摩擦荷电是一种十分普遍的自然现象,广泛应用于静电分选、静电喷涂和能源收集等工业领域。摩擦电选技术不存在湿法分选技术中产品脱水及水处理问题,具有巨大的发展潜力和广阔的应用前景。然而,当前关于摩擦电选的研究多集中在宏观尺度,分析颗粒群的总体带电量,较少涉及颗粒碰撞摩擦过程的电荷转移规律,摩擦荷电的微观机理尚不明确。因此,本论文基于原子力显微镜,从微观尺度上研究了二氧化硅表面摩擦荷电和电荷耗散过程的机理,为摩擦电选的工业应用提供有力的理论支撑。基于开尔文探针力显微镜技术系统研究了聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、石英和无烟煤颗粒与二氧化硅表面的单次摩擦荷电行为,定量分析了颗粒粒度、碰撞速度、颗粒种类和接触方式等对二氧化硅表面电势和形貌变化的影响。结果表明,颗粒粒径的增大和碰撞速度的上升均能强化摩擦荷电过程,颗粒碰撞过程中涉及微小碎片的物质转移,造成二氧化硅表面的形貌变化。PET、石英和无烟煤颗粒分别导致二氧化硅表面荷负电、正电和正负电荷随机嵌布。无烟煤颗粒在组成上较为复杂,导致电荷转移方向具有不确定性,因而正负电荷出现随机嵌布的现象。摩擦方式的变化不会改变荷电过程中电荷转移的极性,而会改变电荷转移的大小,且颗粒粒度的增大能够显著强化滑动摩擦荷电过程。在原子力显微镜的接触模式下实现微观尺度的摩擦荷电,并在开尔文探针力显微镜模式下原位表征形貌和表面电势的变化。建立了摩擦荷电过程中电荷转移与形貌变化之间的相关性,揭示了接触面弹性形变和塑性形变阶段对摩擦荷电过程的作用机理。明晰了同一位置多次摩擦荷电的强化机制,探究了物质转移在该过程中的作用。证实了低速度的摩擦荷电过程会对探针针尖造成磨损,同时减小电荷转移量;而摩擦速度较高会降低接触概率,进而削弱摩擦荷电过程。探明了针尖磨损和样品表面预处理协同作用导致电荷转移方向反转的潜在机制。经丙酮或无水乙醇润洗后的二氧化硅样品在与原始探针摩擦荷电后获得负电荷,而与磨损探针摩擦荷电时获得正电荷;经无水乙醇或丙酮超声清洗后的二氧化硅表面可以更进一步地增强探针与样品之间的电荷转移量;未经预处理的二氧化硅在与原始探针或磨损探针摩擦荷电后,其表面均获得负电荷。结合X射线光电子能谱分析,发现经超声清洗后二氧化硅表面的碳元素含量大幅下降,分析了碳杂质的存在对摩擦荷电过程的阻碍机制,并提出了一种表面态模型,以揭示探针与样品之间电荷转移方向发生反转的作用机理。明晰了相对湿度对摩擦荷电及电荷耗散的影响机制。在电荷产生方面,相对湿度的增加可以显著降低探针针尖与二氧化硅表面之间的电荷转移量,这是由于表面水膜参与摩擦荷电过程并削弱了电荷转移量;同时,表面水膜能够使部分电荷传导至地面。在电荷耗散方面,探究了不同相对湿度条件下二氧化硅表面电荷的时空演变行为,并通过模拟计算得出了相应的电荷耗散系数。相对湿度从0增加到60%时,二氧化硅表面电荷的耗散系数增加了约5个数量级,且正电荷与负电荷的耗散系数不存在显著差异。定量分析了表面电荷横向扩散和纵向耗散的行为机制,证实了表面电荷很难向二氧化硅内部发生迁移,二氧化硅表面水膜是电荷横向扩散的主要原因,而环境水分子对中和表面电荷起到了重要作用。明确了摩擦荷电及电荷耗散过程中表面电荷的相互作用。通过改变针尖偏压实现了对摩擦荷电过程的定量调控,并基于该技术在二氧化硅表面重复注入不同极性和大小的电荷,探究了表面正负电荷在摩擦荷电过程中的相互作用。样品初始表面电势为负（正）时,其电子亲和力降低（升高）,再次摩擦荷电时失（得）电子能力增强,得（失）电子能力减弱;样品表面初始电势值的增大能够阻碍同性电荷向样品表面转移的趋势。基于针尖偏压调控技术和耗散过程的模拟方法,定量表征了二氧化硅表面相邻区域的电荷在横向扩散过程中的相互作用规律。在横向扩散过程中,相邻的同性电荷相互叠加,相邻的异性电荷相互抵消。荷电区域交界处的电荷耗散速率低于荷电区域两侧的电荷耗散速率,证明相邻的同性或异性电荷均能削弱彼此的横向扩散行为。本论文有图77幅,表6个,参考文献183篇。