一种用于粒子-粒子单接触摩擦起电实验的新型装置

本研究提出一种结合气动输送与声学悬浮的新型装置，实现亚厘米级颗粒间高速、高成功率（93%）的物理与电气隔离碰撞。该装置可精确控制粒子电荷、速度、角度等参数，并用于分析摩擦电效应的随机性本质，为工业粉末处理中的电荷转移问题提供高效数据采集方案。

　　

Otome Obukohwo|Simon Janta?|Andrew Sowinski|Poupak Mehrani|Holger Grosshans

渥太华大学，加拿大渥太华

摘要

两个亚厘米高速颗粒之间的单次接触实验往往难以实施，特别是当碰撞需要在物理和电气上被隔离时，正如摩擦起电研究中所需要的那样。为这种实验设计的装置无法提供高概率接触的高速隔离碰撞。在本文中，我们提出了一种新型装置，该装置结合了气动输送和声学悬浮技术，实现了两个亚厘米颗粒之间的电气和物理隔离的高冲击速度碰撞，碰撞成功率为93%。我们可以改变颗粒的接触前电荷、材料以及尺寸，以及碰撞速度和角度。测试结果表明，绝缘颗粒的摩擦起电不仅仅是由接触电位差驱动的；这是一个随机过程，需要大量数据集来解析和理解。我们的新装置能够高效生成这些数据集，并为摩擦起电的随机性质以及上述碰撞参数对颗粒间摩擦起电的影响提供新的见解。

引言

当两个表面相互接触时，它们之间会发生电荷转移。这种现象被称为摩擦起电或接触充电。在涉及小型颗粒（或粉末）的运输、处理或加工的行业中，这是一个主要问题，因为它会导致意外的颗粒流动模式、颗粒间的凝聚、对周围表面的粘附以及电放电——这些都可能是粉尘爆炸的点火源[[1], [2], [3], [4]]。旨在理解摩擦起电的实验分为颗粒-平板（一个曲面和一个平面）实验和颗粒-颗粒（两个曲面）实验。颗粒-颗粒实验对于确定工业粉末中颗粒间电荷转移的机制非常重要。所研究的颗粒通常是直径从几微米到几十毫米的绝缘体[[5], [6], [7]]，它们以高速度相互作用（气动输送中的气体速度高达30 m s^?1 [8]）。因此，理想的颗粒-颗粒实验装置应该能够在高冲击速度下实现两个亚厘米颗粒之间的电气和物理隔离接触，并具有高碰撞成功率（颗粒间接触的概率高）。

为了确保颗粒间的接触点是唯一的电荷转移点并保持电荷守恒，需要隔离接触；为了再现真实的工业条件，需要高冲击速度；为了及时有效地收集数据，需要高碰撞成功率。碰撞成功率尤为重要，因为最近关于绝缘体表面间电荷转移的理论表明这是一个随机过程[[9], [10], [11]]。因此，需要大量数据集来归纳任何一组独特碰撞条件的统计特性。在这方面，理想的装置还应该允许改变可能影响摩擦起电的接触参数。这些参数包括但不限于颗粒大小、接触表面材料、冲击速度、冲击角度以及周围气体的相对湿度和温度[9,10,[12], [13], [14]]。

有一些专门为颗粒-颗粒实验设计的装置（表1），但它们尚未达到理想状态。Chowdhury等人[15,16]使用两个汇聚的气流将两个颗粒（3.2 mm - 4.8 mm球体；聚四氟乙烯（PTFE）、铝和尼龙）相互碰撞。他们将颗粒通过空心法拉第笼释放，以测量其接触前的电荷，然后让它们进入汇聚的气流中发生碰撞。碰撞后，颗粒被收集在法拉第杯中以测量其接触后的电荷。高速记录每个实验以确认碰撞。这种设置提供了高冲击速度下的隔离接触，但碰撞成功率非常低。气流的不可预测运动使得颗粒错过彼此的可能性大于相互碰撞的可能性。

Han等人[17]将一个颗粒（入射球体；5 mm；PTFE、聚甲醛（POM）或聚酰胺66（尼龙））固定在连接到滑动导轨的绝缘绳上。这个入射球体被释放到另一个颗粒（目标球体；10 mm；PTFE、POM或尼龙）上，后者固定在法拉第笼内的绝缘棒上。入射球体落入法拉第笼，与目标球体接触后离开笼子。法拉第笼测量了两个颗粒的接触前电荷和入射球体的接触后电荷。这种设置提供了高冲击速度和高碰撞成功率，但接触并未实现隔离。目标颗粒上的绝缘棒和入射颗粒上的绝缘绳消除了物理和电气隔离。

Kline等人[18]将两个颗粒（两个710 μm - 850 μm的聚乙烯球体、两个620 μm - 780 μm的聚苯乙烯球体，以及一个带有620 μm - 780 μm磺化聚苯乙烯球体的聚苯乙烯球体）放置在一个声波陷阱中，并改变声压节点的位置，使颗粒相互碰撞，碰撞后将其恢复到原始位置。受控的交变电场使颗粒在碰撞前后振荡，高速摄像机记录了振荡颗粒的轨迹。通过分析颗粒振荡及其力平衡，估计了单个颗粒的电荷。这种设置提供了高碰撞成功率下的隔离接触，但冲击速度较低（$\approx$ 0.05 m s^{?1，低于报告中的数值）。}

Jungmann等人[19]将0.1 mg的434 μm玻璃颗粒注入微重力室（$<{10}^{?5}$），并用高速摄像机记录颗粒碰撞。每个颗粒在碰撞前后的运动受到微重力室内受控电场的影响。通过分析颗粒的运动及其力平衡，估计了单个颗粒的电荷。这种设置提供了隔离接触，但冲击速度较低（$\approx$ 0.2 m s^{?1，低于报告中的数值），并且碰撞成功率无法确定——可以假设有些碰撞涉及多个颗粒或微重力室的壁。}

目前还没有一种装置能够模拟在高冲击速度下实现电气和物理隔离的颗粒接触，并且具有高碰撞成功率。为了填补这一空白，我们提出了一种结合了气动输送和声学悬浮技术的装置，以实现高速度、高碰撞成功率下的隔离碰撞。法拉第笼测量颗粒的接触前和接触后电荷，高速摄像机记录颗粒轨迹以确认碰撞并估计冲击角度和速度。在成功的实验中，气动输送器以受控的速度、轨迹和接触前电荷将入射颗粒推向静止在声学陷阱中的目标颗粒。碰撞后，要么两个颗粒都进入接触后测量段，要么目标颗粒进入接触后电荷测量段，而入射颗粒留在声学陷阱中。在后一种情况下，移除陷阱，入射颗粒通过反射器中心的开口落入法拉第杯中，测量其接触后电荷。

我们的装置可以测量大至4 mm和小至400 μm的颗粒之间的冲击电荷。这一尺寸范围处于工业输送颗粒的范围内，因此我们装置获得的冲击电荷数据可用于创建或开发工业粉末摩擦起电的估算模型。更好地估算工业粉末的摩擦起电将有助于防止意外的颗粒流动模式、颗粒间的凝聚、对周围表面的粘附以及电放电——这些都可能是粉尘爆炸的点火源。

部分摘要

装置设计与物理碰撞条件控制

图1展示了我们装置的示意图。该装置分为三个部分：接触前部分、接触部分和接触后部分。

接触前部分控制入射颗粒的接触前电荷、轨迹和速度。该部分包括一个颗粒装载器、一个接触前充电器和一个传感装置。颗粒装载器是一个316 1/4英寸的不锈钢三通接头，第三个连接端口带有盖子，是入射颗粒的主要位置

电碰撞条件和冲击电荷测试

为了准确和精确地测量接触前的入射电荷，传感装置中的屏蔽层接地，传感器完全封闭在屏蔽层内，减速器由塑料制成——因此不会干扰入射颗粒的场线。为了测试传感装置的精度和准确性，我们以10 m s^?1、20 m s^?1和50 m s^?1的速度输送了中和后的3.97 mm尼龙球体（中和测试将在本节后面讨论）通过接触前部分

结论

理解像电荷转移这样的基本且历史上令人困惑的现象需要许多实验，这就是我们设计和开发本文中提出的新型装置的动机。我们的装置实现了两个亚厘米颗粒之间的电气和物理隔离的高冲击速度碰撞，碰撞成功率为93%。我们能够精确控制入射颗粒的接触前电荷、轨迹、冲击速度和冲击角度

作者贡献声明

Otome Obukohwo：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、方法论、研究、形式分析、数据管理、概念化。Simon Janta?：验证、软件、方法论、概念化。Andrew Sowinski：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。Poupak Mehrani：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资源管理、方法论、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：

Holger Grosshans报告称获得了欧洲研究委员会（ERC）的财务支持。Poupak Mehrani报告称获得了加拿大国家研究委员会（NSERC）的财务支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本报告中所述的工作

致谢

该项目由欧洲研究委员会（ERC）和加拿大国家科学与工程研究委员会（NSERC）资助。ERC的资金来自欧盟的Horizon 2020研究与创新计划（授权协议编号947606 PowFEct）。