在半導體、鋰電、航空航天等高端制造領域，材料表面的微納結構設計與腐蝕防護是技術創新的核心命題。本文研究通過鹽霧模板法實現聚二甲基硅氧烷（PDMS）表面微納結構的可控構建，通過激光共聚焦顯微鏡（CLSM）技術揭示摩擦納米發電機（TENG）的性能提升機制，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 技術為表面改性效果提供了從粗糙度量化到三維形貌驗證的全鏈條支持，證實了“微納結構 - 電荷密度 - 防腐效能” 的內在關聯。

#Photonixbay.01

金屬腐蝕的全球挑戰

金屬腐蝕年損失達全球GDP 的 3.34%（超 4 萬億美元），傳統陰極保護技術存在耗能或依賴電源的缺陷。摩擦納米發電機（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生，傳統改性技術（如光刻）成本高、工藝復雜，亟需簡便方案。

#Photonixbay.03

實驗方法

1.材料制備

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

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

對照樣：在光滑PET模板上制備光滑PDMS膜 (SP)。

2.TENG器件組裝

摩擦納米發電機（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)，驅動頻率設置為10HZ。

3.PDMS 微納結構復制

材料配比：PDMS 預聚體（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 使用自動刮涂設備將 PDMS 涂覆至鋁模板，膜厚控制為 500 μm；

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

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材料表征

SEM圖像

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

平滑PDMS（SP）與粗糙PDMS（RP）的SEM圖像，RP表面呈現重疊的微米級隆起結構（約3 μm），驗證了模板復制的有效性。

共聚焦顯微鏡CLSM圖像與粗糙度參數

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復制效果：粗糙膜（RP）完美復型，Sa達1.278 μm（光滑膜SP僅0.241 μm），CLSM三維成像確認3 μm級褶皺結構。

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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的工作機制

初始狀態：無電荷分離。

接觸階段：微納米結構增加實際接觸面積，產生更多摩擦電荷（PDMS帶負電，Al帶正電）。

分離階段：電勢差驅動電子流動，形成瞬時電流。

TENG電輸出性能對比

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%），可驅動計算器、270 顆 LED。微納結構通過 “多級接觸變形” 增大接觸面積，COMSOL 模擬顯示電場強度提升 58%。

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自供電陰極保護應用

陰極保護效果裝置示意圖

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。

鹽噴模板法以簡易、低成本、可規模化的優勢，突破TENG性能瓶頸。通過CLSM精準表征的微納結構，使PDMS摩擦層電荷密度提升108%，成功實現自供電防腐。該技術對半導體設備防護、鋰電池外殼防腐、光伏支架延壽等領域具有廣闊應用前景。

#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各種精密器件及材料表面，可應對多樣化測量場景，能夠快速高效完成亞微米級形貌和表面粗糙度的精準測量任務，提供值得信賴的高質量數據。

• 超寬視野范圍，高精細彩色圖像觀察
• 提供粗糙度、幾何輪廓、結構、頻率、功能等五大分析功能
• 采用針孔共聚焦光學系統，高穩定性結構設計
• 提供調整位置、糾正、濾波、提取四大模塊的數據處理功能

材料表面的微納結構是解鎖性能提升的關鍵密碼，而光子灣科技的激光共聚焦顯微鏡（CLSM）正是可靠性驗證工具。從PDMS 表面改性的基礎研究到高端制造的實際應用，我們始終以精密測量技術賦能創新，助力客戶在半導體、新能源、航空航天等領域突破表面性能瓶頸。

感謝您本次的閱讀光子灣將持續為您奉上更多優質內容，與您共同進步。

原文出處：《Enhancing the Performance of Triboelectric Nanogenerator

Via Facile PDMS Surface Modification》

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