn)子由一個(gè)圓形丙烯酸板和六片扇形聚氯乙烯（PVC）薄膜組成；EAD由兩個(gè)對(duì)稱部分組成，均包含相同的材料和結(jié)構(gòu)，通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)在聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）基底上制備梳狀銅箔導(dǎo)電層，在導(dǎo)電層上覆蓋一層聚酰亞胺（PI）介質(zhì)層，形成器件的一部分，最后將兩個(gè)相同部分組合成EAD。
圖3.不同轉(zhuǎn)速和整流單元下的切向靜電力變化
圖4.基于RF-TENG的EAD動(dòng)態(tài)吸附特性及等效阻尼系數(shù)λ變化
技術(shù)的核心在于通過調(diào)整與靜電吸附力線性相關(guān)的驅(qū)動(dòng)電壓可直接改變EAD的靜、動(dòng)態(tài)電吸附特性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其等效阻尼系數(shù)的精確調(diào)控。經(jīng)過一維質(zhì)量-彈簧-EAD振動(dòng)系統(tǒng)不同參數(shù)下的階躍、正弦響應(yīng)結(jié)果分析后得到的EAD等效阻尼系數(shù)可在0.1 N s m-1和5 N s m-1之間進(jìn)行精準(zhǔn)穩(wěn)定調(diào)控。
相關(guān)研究成果以“基于摩擦電高壓的薄膜靜電阻尼器”（Thin Film Electrostatic Adsorption Damper Based on Triboelectric High-Voltage）為題，于10月2日發(fā)表于《高級(jí)功能材料》（Advanced Functional Materials）。
清華大學(xué)機(jī)械系程嘉副研究員與博士后楊澤為論文共同通訊作者，機(jī)械系2022級(jí)碩士生賴哲民為論文第一作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等的資助，以及清華大學(xué)高端裝備界面科學(xué)與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202412984
供稿：機(jī)械系
編輯：李華山
審核：郭玲
