CN103368452A - 静电脉冲发电机和直流脉冲发电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种静电脉冲发电机，包括柔性基底和发电单元，任意相邻两层基片之间互相连接形成V型或U型凹陷结构；发电单元设置在所述凹陷结构内，其中V型或U型凹陷结构内表面的两个基片分别支撑发电单元的一个摩擦层，在外力作用下，柔性基片的V型或U型凹陷结构开口尺寸变小使两个摩擦层互相接触发生表面电荷转移，撤去外力时，柔性基片的刚度使发电单元的两个摩擦层互相分离，在电极层上产生脉冲电信号。在周期性外力作用下，发电单元的两个摩擦层在柔性基片的带动下发生周期性的接触和分离，在发电单元的两个电极层之间形成脉冲电信号。

Description

静电脉冲发电机和直流脉冲发电机

技术领域

本发明涉及能量转换领域，特别涉及一种将将运动、机械振动、流体等自然存在的机械能转化为电能的静电脉冲发电机和直流脉冲发电机。

背景技术

在高度集成化的微电子器件快速发展的今天，相应的能源供应系统的研究却相对滞后。为了适应小型化、便携化、多功能等需求，这些微电子器件的能源都直接或者间接地来自电池这种传统的供能器件。而电池由于自身难以克服的局限性，包括较大的体积和重量、有限的使用寿命，对环境和人体的潜在危害等，很难适应可持续、低成本、绿色环保等要求。因此，开发出满足需求的替代供能方式具有重大的意义。

机械能是广泛存在的能量形式，包括运动、振动、流动等形式。人体运动包括步行、跑动、扭动等形式，都会产生机械能，这些机械能虽然广泛存在，但是常常被忽视，没有有效的收集手段加以利用，通常被浪费。目前，机械能转化为电能的发电机所利用的原理主要有静电感应，电磁感应和特殊材料的压电性能等。然而，已经发明的静电感应、存在体积大，适用性窄等缺点，电磁感应发电机和压电发电机则普遍存在结构复杂，对材料有特殊要求和成本较高等缺陷。已发明的静电脉冲发电机结构复杂、输出功率密度较小，在小型化、轻量化及集成化方面有所不足，不能满足对人体运动等生物机械能收集的需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种将运动、振动、流体等自然存在的机械能转变为电能的静电脉冲发电机，包括柔性基片和至少一个发电单元，其中：

所述柔性基片为蛇形弯折状层叠结构，任意相邻两层之间互相连接形成V型或U型凹陷结构；所述发电单元设置在所述凹陷结构内；

所述发电单元包括：面对面设置在所述凹陷结构内表面上的第一电极层和第二电极层；

接触设置在所述第一电极层上的第一摩擦层；接触设置在所述第二电极层上的第二摩擦层；所述第一摩擦层的上表面与第二摩擦层的上表面面对面设置，且所述第一摩擦层的上表面与第二摩擦层的上表面分离设置；

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上表面互相接触并发生表面电荷转移，撤去外力时，所述第一摩擦层和所述第二摩擦层分离。

优选的，所述蛇形弯折状层叠结构为两层，并且所述两层之间形成一个V型或U型凹陷结构。

优选的，所述蛇形弯折状层叠结构为三层以上结构，任意相邻两层基片之间形成V型或U型凹陷结构。

优选的，任意相邻两个所述V型或U型凹陷结构的开口方向相反。

优选的，在每个V型或U型的凹陷结构内均包括一个所述发电单元。

优选的，所述发电单元的第一摩擦层与第二摩擦层的材料存在摩擦电极序差异。

优选的，所述第一摩擦层或第二摩擦层的材料选自导体、绝缘体或半导体材料。

优选的，所述第二摩擦层选自导电材料。

优选的，所述第二摩擦层代替所述第一导电层。

优选的，所述导电材料选自铝、钛和铜。

优选的，所述发电单元的第一摩擦层的上表面和/或第二摩擦层的上表面包括微纳结构，所述微纳结构包括纳米线、纳米颗粒、纳米棒、纳米管、纳米花或纳米孔洞。

优选的，所述第一摩擦层的上表面上的所述纳米线、纳米棒、纳米管和/或纳米孔洞的轴向基本垂直与所述第一摩擦层；所述第二摩擦层的上表面上的所述纳米线、纳米棒、纳米管和/或纳米孔洞的轴向基本垂直与所述第二摩擦层。

优选的，所述发电单元中，所述第一摩擦层为厚度为25微米的聚四氟乙烯薄膜层；所述第二摩擦层为厚度为50微米的金属铝薄膜，所述第二摩擦层代替所述第二导电元件，并且所述第二摩擦层在面向所述第一摩擦层的表面包括直径为50纳米孔洞阵列，所述纳米孔洞的轴向基本垂直于所述第二摩擦层。

优选的，所述第一摩擦层的上表面和/或第二摩擦层的上表面经过化学改性，在极性为负的表面引入易得电子的官能团，或者在极性为正的表面引入易失电子的官能团；或者，在极性为正的表面引入正电荷，在极性为负的表面引入负电荷。

优选的，所述第一摩擦层的上表面和/或第二摩擦层的上表面经过化学改性，在极性为正的表面引入正电荷，或在极性为负的表面引入负电荷。

优选的，所述柔性基片为弹性材料。

优选的，所述弹性材料选自聚酰亚胺薄膜、纸张、无机非金属材料和有机高分子材料或其组合，以及表面具有绝缘涂层的金属片。

相应的，本发明还提供一种直流脉冲发电机，包括上述任一静电脉冲发电机和全桥整流器，所述脉冲发电机的发电单元的第一电极层和第二电极层分别与所述全桥整流器的输入端连接，所述全桥整流器的输出端为直流脉冲发电机的输出端。

优选的，所述直流脉冲发电机的负载的电阻值优选为兆欧量级。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

1、本发明提供的静电脉冲发电机结构简单。在外力作用下，柔性基片的V型或U型凹陷结构发生形变，带动发电单元的两个摩擦层互相接触；撤去外力时，柔性基片自身的弹性带动发电单元两个摩擦层分离。因此，本发明的静电脉冲发电机的发电单元不需要额外的弹性部件连接两个摩擦层。另外，具有蛇形弯折层叠结构的柔性基片，可以方便的将多个发电单元进行集成，不需要特别设置连接多个发电单元的连接结构。

2、本发明的静电脉冲发电机中可以包括多个发电单元，多个发电单元进行并联可以获得高的输出功率，可以作为脉冲电源用于为小型电子电子器件供电。

3、在本发明的静电脉冲发电机的输出端连接全桥整流器，可以将交流脉冲电信号转变为直流脉冲电信号，作为直流脉冲电源用于为锂电池、电容充电，直接用于电化学领域的多种用途，或者为微型电子器件提供匹配的电源。因此，本发明的静电脉冲发电机和直流脉冲发电机具有广阔的应用前景。

4、在本发明的静电脉冲发电机的各部分对材料无特殊要求，都可以为柔性材料，使整个脉冲发电机为柔性器件。可以将柔性的发电机植入服装等，在不产生明显不适感和不便的同时，可以收集人体运动如步行、跑动、扭动等形式的机械能，具有广泛的实际用途。

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为本发明实施例一静电脉冲发电机的结构示意图；

图2为实施例一中发电单元的发电原理示意图；

图3为本发明实施例二中柔性基片的结构示意图；

图4为发明实施例二的静电脉冲发电机的结构示意图；

图5为在铝膜的表面制备出的纳米孔洞阵列的扫描电镜照片；

图6和图7为实施例三中静电脉冲发电机在外力作用下的开路电压和短路电流测量结果；

图8为直流脉冲发电机中静电脉冲发电机与全桥整流器的连接示意图。

具体实施方式

本发明提供一种将运动、振动、流体等自然存在的机械能，特别是在不产生明显不适感和不便的同时收集人体运动包括步行、跑动、扭动等形式的机械能转化为电能的结构简单的层叠状静电脉冲发电机，本发明的技术方案是采用柔性基片支撑两个面对面的摩擦层，由于柔性基片自身的刚度，在周期性外力作用下使两个摩擦层发生周期性接触和分离。两个摩擦层在相互接触的瞬间会通过电子或者离子发生表面电荷转移，即接触电荷，使其中一个摩擦层表面带有净负电荷，而另一个摩擦层表面相应地带有净正电荷。在周期性外力的作用下，两个摩擦层发生周期性接触和分离，在与两个摩擦层分别接触设置的两个电极层上分别产生方向相反的脉冲电流，实现脉冲发电。

本发明提供的静电脉冲发电机，包括柔性基片和至少一个发电单元，其中：所述柔性基片为蛇形弯折状层叠结构，任意相邻两层之间互相连接形成V型或U型凹陷结构；所述发电单元设置在所述凹陷结构内；所述发电单元包括：面对面设置在所述凹陷结构内表面上的第一电极层和第二电极层；接触设置在所述第一电极层上的第一摩擦层；接触设置在所述第二电极层上的第二摩擦层；所述第一摩擦层的上表面与第二摩擦层的上表面面对面设置，且所述第一摩擦层的上表面与第二摩擦层的上表面分离设置；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上表面互相接触并发生表面电荷转移，撤去外力时，所述第一摩擦层和所述第二摩擦层分离。在周期性外力作用下，所述第一摩擦层的上表面和所述第二摩擦层的上表面互相周期性接触和分离，在所述第一电极层和第二电极层之间产生交流脉冲电信号。

为了便于理解本发明的技术方案，下面结合附图详细介绍本发明的具体实施方式。

实施例一：

参见图1，本实施例的静电脉冲发电机中，包括柔性基片10和一个发电单元，其中：所述柔性基片10为蛇形弯折的两层结构，两层基片互相连接形成V型凹陷结构；发电单元设置在所述凹陷结构内；所述发电单元包括：面对面设置在所述凹陷结构内表面（柔性基片10的内表面）上的第一电极层11和第二电极层14；接触设置在第一电极层11上的第一摩擦层12；接触设置在第二电极层14上的第二摩擦层13；第一摩擦层12的上表面与第二摩擦层13的上表面面对面设置，且第一摩擦层12的上表面与第二摩擦层13的上表面分离设置，即V型或U型凹陷结构内表面的两个基片分别支撑发电单元的一个摩擦层；在外力作用下，使第一摩擦层12的上表面和第二摩擦层13的上表面互相接触并发生表面电荷转移，撤去外力时，第一摩擦层12和第二摩擦层13在柔性基片的刚度（弹性）作用下互相分离。在周期性外力作用下，使第一摩擦层12的上表面和第二摩擦层13的上表面互相周期性接触和分离，在连接第一电极层11和第二电极层14的外电路中产生交流脉冲电信号。这里所述的周期性外力可以为低频机械冲击和高频机械振动。

本实施例的静电脉冲发电机中，发电单元的第一摩擦层12和第二摩擦层13的材料存在摩擦电极序差。

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，两种材料在相互接触的瞬间，在接触面上正电荷从摩擦电极序中极性较负的材料表面转移至摩擦电极序中极性较正的材料表面。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，接触后所产生接触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。本发明人发现如果两种材料在摩擦电极序中处于较接近的位置，接触后电荷分布的正负性可能并不符合该序列的预测。需要进一步说明是，电荷的转移并不需要两种材料之间的相对摩擦，只要存在相互接触即可，因此，从严格意义上讲，摩擦电极序的表述是不准确的，但由于历史原因而一直沿用至今。

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。研究发现，该电荷能够保持较长的时间，根据环境中湿度等因素，其保持时间在数小时甚至长达数天，而且其消失的电荷量可以通过再次接触得以补充，因此，本发明人认为，在本发明中接触电荷的电量可以近似认为保持恒定。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。

本实施例的静电脉冲发电机中，发电单元的发电原理见图2，第一摩擦层12和第二摩擦层13是两种存在摩擦电极序差的材料，在没有外力的初始状态下，由于柔性基底10的支撑作用，第一摩擦层12和第二摩擦层13之间存在一定的间隔（参见图2中A步骤）。当有外力作用时，第一摩擦层12和第二摩擦层13相互接触发生表面电荷转移，形成一层表面接触电荷（参见图2中B步骤）。由于第一摩擦层12和第二摩擦层13的材料在摩擦电极序中的位置不同，第二摩擦层13表面产生负电荷，而第一摩擦层12表面产生正电荷，两种电荷的电量大小相同，因此在第一电极层11和第二电极层14之间没有电势差，也就没有电荷流动。当外力逐渐撤离，在柔性基片10的弹性作用下，第一摩擦层12与第二摩擦层13开始分离，此时由第一电极层11和第一摩擦层12所构成的整体具有净剩正电荷，而第二电极层14和第二摩擦层13所构成的整体具有净剩负电荷，因此在第一电极层11和第二电极层14之间产生了电势差。为平衡该电势差，电子通过外接导线由第二电极层14流入第一电极层11，从而在外电路产生由第一电极层到第二电极层的瞬时电流（参见图2中C步骤），当第一摩擦层12回到初始位置时，它与第二摩擦层13之间的间距达到最大，二者的电荷都达到平衡，在第一电极层11和第二电极层14之间没有电势差，在外电路也就没有电流产生（参见图2中D步骤）。当周期性的外力再度施加时，由于第一电极层11与第二摩擦层13的间距变小，第二摩擦层13表面的负电荷对第一电极层11中负电荷的排斥作用增强，同时第一摩擦层12表面的正电荷对第二电极层14中负电荷的吸引作用也增强，由此导致第一电极层1和第二电极层14之间的电势差减小。为进一步平衡该电势差，电子通过外电路由第一电极层11流入第二电极层14，从而在外电路产生与第一次方向相反的瞬时电流（参见图2中步骤E）。当外力继续施加使第一摩擦层12与第二摩擦层13发生接触后，重复上面B-E步骤的情形。由此可见，当周期性外力作用于柔性基片10时，会促使柔性基片10带动第一摩擦层12和第二摩擦层13发生不断接触和分离，形成电信号不断输出。外力的大小对静电脉冲发电机的输出功率产生影响，较大的外力将使第一摩擦层12和第二摩擦层13产生更大的接触面积和更有效的摩擦，从而提高接触电荷密度；当外力增大到一定值时，由于第一摩擦层12和第二摩擦层13的接触面积达到极值，接触电荷密度不会进一步增加，静电脉冲发电机的输出达到极值。需要说明是，所述外力的大小对输出的影响是由第一摩擦层12和第二摩擦层13材料的选取所决定的，具体量化结果需要通过实验测得。

柔性基片材料的选择需要考虑到轻量化和柔性，蛇形弯折的层叠状基片10的各层之间的距离可以在外力作用下变化，在撤去外力时，各层之间的距离回复施加外力之前的状态。可以选择刚性较好的表面包括绝缘层的金属薄膜材料、无机非金属材料和有机高分子材料或其组合，如纸张、聚酰亚胺薄膜或表面涂覆有绝缘涂层的金属膜等都可以作为本发明的基片。对于柔性基片的蛇形弯折形状，不严格限定为本实施例所述的V型，近似V即可，也可以为U型。

发电单元中的第一摩擦层12与第二摩擦层13选择具有不同摩擦电特性的材料。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，从而使得二者在接触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12和第二摩擦层13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，聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、再生纤维海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、酚醛树脂薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)薄膜或聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯。

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12或第二摩擦层13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。

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材料供参考，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。发明人通过实验发现，当第一摩擦层12和第二摩擦层13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，静电脉冲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。

对于第二摩擦层13选择导体材料时，可以用第二摩擦层代替第二电极层14，使发电单元中省去第二电极层，这里，第二电极层即是第二摩擦层。以第一摩擦层12采用绝缘材料为例，说明这种结构静电脉冲发电机的发电过程。在外力的作用下，第一摩擦层和第二电极层的两种材料相互接触并在接触面上发生电荷转移。外力撤去后，由于两种材料自身的弹性或者/和柔性基底10的回复力，两种材料之间发生分离，并在各自表面上形成极性相反的接触电荷。由于第一摩擦层和第二电极层分离，带正电的接触电荷和带负电的接触电荷在第一电极层和第二电极层上产生的电势存在差异。在有外加负载的情况下，该电势差造成自由电子在两电极层间重新分布，以平衡该电势差，从而形成通过负载的脉冲电流。当外力再次施加，由于第一摩擦层和第二电极层之间的距离被改变，两电极层间的电势差再次出现，使达到平衡的电荷分布被改变，重新分布的电荷造成再次通过外加负载的脉冲电流。需要说明的是，在负载接入的情况下，第一摩擦层和第二电极层在分离和靠近过程中产生相反的电势差，因此，两个过程中的脉冲电流的流向相反。

本发明的静电脉冲发电机中，影响输出功率的主要参数是发电单元中第一摩擦层和第二摩擦层的厚度以及它们相互接触时的面积大小。两种绝缘材料的厚度越薄，相互接触时的面积越大，得到发电机的输出功率也就越大。因此，在机械强度等条件允许的情况下，为了得到较大的输出功率，第一摩擦层和第二摩擦层需要选取较薄的材料并使两者之间接触时保持较大的接触面积。本发明中，第一摩擦层和/或第二摩擦层优选为薄膜，厚度为100nm-5mm，优选1μm-2mm，更优选10μm-800μm，更优选20μm-500μm，这些厚度对本发明中所有的技术方案都适用。

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表面接触时的电荷转移效果，本领域的技术人员可以根据实际情况进行选择。

还可以对发电单元的第一摩擦层12上表面和/或第二摩擦层13上表面进行物理改性，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12与第二摩擦层13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。所述微结构包括纳米线、纳米颗粒、纳米棒、纳米管、纳米花或纳米孔洞。优选的，所述第一摩擦层的上表面上的所述纳米线、纳米棒、纳米管和/或纳米孔洞的轴向基本垂直与所述第一摩擦层；所述第二摩擦层的上表面上的所述纳米线、纳米棒、纳米管和/或纳米孔洞的轴向基本垂直与所述第二摩擦层。

也可以对相互接触的第一摩擦层12和/或第二摩擦层13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12和第二摩擦层13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，从而在基板材料表面引入氨基。

另外一种方法是在极性为正的材料表面引入正电荷，而在极性为负的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薄膜表面利用水解-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，故会使整个薄膜变成带正电性。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。

发电单元的第一电极层和第二电极层的材料可以有多种选择，可以采用金属材料、氧化物导电材料等常用的电极材料，金属材料可以选自铜、铝、钛等金属，氧化物导体可以选自ITO等材料。第一电极层和第二电极层材料的制备可以采用蒸镀或者溅射方法。

实施例二：

本实施例中的静电纳米发电机中包括柔性基底和多个发电单元，柔性基底参见图3，所述柔性基片为蛇形弯折状层叠结构，所述层叠结构至少为三层，任意相邻两层之间互相连接形成V型或U型凹陷结构。柔性基底包括V型或U型凹陷结构的数量视情况可变。具体参见图3中a图所示，柔性基片A为蛇形弯折状层叠结构，任意相邻两层之间互相连接形成V型凹陷结构，图中A11层基片与相邻的A12层基片互相连接形成一个V型凹陷结构A1（虚线框中所示），A12层基片与相邻的A13层基片互相连接形成一个V型凹陷结构A2（虚线框中所示），柔性基片A的其他部分依次类推，这里不再列举。

相同的，参见图3中图b所示，柔性基片B为蛇形弯折状层叠结构，任意相邻两层基片之间互相连接形成U型凹陷结构，图中B11层基片与相邻的B12层基片互相连接形成一个U型凹陷结构B1（虚线框中所示），B12层基片与相邻的B13层基片互相连接形成一个U型凹陷结构B2（虚线框中所示），柔性基片B的其他部分依次类推，这里不再列举。类似的，所述柔性基片也可以为蛇形弯折状层叠结构，任意相邻两层基片之间互相连接形成U型或V型凹陷结构，并且，在同一柔性基片中，可以既包括U型凹陷结构，也包括V型凹陷结构，参加图3中c图所示。

本实施例中的发电单元各部分的结构和材料都可以与实施例一中的相同，在这里不再重复。

为了提高静电脉冲发电机的输出功率，可以在柔性基片的每个凹陷结构中都包括一个发电单元，多个发电单元之间进行并联。优选的，当施加外力使柔性基片的每个V型或U型凹陷结构的开口变小时，每个发电单元的第一摩擦层和第二摩擦层互相接触；撤去外力时，柔性基片的刚度使发电单元的第一摩擦层和第二电极层分离。

优选的，柔性基片包括的相邻凹陷结构的开口方向相反（如图3中所示），在外力作用下，多个V型和/或U型凹陷结构的开口尺寸同时缩小，撤去外力时，多个V型和/或U型凹陷结构的开口尺寸同时增大。

图4为本实施例中的一个典型结构，其中，发电单元的第二电极层被采用导电材料的第二摩擦层代替，柔性基片101为蛇形弯折状层叠结构，任意相邻两层基片互相连接形成V型凹陷结构，在每个V型凹陷结构中都包括一个发电单元，所述的发电单元包括面对面设置在凹陷结构内表面的第一电极层102和第二电极层104，以及接触设置在第一电极层102上的第一摩擦层103，第一摩擦层103的上表面和第二电极层104的上表面面对面设置，并且第一摩擦层103的上表面与第二电极层104的上表面分离设置。将多个所述发电单元的电极层通过外部引线并联，集成在一起，在不改变单个发电元件面积的同时，提高静电脉冲发动机的输出功率密度。第一摩擦层103的材料可以选择绝缘体、半导体材料，优选为绝缘体材料，在这里不做具体限定，只要与第二电极层的材料存在电极序差的材料都能够实现本发明。

第一电极层102可以采用金属电极层，本实施例中的第一电极层可以通过在第一摩擦层103的一个表面沉积金属薄膜而制成。在静电脉冲发电机的实际组装过程中，第一摩擦层103没有金属电极层的表面和第二电极层104相向放置，并通过柔性基片101自身的刚度使第一摩擦层103和第二电极层104之间保持一定的空隙105。在外力F作用下，第一摩擦层103与第二电极层104互相接触。柔性基片101通过多次折叠形成的多个V型结构为多个发电单元的第一电极层102、第一摩擦层103和第二电极层104提供支撑，将多个所述发电单元通过外部引线并联，集成在一起。

优选的，可以在第一摩擦层或第二摩擦层的表面制备纳米孔洞阵列，所述纳米孔洞的轴向基本垂直与第一摩擦层或第二摩擦层的表面，以达到增加第二摩擦层材料表面粗糙度的目的。

以第二摩擦层选取金属材料为例，通过将金属材料在电解质溶液中进行阳极氧化而制备出纳米孔洞阵列，这种材料表面的物理改性方法能够大大地提高本发明的输出功率。本发明人认为，经过此法改性过的金属薄膜材料和另一种薄膜材料相互接触时，这些纳米孔洞可以被另一种材料所填充以增加摩擦，有研究表明，额外的摩擦能够有效地增大接触电荷密度，因此，这些纳米孔洞存在能够提高本发明的发电机的输出功率。

图3所示静电脉冲发电机的具体发电过程为：在外力F的作用下，第一摩擦层103和第二电极层104的两种材料相互接触并在接触面上发生电荷转移。外力撤去后，由于两种材料自身的弹性和/或柔性基底101的回复力，两种材料之间发生分离，并在各自表面上形成极性相反的接触电荷。由于空隙105的存在，带正电的接触电荷和带负电的接触电荷在第一电极层102和第二电极层104上产生的电势存在差异。在有外加负载的情况下，该电势差造成自由电子在两金属电极间重新分布，以平衡该电势差，从而形成通过负载的脉冲电流。当外力再次施加，由于第一摩擦层和第二电极层之间的空隙距离被改变，两金属电极间的电势差再次出现，使达到平衡的电荷分布被改变，重新分布的电荷造成再次通过外加负载的脉冲电流。需要说明的是，在负载接入的情况下，第一摩擦层和第二电极层在分离和靠近过程中产生相反的电势差，因此，两个过程中的脉冲电流的流向相反。将柔性基底101上集成的多个所述发电单元的电极层通过外部引线并联，作为最终的输出端。综上所述，本实施例的发电机能在周期性外力的作用下输出具有相应频率的脉冲交流电。

实施例三：

以柔性基底选用聚酰亚胺薄膜材料，第一摩擦层采用聚四氟乙烯薄膜材料，第二摩擦层采用金属铝（第二摩擦层代替第二电极层）材料制造静电脉冲发电机为例，具体介绍本实施例的静电脉冲发电机的制备过程。

参见图3，将尺寸为4厘米×4厘米×125微米的聚酰亚胺薄膜作为基底101，通过折叠形成6层层叠结构，形成5个V型凹陷结构，在尺寸为3.8厘米×3.8厘米×25微米的聚四氟乙烯薄膜103上用电子束蒸发制备一层100纳米厚的铝膜为第一电极层102，并将聚四氟乙烯薄膜制备铝膜的一面面向柔性基底101固定在V型凹陷结构的内表面。第二电极层104使用尺寸为3.8厘米×3.8厘米×50微米的金属铝膜，并将其在质量分数为3%的草酸溶液进行阳极氧化。铝膜在电压为30V下阳极氧化5个小时后，将其在60℃下20g/L的铬酸溶液中浸泡2小时去除表面氧化层，然后用去离子水清洗并在空气中干燥，在铝膜表面得到直径为50纳米的纳米孔洞阵列，如图5所示，纳米孔洞的深度约100纳米。将作为第二电极层的铝膜制备有纳米孔洞阵列的表面背向柔性基底101固定在V型凹陷结构的内表面，并使第二电极层与聚四氟乙烯薄膜面对面设置，但第二电极层与聚四氟乙烯薄膜互相分离。下表面制备有铝膜的聚四氟乙烯薄膜和第二电极层共同构成发电单元。在柔性基底101的每个V型凹陷结构中都设置一个上述的发电单元，并通过外部引线将各所述发电单元并联。

本实施例中在第二电极层面向第一摩擦层（聚四氟乙烯薄膜）的表面制备出纳米孔洞阵列，所述纳米孔洞的轴向基本垂直与第一摩擦层或第二电极层的表面，以达到增加第一摩擦层材料表面粗糙度的目的。

绝缘薄膜材料（第一摩擦层）表面的粗糙度对静电脉冲发电机的输出功率有较大的影响，一般认为，材料表面越粗糙，能够有效接触的面积就越小，产生更少的接触电荷，从而相应地得到更低的输出功率。但本发明人意外地发现，在第一摩擦层和/或第二摩擦层的表面引入具有一定表面粗糙度的特殊形貌反而会提高输出功率。通过将金属材料在电解质溶液中进行阳极氧化而制备出纳米孔洞阵列，这种材料表面的物理改性方法能够大大地提高本发明的输出功率。

需要说明的是，柔性基底多次折叠形成的V型结构的数量视情况可变。所述第一电极层102、第一摩擦层103及第二电极层104在柔性基底101的V型结构中的位置是可变，即第一电极层101和绝缘层103可以位于第二电极层102上方或者下方，本发明人认为他们的相对位置对输出功率没有影响。

对上述制备的静电脉冲发电机施加400N的外力进行了开路电压和短路电流的测量，结果分别如图6和图7所示，图6和图7中的插图为对应测试结果的静电脉冲发电机与测量系统的连接示意图。从实验结果可以看到，静电脉冲发电机的开路电压可以达到约210伏，短路电流可以达到600微安。发电机的两电极层和测量系统的正负极的连接方式直接关系到测量电信号的正负性。

本发明人发现，外力的大小对本发明的多层集成的柔性静电脉冲发电机的输出功率产生影响。更大的外力将产生更大的接触面积和更有效的摩擦，从而提高接触电荷密度；当外力进一步较大时，由于接触面积达到极值，接触电荷密度不会进一步增加，多层集成的柔性静电脉冲发电机的输出达到极值。需要说明是，所述外力的大小对输出的影响是由绝缘薄膜层和第二电极层材料的选取所决定的，量化结果需要通过实验测得。

实施例四：

与本发明的静电脉冲发电机静电脉冲发电机相对应，本发明人还提出一种直流脉冲发电机，包括实施例一、二或三中所述的静电脉冲发电机和全桥整流器，参见图8，静电脉冲发电机200的两个输出端（即所有发电单元的第一电极层连接形成一个输出端，所有发电单元的第二电极层连接形成另一个输出端）与全桥整流器210的两个输入端连接，在全桥整流器210的输出端连接负载时，静电脉冲发电机200所输出的交流脉冲电流经过全桥整流器210以后能够被整流为直流脉冲电流提供给负载。实验证明，该直流脉冲发电机能够作为直流脉冲电源用于为锂电池、电容充电，或者为微型电子器件提供匹配的电源。

在本发明的直流静电脉冲发电机在实际工作当中，外加负载的电阻值对实际输出功率有很大的影响。随着负载电阻值的增大，负载两端的电压增大，通过负载的电流减小，而实际输出功率先增大后减小，并出现极大值。本发明人经过多次实验发现，输出功率极大值所对应的电阻值在兆欧量级，因此，本发明的直流脉冲发电机的负载的电阻值优选为兆欧量级，可以最大程度发挥直流脉冲发电机的功效。

需要说明的是，本文中使用的“输出功率”，是指脉冲电流的极大值和在负载两端形成的脉冲电压的极大值的乘积，即瞬时极大功率。

本发明的发电机的输出功率除了受到外界环境因素，包括外力的大小，外加负载的电阻值等影响外，还受到发电机本身的设计和制造，包括摩擦层和电极层材料的选择，以及各部分的尺寸大小，和摩擦层材料表面的物理和化学性质等的影响。

本实施例中的直流脉冲发电机输出的脉冲电流，还可以用来给储能元件充电，比如电容器或者锂离子电池等，而储存的电能能够用来为便携式小型电子设备提供电力，具有广泛的应用前景。

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 (19)

1.一种静电脉冲发电机，其特征在于，包括柔性基片和至少一个发电单元，其中：

所述柔性基片为蛇形弯折状层叠结构，任意相邻两层之间互相连接形成V型或U型凹陷结构；所述发电单元设置在所述凹陷结构内；

所述发电单元包括：面对面设置在所述凹陷结构内表面上的第一电极层和第二电极层；

接触设置在所述第一电极层上的第一摩擦层；接触设置在所述第二电极层上的第二摩擦层；所述第一摩擦层的上表面与第二摩擦层的上表面面对面设置，且所述第一摩擦层的上表面与第二摩擦层的上表面分离设置；

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上表面互相接触并发生表面电荷转移，撤去外力时，所述第一摩擦层和所述第二摩擦层分离。

2.根据权利要求1所述的静电脉冲发电机，其特征在于，所述蛇形弯折状层叠结构为两层，并且所述两层之间形成一个V型或U型凹陷结构。

3.根据权利要求1所述的静电脉冲发电机，其特征在于，所述蛇形弯折状层叠结构为三层以上结构，任意相邻两层基片之间形成V型或U型凹陷结构。

4.根据权利要求3所述的静电脉冲发电机，其特征在于，任意相邻两个所述V型或U型凹陷结构的开口方向相反。

5.根据权利要求1、3或4所述的静电脉冲发电机，其特征在于，在每个V型或U型的凹陷结构内均包括一个所述发电单元。

6.根据权利要求1-5任一项所述的静电脉冲发电机，其特征在于，所述发电单元的第一摩擦层与第二摩擦层的材料存在摩擦电极序差异。

7.根据权利要求6所述的静电脉冲发电机，其特征在于，所述第一摩擦层或第二摩擦层的材料选自导体、绝缘体或半导体材料。

8.根据权利要求6所述的静电脉冲发电机，其特征在于，所述第二摩擦层选自导电材料。

9.根据权利要求8所述的静电脉冲发电机，其特征在于，所述第二摩擦层代替所述第一导电层。

10.根据权利要求8或9所述的静电脉冲发电机，其特征在于，所述导电材料选自铝、钛和铜。

11.根据权利要求1-10任一项所述的静电脉冲发电机，其特征在于，所述发电单元的第一摩擦层的上表面和/或第二摩擦层的上表面包括微纳结构，所述微纳结构包括纳米线、纳米颗粒、纳米棒、纳米管、纳米花或纳米孔洞。

12.根据权利要求11所述的静电脉冲发电机，其特征在于，所述第一摩擦层的上表面上的所述纳米线、纳米棒、纳米管和/或纳米孔洞的轴向基本垂直与所述第一摩擦层；所述第二摩擦层的上表面上的所述纳米线、纳米棒、纳米管和/或纳米孔洞的轴向基本垂直与所述第二摩擦层。

13.根据权利要求11所述的静电脉冲发电机，其特征在于，所述发电单元中，所述第一摩擦层为厚度为25微米的聚四氟乙烯薄膜层；所述第二摩擦层为厚度为50微米的金属铝薄膜，所述第二摩擦层代替所述第二导电元件，并且所述第二摩擦层在面向所述第一摩擦层的表面包括直径为50纳米孔洞阵列，所述纳米孔洞的轴向基本垂直于所述第二摩擦层。

14.根据权利要求1-10任一项所述的静电脉冲发电机，其特征在于，所述第一摩擦层的上表面和/或第二摩擦层的上表面经过化学改性，在极性为负的表面引入易得电子的官能团，或者在极性为正的表面引入易失电子的官能团；或者，在极性为正的表面引入正电荷，在极性为负的表面引入负电荷。

15.根据权利要求1-10任一项所述的静电脉冲发电机，其特征在于，所述第一摩擦层的上表面和/或第二摩擦层的上表面经过化学改性，在极性为正的表面引入正电荷，或在极性为负的表面引入负电荷。

16.根据权利要求1-15任一项所述的静电脉冲发电机，其特征在于，所述柔性基片为弹性材料。

17.根据权利要求16所述的静电脉冲发电机，其特征在于，所述弹性材料选自聚酰亚胺薄膜、纸张、无机非金属材料和有机高分子材料或其组合，以及表面具有绝缘涂层的金属片。

18.一种直流脉冲发电机，其特征在于，包括权利要求1-16任一项所述的静电脉冲发电机和全桥整流器，所述脉冲发电机的发电单元的第一电极层和第二电极层分别与所述全桥整流器的输入端连接，所述全桥整流器的输出端为直流脉冲发电机的输出端。

19.根据权利要求18所述的直流脉冲发电机，其特征在于，所述直流脉冲发电机的负载的电阻值优选为兆欧量级。

Images