在半導(dǎo)體、鋰電、航空航天等高端制造領(lǐng)域，材料表面的微納結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與腐蝕防護(hù)是技術(shù)創(chuàng)新的核心命題。本文研究通過鹽霧模板法實(shí)現(xiàn)聚二甲基硅氧烷（PDMS）表面微納結(jié)構(gòu)的可控構(gòu)建，通過激光共聚焦顯微鏡（CLSM）技術(shù)揭示摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）的性能提升機(jī)制，為自供電金屬防腐提供了突破性解決方案。

光子灣科技的CLSM 技術(shù)為表面改性效果提供了從粗糙度量化到三維形貌驗(yàn)證的全鏈條支持，證實(shí)了“微納結(jié)構(gòu) - 電荷密度 - 防腐效能” 的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。

#Photonixbay.01

金屬腐蝕的全球挑戰(zhàn)

金屬腐蝕年損失達(dá)全球GDP 的 3.34%（超 4 萬億美元），傳統(tǒng)陰極保護(hù)技術(shù)存在耗能或依賴電源的缺陷。摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）性能核心在于摩擦材料表面電荷密度，增大有效接觸面積是關(guān)鍵。

#Photonixbay.02

PDMS 的特性與改性需求

PDMS（聚二甲基硅氧烷）是TENG 理想摩擦材料，但其光滑表面限制電荷產(chǎn)生，傳統(tǒng)改性技術(shù)（如光刻）成本高、工藝復(fù)雜，亟需簡(jiǎn)便方案。

#Photonixbay.03

實(shí)驗(yàn)方法

1.材料制備

鹽噴模板制作：研磨食用鹽成粉，用氣動(dòng)自吸噴砂槍噴在鋁板上（參數(shù)：距離70-170mm, 角度75°-105°, 壓力5-7kPa），超聲清洗脫鹽，獲得具有微坑結(jié)構(gòu)的粗糙鋁模板。

PDMS薄膜制備：SYLGARD 184 PDMS (A:B=10:1) 混合脫泡。用自動(dòng)刮涂機(jī)（厚度500 μm）涂在模板上，65°C真空干燥2小時(shí)。剝離得到具有微納結(jié)構(gòu)的粗糙PDMS膜 (RP)。

對(duì)照樣：在光滑PET模板上制備光滑PDMS膜 (SP)。

2.TENG器件組裝

摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG） 制造示意圖

將SP和RP薄膜粘貼在銅箔上，組裝成垂直接觸分離式TENG(SP-TENG和RP-TENG)，驅(qū)動(dòng)頻率設(shè)置為10HZ。

3.PDMS 微納結(jié)構(gòu)復(fù)制

材料配比：PDMS 預(yù)聚體（A 組分）與固化劑（B 組分）按 10:1 重量比混合，真空脫泡 30 分鐘消除氣泡。

成型工藝：

① 使用自動(dòng)刮涂設(shè)備將 PDMS 涂覆至鋁模板，膜厚控制為 500 μm；

② 65℃真空干燥 2 小時(shí)固化，手動(dòng)剝離得到粗糙 PDMS 膜（RP），光滑 PDMS 膜（SP）以 PET 模板制備作為對(duì)照。

#Photonixbay.04

材料表征

SEM圖像

鹽噴霧處理前后的鋁板表面形貌對(duì)比，顯示處理后表面粗糙度顯著增加（凹坑和突起結(jié)構(gòu)）。

平滑PDMS（SP）與粗糙PDMS（RP）的SEM圖像，RP表面呈現(xiàn)重疊的微米級(jí)隆起結(jié)構(gòu)（約3 μm），驗(yàn)證了模板復(fù)制的有效性。

共聚焦顯微鏡CLSM圖像與粗糙度參數(shù)

表面形貌與粗糙度

鋁模板：鹽噴后CLSM量化顯示粗糙度顯著提升（Sq: 0.382→2.065 μm；Sa: 0.308→1.604 μm），表面形成密集微坑/凸起。

PDMS復(fù)制效果：粗糙膜（RP）完美復(fù)型，Sa達(dá)1.278 μm（光滑膜SP僅0.241 μm），CLSM三維成像確認(rèn)3 μm級(jí)褶皺結(jié)構(gòu)。

#Photonixbay.05

TENG電輸出性能

垂直接觸分離式TENG的工作原理示意圖

分階段圖解垂直接觸分離式TENG的工作機(jī)制

初始狀態(tài)：無電荷分離。

接觸階段：微納米結(jié)構(gòu)增加實(shí)際接觸面積，產(chǎn)生更多摩擦電荷（PDMS帶負(fù)電，Al帶正電）。

分離階段：電勢(shì)差驅(qū)動(dòng)電子流動(dòng)，形成瞬時(shí)電流。

TENG電輸出性能對(duì)比

RP-TENG 較 SP-TENG 性能全面提升

短路電流26μA（↑160%）、開路電壓 600V（↑100%）、電荷密度 125μC/m2（↑108%），可驅(qū)動(dòng)計(jì)算器、270 顆 LED。微納結(jié)構(gòu)通過 “多級(jí)接觸變形” 增大接觸面積，COMSOL 模擬顯示電場(chǎng)強(qiáng)度提升 58%。

#Photonixbay.06

自供電陰極保護(hù)應(yīng)用

陰極保護(hù)效果裝置示意圖

304 不銹鋼與 RP-TENG 耦合后，開路電位從 - 0.21V 降至 - 0.40V（降幅 190mV），陰極極化顯著；電荷轉(zhuǎn)移電阻（R ct）減少 45%，腐蝕電流密度降低 62%，CLSM 顯示不銹鋼表面腐蝕坑密度明顯減少，有效抑制金屬腐蝕。

鹽噴模板法以簡(jiǎn)易、低成本、可規(guī)模化的優(yōu)勢(shì)，突破TENG性能瓶頸。通過CLSM精準(zhǔn)表征的微納結(jié)構(gòu)，使PDMS摩擦層電荷密度提升108%，成功實(shí)現(xiàn)自供電防腐。該技術(shù)對(duì)半導(dǎo)體設(shè)備防護(hù)、鋰電池外殼防腐、光伏支架延壽等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。

#Photonixbay.

光子灣3D共聚焦顯微鏡

光子灣3D共聚焦顯微鏡是一款用于對(duì)各種精密器件及材料表面，可應(yīng)對(duì)多樣化測(cè)量場(chǎng)景，能夠快速高效完成亞微米級(jí)形貌和表面粗糙度的精準(zhǔn)測(cè)量任務(wù)，提供值得信賴的高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

• 超寬視野范圍，高精細(xì)彩色圖像觀察
• 提供粗糙度、幾何輪廓、結(jié)構(gòu)、頻率、功能等五大分析功能
• 采用針孔共聚焦光學(xué)系統(tǒng)，高穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
• 提供調(diào)整位置、糾正、濾波、提取四大模塊的數(shù)據(jù)處理功能

材料表面的微納結(jié)構(gòu)是解鎖性能提升的關(guān)鍵密碼，而光子灣科技的激光共聚焦顯微鏡（CLSM）正是可靠性驗(yàn)證工具。從PDMS 表面改性的基礎(chǔ)研究到高端制造的實(shí)際應(yīng)用，我們始終以精密測(cè)量技術(shù)賦能創(chuàng)新，助力客戶在半導(dǎo)體、新能源、航空航天等領(lǐng)域突破表面性能瓶頸。

感謝您本次的閱讀光子灣將持續(xù)為您奉上更多優(yōu)質(zhì)內(nèi)容，與您共同進(jìn)步。

原文出處：《Enhancing the Performance of Triboelectric Nanogenerator

Via Facile PDMS Surface Modification》

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