CN103354429B - 一种滑动摩擦纳米发电机及发电方法 - Google Patents
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
- H02N1/04—Friction generators
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
- Laminated Bodies (AREA)
- Micromachines (AREA)
Abstract
本发明提供一种滑动摩擦纳米发电机，摩擦纳米发电机包括：第一摩擦层、所述第一摩擦层下方接触放置的第一导电元件、第二摩擦层、所述第二摩擦层上方接触放置的第二导电元件，所述第一摩擦层的上表面与所述第二摩擦层的下表面相对放置；所述第一摩擦层的上表面和所述第二摩擦层的下表面在外力的作用下发生与接触面相切的相对滑动摩擦、同时接触面积发生变化，并通过所述第一导电元件和第二导电元件向外电路输出电信号。对本发明的滑动摩擦纳米发电机施加周期性的切向外力时，可以在第一导电元件和第二导电元件之间形成交流脉冲信号输出。
Description
技术领域
本发明涉及一种发电机及其发电方法，特别涉及将施加外力的机械能转化为电能的摩擦纳米发电机及利用该发电机进行发电的方法。
背景技术
在微电子和材料技术高速发展的今日，大量新型具有多种功能和高度集成化的微型电子器件不断被开发出来，并在人们日常生活的各个领域展现出前所未有的应用前景。然而，和这些微型电子器件所匹配的电源系统的研究却相对滞后，一般说来，这些微型电子器件的电源都是直接或者间接来自于电池。电池不仅体积较大、质量较重，而且含有的有毒化学物质对环境和人体存在潜在的危害。因此，开发出能将运动、振动等自然存在的机械能转化为电能的技术具有极其重要的意义。
但是，目前能将上述机械能有效地转化为电能的发电机均是以电磁感应为基础的，由水轮机、汽轮机、柴油机或其它动力机械驱动，将水流，气流，燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转化为机械能传给发电机，再由发电机转换为电能加以利用。这些发电机都需要相对集中、大强度的能量输入，而对于人们日常活动中产生的以及自然界存在的强度较小的动能，基本都无法将其有效的转化为电能。同时，传统发电机的体积较大、结构复杂，根本不能作为微型电子器件的供电元件使用。
发明内容
为了克服现有技术中的上述问题，本发明提供一种滑动摩擦纳米发电机，能够将施加在摩擦纳米发电机上的切向外力的机械能转化为电能。
为实现上述目的，本发明提供一种摩擦纳米发电机，包括
第一摩擦层；
所述第一摩擦层下方接触放置的第一导电元件；
第二摩擦层；
所述第二摩擦层上方接触放置的第二导电元件；
所述第一摩擦层的上表面与所述第二摩擦层的下表面相对放置；
所述第一摩擦层的上表面和所述第二摩擦层的下表面在外力的作用下发生相对滑动摩擦、同时摩擦面积发生变化，并通过所述第一导电元件和第二导电元件向外电路输出电信号；
优选地，所述第一摩擦层的上表面材料和所述第二摩擦层的下表面材料之间有摩擦电极序差异；
优选地，所述第一摩擦层的上表面和所述第二摩擦层的下表面接触放置；
优选地，在没有外力作用时，所述第一摩擦层的上表面和所述第二摩擦层的下表面分离，在外力作用下，所述第一摩擦层的上表面和所述第二摩擦层的下表面接触并发生与接触面相切的相对滑动摩擦；
优选地，所述第一摩擦层和/或第二摩擦层为绝缘材料或半导体材料；
优选地，所述绝缘材料选自聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纤维、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸盐，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和派瑞林；
优选地，所述绝缘材料选自聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯和派瑞林；
优选地，所述的半导体材料选自硅、锗、第Ⅲ和第Ⅴ族化合物、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物、氧化物、由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体、非晶态的玻璃半导体和有机半导体；
优选地，所述第Ⅲ和第Ⅴ族化合物选自砷化镓和磷化镓；所述第Ⅱ和第Ⅵ族化合物选自硫化镉和硫化锌；所述氧化物选自锰、铬、铁或铜的氧化物；所述由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体选自镓铝砷和镓砷磷；
优选地，所述摩擦层为非导电氧化物、半导体氧化物或复杂氧化物，包括氧化硅、氧化铝，氧化锰、氧化铬、氧化铁、氧化钛、氧化铜、氧化锌、BiO2或Y2O3。
优选地，所述第一摩擦层上表面和/或第二摩擦层的下表面分布有微米或次微米量级的微结构；
优选地，所述微结构选自纳米线，纳米管，纳米颗粒，纳米沟槽、微米沟槽，纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构；
优选地，所述第一摩擦层上表面和/或第二摩擦层的下表面有纳米材料的点缀或涂层；
优选地，所述第一摩擦层上表面和/或第二摩擦层的下表面经过化学改性，使得在极性为正的材料表面引入容易失去电子的官能团和/或在极性为负的材料表面引入容易得到电子的官能团；
优选地，所述容易失去电子的官能团包括氨基、羟基或烷氧基；
优选地，所述容易得到电子的官能团包括酰基、羧基、硝基或磺酸基；
优选地，所述第一摩擦层上表面和/或第二摩擦层的下表面经过化学改性，使得在极性为正的材料表面引入正电荷和/或在极性为负的材料表面引入负电荷；
优选地，所述化学改性通过化学键合引入带电荷基团的方式实现；
优选地，所述第一摩擦层或第二摩擦层为导电材料；
优选地，构成所述第一摩擦层或第二摩擦层的所述导电材料选自金属和导电氧化物；
优选地，其所述金属选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金；
优选地，所述第一导电元件和/或第二导电元件选自金属和导电氧化物；
优选地，所述第一导电元件和/或第二导电元件选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金；
优选地，所述第一摩擦层和/或第二摩擦层为薄膜；
优选地，所述第一导电元件和/或第二导电元件为薄膜；
优选地，所述第一摩擦层、第二摩擦层、第一导电层和/或第二导电层为硬质的；
优选地，所述第一摩擦层、第二摩擦层、第一导电层和/或第二导电层为柔性的；
优选地，所述第一导电元件和第二导电元件分别固定在所述第一摩擦层和第二摩擦层的表面；
优选地，通过沉积的方式在所述摩擦层表面制备所述导电元件；
优选地，所述第一导电元件与第一摩擦层的尺寸和形状相同，和/或，所述第二导电元件与第二摩擦层的尺寸和形状相同；
优选地，所述第一摩擦层、第二摩擦层、第一导电层和/或第二导电层为平面结构；
优选地，所述第一导电元件和第一摩擦层为曲面结构，和/或，所述第二导电元件和第二摩擦层为曲面结构。
本发明还提供一种发电方法，使用前述的任一项的发电机，包括如下步骤：
（1）提供所述第一摩擦层和第二摩擦层；
（2）在所述第一摩擦层下方和第二摩擦层上方分别形成与其接触放置的所述第一导电元件和第二导电元件；
（3）使所述第一摩擦层的上表面与所述第二摩擦层的下表面接触；
（4）将所述第一导电元件和第二导电元件与外电路进行电连接；
（5）施加外力使所述第一摩擦层和第二摩擦层之间形成相对滑动，并产生与接触面相切的相对滑动摩擦，在滑动过程中通过控制相对滑动距离使所述第一摩擦层和第二摩擦层沿接触面方向发生错位、滑动摩擦面积发生变化；
（6）利用所述第一导电元件和第二导电元件向外电路输出电信号；
优选地，步骤（3）中所述第一摩擦层的上表面与所述第二摩擦层的下表面完全接触；
优选地，步骤（5）中施加的是方向周期性翻转或大小周期性变化的持续外力。
对本发明的滑动摩擦纳米发电机施加周期性的切向外力时，可以在第一导电元件和第二导电元件之间形成交流脉冲信号输出。与现有技术相比，本发明的滑动摩擦纳米发电机具有下列优点：
1、原理和应用上的新突破。本发明的发电机在工作过程中，两摩擦层之间不需要间隙，与两摩擦层周期性全接触和全分离的器件在发电原理上不同，给社会提供了一个全新的设计思路。而且无间隙的设计省略了弹性距离保持件的安装，也为封装技术提供了方便，使其能够应用在更为广阔的领域。
2、能量的高效利用。本发明的发电机无需大规模、高强度的能量输入，仅需输入的机械能能够驱动第一摩擦层和第二摩擦层之间的相对滑动即可，因此可有效收集自然界和人们日常生活中产生的各种强度的机械能，并将其转化为电能，实现能量的高效利用。
3、结构简单、轻巧便携和高度兼容。本发明的发电机无需磁铁、线圈、转子等部件，结构简单，体积很小，制作方便、成本低廉、能够安装在各种可以使第一摩擦层和第二摩擦层产生相对滑动的器件上，无需特殊的工作环境，因此具有很高的兼容性。
4、用途广泛。通过对发电机中第一摩擦层的上表面和第二摩擦层的下表面进行物理改性或化学改性，引入纳米结构图案或涂纳米材料等，还可以进一步提高摩擦纳米发电机在切向外力作用下两摩擦层接触并相对滑动时产生的接触电荷密度，从而提高发电机的输出能力。因此，本发明的发电机不仅能作为小型功率源，同时也可用于大功率发电。
附图说明
通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1为本发明摩擦纳米发电机的一种典型结构示意图；
图2为本发明摩擦纳米发电机的发电原理的剖面示意图；
图3为本发明摩擦纳米发电机的另一种典型结构示意图；
图4为本发明摩擦纳米发电机的另一种典型结构示意图；
图5为本发明摩擦纳米发电机在以手指提供滑动驱动力时点亮80盏商用LED灯泡实时照片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。
本发明提供一种将运动、振动等自然存在的机械能转化为电能的结构简单的摩擦纳米发电机，能够为微型电子器件提供匹配的电源。本发明的摩擦纳米发电机利用了在摩擦电极序中的极性存在差异的材料接触时产生表面电荷转移的现象，将外力的机械能转化为电能。
本发明中所述的“摩擦电极序”，是指根据材料对电荷的吸引程度将其进行的排序，两种材料在相互摩擦的瞬间，在摩擦面上负电荷从摩擦电极序中极性较正的材料表面转移至摩擦电极序中极性较负的材料表面。迄今为止，还没有一种统一的理论能够完整的解释电荷转移的机制，一般认为，这种电荷转移和材料的表面功函数相关，通过电子或者离子在接触面上的转移而实现电荷转移。需要说明的是，摩擦电极序只是一种基于经验的统计结果，即两种材料在该序列中相差越远，接触后所产生电荷的正负性和该序列相符合的几率就越大，而且实际的结果受到多种因素的影响，比如材料表面粗糙度、环境湿度和是否有相对摩擦等。
本发明中所述的“接触电荷”，是指在两种摩擦电极序极性存在差异的材料在接触摩擦并分离后其表面所带有的电荷，一般认为，该电荷只分布在材料的表面，分布最大深度不过约为10纳米。需要说明的是，接触电荷的符号是净电荷的符号，即在带有正接触电荷的材料表面的局部地区可能存在负电荷的聚集区域，但整个表面净电荷的符号为正。
图1是本发明摩擦纳米发电机的一种典型结构。包括：第一摩擦层10、与第一摩擦层10下表面接触放置的第一导电元件11、第二摩擦层20、与第二摩擦层上表面接触放置的第二导电元件21；第一摩擦层10的上表面与第二摩擦层20的下表面相接触；在外力的作用下，所述第一摩擦层10与第二摩擦层20的接触界面能够发生相对滑动，同时接触面积发生变化，从而通过第一导电元件11和第二导电元件21向外电路输出电信号。
为了方便说明，以下将结合图1的典型结构来描述本发明的原理、各部件的选择原则以及材料范围，但是很显然这些内容并不仅局限于图1所示的实施例，而是可以用于本发明所公开的所有技术方案。
结合图2对本发明摩擦纳米发电机的工作原理进行说明。在有外力使第一摩擦层10的上表面与第二摩擦层20的下表面发生相对滑动摩擦时，由于第一摩擦层10的上表面材料与第二摩擦层20的下表面材料在摩擦电极序中存在差异，引发表面电荷转移（参见图2（a）），为了屏蔽由于错位而残留在第一摩擦层10和第二摩擦层20中表面电荷所形成的电场，第一导电元件11中的自由电子就会通过外电路流到第二导电元件21上，从而产生一外电流（参见图2（b））。当反方向施加外力时，第一摩擦层10或第二摩擦层20的相对滑动错位消失，两导电元件恢复原状，第二导电元件21中的电子流回第一导电元件10，从而给出一相反方向的外电流。如此往复，形成交流脉冲电流。
虽然摩擦起电的现象早已被人们所认识，本领域对能够发生摩擦起电的材料种类也有共识，往往我们知道的是摩擦可以起静电，但是对于利用滑动摩擦进行发电并将其器件化则是本发明首次提出的。通过本发明上面提供的工作原理，本领域的技术人员能够清楚地认识到滑动摩擦纳米发电机的工作方式，从而能够了解各部件材料的选择原则。以下给出适用本发明中所有技术方案的各部件材料的可选择范围，在实际应用时可以根据实际需要来作具体选择，从而达到调控发电机输出性能的目的。
本实施例中，第一摩擦层10和第二摩擦层20接触放置，无论是否有外力施加于其上，二者始终保持面接触。这是本发明发电机的最典型结构，通过控制第一摩擦层10和第二摩擦层20的尺寸、以及相对位移量，很容易实现在相对滑动摩擦的过程中摩擦面积发生变化。
但是本发明并不限定第一摩擦层10和第二导电层20自始至终一直保持面接触，只要在外力作用下，二者能够接触并发生与接触面相切的相对滑动摩擦即可，而在没有外力作用时，第一摩擦层10和第二摩擦层20可以完全分离。这样的设计能够满足需要间隔式发电的情况。而且摩擦过程可以同时有接触摩擦，也可以有滑动摩擦。实现这一目的的技术手段有很多，可以采用本领域中控制距离的常规部件，例如在第一摩擦层10的下表面和第二摩擦层20的上表面分别连接绝缘弹簧，但是需要注意使用的弹簧不应限制第一摩擦层10和第二摩擦层20之间的相对滑动。另外，该实施方式对于与其他产品结合使用的发电机比较有利，可以将第一摩擦层10和第二摩擦层20分别连接到其他产品中2个互相分隔的部件上，利用这2个部件的间歇性接触和相对滑动来带动发电机工作，从而实现间隔式发电。
第一摩擦层10和第二摩擦层20分别由具有不同摩擦电特性的材料组成，所述的不同摩擦电特性意味着二者在摩擦电极序中处于不同的位置，从而使得二者在发生摩擦的过程中能够在表面产生接触电荷。常规的高分子聚合物都具有摩擦电特性，均可以作为制备本发明第一摩擦层10和第二摩擦层20的材料，此处列举一些常用的高分子聚合物材料：聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纤维、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸盐，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和派瑞林。限于篇幅的原因，并不能对所有可能的材料进行穷举，此处仅列出几种具体的聚合物材料从人们参考，但是显然这些具体的材料并不能成为本发明保护范围的限制性因素，因为在发明的启示下，本领域的技术人员根据这些材料所具有的摩擦电特性很容易选择其他类似的材料。
相对于绝缘体，半导体和金属均具有容易失去电子的摩擦电特性，在摩擦电极序的列表中常位于末尾处。因此，半导体和金属也可以作为制备第一摩擦层10或第二摩擦层20的原料。常用的半导体包括硅、锗；第Ⅲ和第Ⅴ族化合物，例如砷化镓、磷化镓等；第Ⅱ和第Ⅵ族化合物，例如硫化镉、硫化锌等；以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体，例如镓铝砷、镓砷磷等。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。非导电性氧化物、半导体氧化物和复杂氧化物也具有摩擦电特性，能够在摩擦过程形成表面电荷，因此也可以用来作为本发明的摩擦层，例如锰、铬、铁、铜的氧化物，还包括氧化硅、氧化锰、氧化铬、氧化铁、氧化铜、氧化锌、BiO2和Y2O3；常用的金属包括金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金。当然，还可以使用其他具有导电特性的材料充当容易失去电子的摩擦层材料，例如铟锡氧化物ITO和掺杂的半导体。
通过实验发现，当第一摩擦层10和第二摩擦层20材料的得电子能力相差越大（即在摩擦电极序中的位置相差越远）时，发电机输出的电信号越强。所以，可以根据实际需要，选择合适的材料来制备第一摩擦层10和第二摩擦层20，以获得更好的输出效果。具有负极性摩擦电极序的材料优选聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯和聚四氟乙烯和派瑞林，包括派瑞林C、派瑞林N、派瑞林D、派瑞林HT或派瑞林AF4；具有正极性的摩擦电极序材料优选苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨酯弹性体、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、铜、铝、金、银和钢。
还可以对第一摩擦层10上表面和/或第二摩擦层20下表面进行物理改性，使其表面分布有微米或次微米量级的微结构阵列，以增加第一摩擦层10与第二摩擦层20之间的接触面积，从而增大接触电荷量。具体的改性方法包括光刻蚀、化学刻蚀和离子体刻蚀等。也可以通过纳米材料的点缀或涂层的方式来实现该目的。
也可以对相互接触的第一摩擦层10和/或第二摩擦层20的表面进行化学改性，能够进一步提高电荷在接触瞬间的转移量，从而提高接触电荷密度和发电机的输出功率。化学改性又分为如下两种类型：
一种方法是对于相互接触的第一摩擦层10和第二摩擦层20材料，在极性为正的材料表面引入更易失电子的官能团（即强给电子团），或者在极性为负的材料表面引入更易得电子的官能团（强吸电子团），都能够进一步提高电荷在相互滑动时的转移量，从而提高摩擦电荷密度和发电机的输出功率。强给电子团包括：氨基、羟基、烷氧基等；强吸电子团包括：酰基、羧基、硝基、磺酸基等。官能团的引入可以采用等离子体表面改性等常规方法。例如可以使氧气和氮气的混合气在一定功率下产生等离子体，从而在摩擦层材料表面引入氨基。
另外一种方法是在极性为正的摩擦层材料表面引入正电荷，而在极性为负的摩擦层材料表面引入负电荷。具体可以通过化学键合的方式实现。例如，可以在PDMS摩擦层表面利用水解-缩合（英文简写为sol-gel）的方法修饰上正硅酸乙酯（英文简写为TEOS），而使其带负电。也可以在金属金薄膜层上利用金-硫的键结修饰上表面含十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）的金纳米粒子,由于十六烷基三甲基溴化铵为阳离子，故会使整个摩擦层变成带正电性。本领域的技术人员可以根据摩擦层材料的得失电子性质和表面化学键的种类，选择合适的修饰材料与其键合，以达到本发明的目的，因此这样的变形都在本发明的保护范围之内。
本发明并不限定第一摩擦层10和第二摩擦层20必须是硬质材料，也可以选择柔性材料，因为材料的硬度并不影响二者之间的滑动摩擦效果，本领域的技术人员可以根据实际情况进行选择。第一摩擦层10和第二摩擦层20的厚度对本发明的实施没有显著影响，本发明优选摩擦层为薄膜或薄层，厚度为50nm-5mm，优选100nm-2mm，更优选1μm-800μm，这些厚度对本发明中所有的技术方案都适用。
第一导电元件11和第二导电元件21作为发电机的两个电极，只要具备能够导电的特性即可，可选自金属或导电氧化物，可以为薄板、薄片或薄膜，厚度的可选范围为10nm-5mm，优选为50nm-1mm，优选为100nm-500μm。优选金属薄膜，例如铝膜、金膜、铜膜。常用的金属包括金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金，常用的导电氧化物包括铟锡氧化物ITO和离子掺杂型的半导体。电极层最好与相应的摩擦层表面紧密接触，以保证电荷的传输效率，较好的方式是将导电材料通过沉积的方式在相应摩擦层的表面成膜；具体的沉积方法可以为电子束蒸发、等离子体溅射、磁控溅射或蒸镀。
第一导电元件11和第二导电元件21与外电路连接的方式可以是通过导线或金属薄膜与外电路连接。
为了保证本发电机的机械强度，可以在第一导电元件的下表面和/或第二导电元件的上表面接触设置支撑层，优选为绝缘材料或半导体材料，例如塑料板或硅片等。
本发明并不限定摩擦层和导电元件必须是硬质材料，也可以选择柔性材料，因为材料的硬度并不影响滑动摩擦和电信号输出的效果，例如我们常见的动物纤维很柔软，但是在相互摩擦的过程中会产生相当多的静电荷，因此本领域的技术人员可以根据实际情况选择硬质或柔性的材料。而且柔性材料制成的发电机的优势在于柔软轻薄的摩擦层受到轻微的外力作用就会发生形变，而这种形变会引起两个摩擦层的相对位移，从而通过滑动摩擦向外输出电信号。柔性材料的使用使本发明的纳米发电机在生物和医学中领域中也有非常广泛的应用。在使用的过程中还可以用具有超薄、柔软、具有弹性和/或透明的高分子材料做基底，进行封装以方便使用并提高强度。显然，本发明公开的所有结构都可以用相应的超软并具有弹性的材料做成，从而形成柔性纳米发电机，在这里就不一一赘述，但是由此衍生出的各种设计应该都包括在本专利的保护范围内。
图3为本发明两个摩擦层不完全接触的一个典型实施例。该实施例的主要部分与图1所示的实施例相同，此处仅对二者的区别进行描述。图3所示的实施例第一摩擦层10的上表面相对较小，并且其上表面和第二摩擦层20的下表面均制备成不平整表面，二者接触后在相对滑动的过程中能够形成接触面积的变化，从而实现向外输出电信号的目的。该实施例可用于因第一摩擦层10的上表面过小或第一摩擦层10与第二摩擦层20的相对位置可变量比较小时，外力的大小或摩擦层可移动的空间不足以使发电机输出合适的电信号的情况，通过不平整表面的设置有效地控制了第一摩擦层10与第二摩擦层20的接触面积，以及产生电信号所需的有效相对位移。本领域的技术人员能够预测到第二摩擦层20的表面积较小时也完全可以采用该方式来实现本发明的目的，并且表面不平整图案的设置也是可以根据实际情况进行选择的，因此这些变形都在本发明的保护范围之内。
图4是本发明摩擦层表面设有微结构的典型实施例。该实施例的主要部分与图1所示的实施例相同，此处仅对二者的区别进行描述。图4所示的实施例在第一摩擦层10的上表面和第二摩擦层20的下表面分别设有微米级的线形结构12和22。在第一摩擦层10与第二摩擦层20接触的过程中，其表面的微结构互相穿插或交叠，大大增加了接触摩擦的面积，从而能够有效提高发电机的输出性能。对于微结构的具体形式，本领域的技术人员可以根据制备条件或实际需要选择常规的棒状、线状或花形等。虽然在两个摩擦层的表面同时设置微结构的效果最好，但是显然仅在一个摩擦层的表面设置微结构也可以获得类似的效果。
本发明还提供一种发电方法，具体为使用上述滑动摩擦纳米发电机进行发电，主要包括如下步骤：
（1）首先根据前述原则选择材料，并将其制备成尺寸和形状合适的第一摩擦层10和第二摩擦层20。
（2）在所述第一摩擦层10下方和第二摩擦层20上方分别形成与其接触放置的所述第一导电元件11和第二导电元件21，优选固定放置，例如通过沉积的方法直接在第一摩擦层10的下表面和第二摩擦层20的上表面分别制备第一导电元件11和第二导电元件21。
（3）将第二摩擦层20的下表面与第一摩擦层10的上表面接触放置，使二者之间能够形成滑动摩擦。该步骤是本发明的发电方法能够实现的前提，也是与接触、分离式纳米发电机发电相区别的关键。接触、分离式发电机在工作的过程中，两个薄膜层之间必须存在间距可变的空隙，并且能够实现二者接触-分离的循环动作才能有电信号产生，而本发明的发电方法则无需在第二摩擦层20和第一摩擦层10之间形成空隙，在电信号产生的过程中，第二摩擦层20和第一摩擦层10一直是接触状态。优选在初始状态，第一摩擦层10的上表面与第二摩擦层20的下表面形状和尺寸相同并且完全接触，使摩擦面积达到最大，同时在后续发电过程中，只要有外力施加就能够使摩擦面积发生变化，从而产生电信号向外输出。
（4）将第一导电元件11和第二导电元件21与外电路进行电连接，该步骤是将发电机产生的电能向外输出的必要条件。实现电连接的方式有很多，例如最为常规的导线连接，也可以采用薄层连接，具体可以根据实际要求来选择。
（5）对发电机施加外力，使第一摩擦层10和第二摩擦层20之间形成相对滑动，并产生与接触面相切的相对滑动摩擦，同时在滑动过程中需要控制相对滑动的距离，使得第一摩擦层10和第二摩擦层20沿接触面方向发生错位、滑动摩擦面积发生变化。该步骤是本发明的发电方法中最为关键的一步，必须要第一摩擦层10和第二摩擦层20之间既要有相对滑动摩擦，还要有摩擦面积的改变，这样才能向外电路输出电信号。优选第二摩擦层20下表面和第一摩擦层10上表面能够沿接触面方向没有制约的自由滑动，以提高其对外力的响应灵敏度。本发明的发电方法优选采用方向周期性翻转或大小周期性变化的持续外力，这样可以持续的向外电路输出交流脉冲电信号。
对于方向周期性翻转的持续外力，其周期性可以和相对滑动摩擦的面积变化进行匹配，以相对滑动摩擦的面积由最大变到最小或由最小变到最大的时间为一个周期，这样就能够保证在外力施加的过程中一直有脉冲电信号的产生，防止了因为外力的方向不变而导致第一摩擦层10和第二摩擦层20没有接触也没有摩擦的情况发生。
对于大小周期性变化的持续外力，优选适用于在外力撤消后第一摩擦层10和第二摩擦层20能自动恢原位的情况。例如，初始状态下第一摩擦层10的上表面和第二摩擦层20的下表面完全接触，并且在第二摩擦层20的一端连有绝缘弹簧，第一摩擦层10和其下表面的第一导电元件11保持位置固定，那么在第二摩擦层20的另一端施加外力使绝缘弹簧被逐渐拉伸、第二摩擦层20和第一摩擦层10之间的接触摩擦面积逐渐减小，当接触摩擦面积减到最小时，将外力减小，使得第二摩擦层20在绝缘弹簧的作用下逐渐恢复初始位置，第二摩擦层20和第一摩擦层10又变为完全接触，这样一个过程是一个周期，重复该过程可以向外电路持续输送脉冲电信号。
实施例1
第一导电元件采用厚度为100nm的金属铜薄膜层，第一摩擦层采用厚度为25微米的特氟龙（聚四氟乙烯）薄膜，第二摩擦层采用厚度为100nm的金属铝薄膜层，第二导电元件为铟锡氧化物ITO薄膜，这些膜层的宏观尺寸为5cm×7cm。将金属铜薄膜层和ITO薄膜层通过导线连接到电流表上，特氟龙薄膜和金属铝薄膜相对完全重叠的接触放置，然后用带有绝缘手套的手指反复推拉金属铜薄膜层，使特氟龙薄膜层和金属铝薄膜层之间发生周期性往复的相对滑动，在电流表上有短路电流输出，表明发电机正常工作。用该发电机能够驱动80盏商用LED灯泡发光，具体见图5的照片。
由于聚四氟乙烯在摩擦电极序中具有极负的极性，而金属铝在电极序中的极性较正，本实施例的材料组合有利于提高摩擦纳米发电机的输出。
实施例2
以厚度为50微米、3cm×8cm的聚二甲基硅氧烷（英文简写为PDMS）作为第一摩擦层10，以相同宏观尺寸的硅片作为第二摩擦层，并将硅片旋转涂覆上一层光刻胶，利用光刻的方法在光刻胶上形成边长在微米或次微米量级的正方形窗口阵列;将光刻完成后的硅片经过热氢氧化钾的化学刻蚀，在窗口处形成金字塔形的凹陷结构阵列。而当硅片与PDMS两种材料在外力作用下接触并发生相对滑动时，由于PDMS具有较好的弹性，其能够进入并填充硅片表面的凹陷结构，从而增大了与硅片之间的摩擦接触面积，可以获得更好的电输出效果。
实施例3
本实施例在实施例1的基础上仅对聚四氟乙烯薄膜做改性，其他均与实施例1相同，此处不再赘述。在聚四氟乙烯薄膜表面采用电感耦合等离子体刻蚀方法制备纳米线阵列，首先在聚四氟乙烯表面用溅射仪沉积约10纳米厚的金，之后，将聚四氟乙烯薄膜放入电感耦合等离子体刻蚀机中，对沉积有金的一面进行刻蚀，通入O2、Ar和CF4气体，流量分别控制在10sccm、15sccm和30sccm，压强控制在15mTorr，工作温度控制在55℃，用400瓦的功率来产生等离子体，100瓦的功率来加速等离子体，进行约5分钟的刻蚀，得到基本垂直于绝缘薄膜层的长度约为1.5微米的高分子聚四氟乙烯纳米棒阵列。
本发明的滑动摩擦纳米发电机可以利用平动动能使发电机产生电能，为小型用电器提供电源，而不需要电池等电源供电，是一种使用方便的发电机。另外，本发明的摩擦纳米发电机制备方法简便、制备成本低廉，是一种应用范围广泛的摩擦纳米发电机和发电机组。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (31)
1.一种滑动摩擦纳米发电机，其特征在于，包括：
第一摩擦层；
所述第一摩擦层下方接触放置的第一导电元件；
第二摩擦层；
所述第二摩擦层上方接触放置的第二导电元件；
所述第一摩擦层的上表面与所述第二摩擦层的下表面相对放置；
所述第一摩擦层的上表面和所述第二摩擦层的下表面接触放置；或者
在没有外力作用时，所述第一摩擦层的上表面和所述第二摩擦层的下表面分离；
所述第一摩擦层的上表面和所述第二摩擦层的下表面在外力的作用下发生相对滑动摩擦、同时摩擦面积发生变化，并通过所述第一导电元件和第二导电元件向外电路输出电信号。
2.如权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦层的上表面材料和所述第二摩擦层的下表面材料之间有摩擦电极序差异。
3.如权利要求1或2所述的发电机，其特征在于所述第一摩擦层的上表面和/或第二摩擦层的下表面为绝缘材料或半导体材料。
4.如权利要求3所述的发电机，其特征在于所述绝缘材料选自聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纤维、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸盐，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和派瑞林。
5.如权利要求4所述的发电机，其特征在于所述绝缘材料选自聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯和派瑞林。
6.如权利要求3所述的发电机，其特征在于所述的半导体材料选自硅、锗、第Ⅲ和第Ⅴ族化合物、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物、由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体、非晶态的玻璃半导体、和有机半导体。
7.如权利要求6所述的发电机，其特征在于所述第Ⅲ和第Ⅴ族化合物选自砷化镓和磷化镓；所述第Ⅱ和第Ⅵ族化合物选自硫化镉和硫化锌；所述由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体选自镓铝砷和镓砷磷。
8.如权利要求1或2所述的发电机，其特征在于所述摩擦层为非导电氧化物、半导体氧化物或复杂氧化物，包括氧化硅、氧化铝、氧化锰、氧化铬、氧化铁、氧化钛、氧化铜、氧化锌、BiO2或Y2O3。
9.如权利要求1-2及4-7任一项所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦层上表面和/或第二摩擦层的下表面分布有微米或次微米量级的微结构。
10.如权利要求9所述的发电机，其特征在于，所述微结构选自纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构。
11.如权利要求1-2、4-7及10任一项所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦层上表面和/或第二摩擦层的下表面有纳米材料的点缀或涂层。
12.如权利要求1-2、4-7及10任一项所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦层上表面和/或第二摩擦层的下表面经过化学改性，使得在极性为正的材料表面引入容易失去电子的官能团和/或在极性为负的材料表面引入容易得到电子的官能团。
13.如权利要求12所述的发电机，其特征在于，所述容易失去电子的官能团包括氨基、羟基或烷氧基，所述容易得到电子的官能团包括酰基、羧基、硝基或磺酸基。
14.如权利要求1-2、4-7、10及13任一项所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦层上表面和/或第二摩擦层的下表面经过化学改性，使得在极性为正的材料表面引入正电荷和/或在极性为负的材料表面引入负电荷。
15.如权利要求14所述的发电机，其特征在于，所述化学改性通过化学键合引入带电荷基团的方式实现。
16.如权利要求1-2、4-7、10、13及15任一项所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦层或第二摩擦层为导电材料。
17.如权利要求16所述的发电机，其特征在于所述导电材料选自金属和导电氧化物。
18.如权利要求17所述的发电机，其特征在于所述金属选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛或铬，以及由上述金属或硒形成的合金。
19.如权利要求1-2、4-7、10、13、15及17-18任一项所述的发电机，其特征在于，所述第一导电元件和/或第二导电元件选自金属和导电氧化物。
20.如权利要求19所述的发电机，其特征在于所述金属选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛或铬，以及由上述金属或硒形成的合金。
21.如权利要求1-2、4-7、10、13、15、17-18及20任一项所述的发电机，其特征在于所述第一摩擦层、第二摩擦层、第一导电元件和/或第二导电元件为薄膜。
22.如权利要求1-2、4-7、10、13、15、17-18及20任一项所述的发电机，其特征在于所述第一摩擦层、第二摩擦层、第一导电层和/或第二导电层为硬质的。
23.如权利要求1-2、4-7、10、13、15、17-18及20任一项所述的发电机，其特征在于所述第一摩擦层、第二摩擦层、第一导电层和/或第二导电层为柔性的。
24.如权利要求1-2、4-7、10、13、15、17-18及20任一项所述的发电机，其特征在于所述第一导电元件和第二导电元件分别固定在所述第一摩擦层和第二摩擦层的表面。
25.如权利要求24所述的发电机，其特征在于通过沉积的方式在所述摩擦层表面制备所述导电元件。
26.如权利要求1-2、4-7、10、13、15、17-18、20及25任一项所述的发电机，其特征在于所述第一导电元件与第一摩擦层的尺寸和形状相同，和/或，所述第二导电元件与第二摩擦层的尺寸和形状相同。
27.如权利要求1-2、4-7、10、13、15、17-18、20及25任一项所述的发电机，其特征在于所述第一摩擦层、第二摩擦层、第一导电层和/或第二导电层为平面结构。
28.如权利要求1-2、4-7、10、13、15、17-18、20及25任一项所述的发电机，其特征在于所述第一导电元件和第一摩擦层为曲面结构，和/或，所述第二导电元件和第二摩擦层为曲面结构。
29.一种发电方法，其特征在于使用权利要求1-28任一项的发电机，包括如下步骤：
(1)提供所述第一摩擦层和第二摩擦层；
(2)在所述第一摩擦层下方和第二摩擦层上方分别形成与其接触放置的所述第一导电元件和第二导电元件；
(3)使所述第一摩擦层的上表面与所述第二摩擦层的下表面接触；
(4)将所述第一导电元件和第二导电元件与外电路进行电连接；
(5)施加外力使所述第一摩擦层和第二摩擦层之间形成相对滑动，并产生与接触面相切的相对滑动摩擦，在滑动过程中通过控制相对滑动距离使所述第一摩擦层和第二摩擦层沿接触面方向发生错位、滑动摩擦面积发生变化；
(6)利用所述第一导电元件和第二导电元件向外电路输出电信号。
30.如权利要求29所述的发电方法，其特征在于，步骤(3)中所述第一摩擦层的上表面与所述第二摩擦层的下表面完全接触。
31.如权利要求29或30所述的发电方法，其特征在于，步骤(5)中施加的是方向周期性翻转或大小周期性变化的持续外力。
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