CN103368453B - 一种滑动摩擦纳米发电机及发电方法 - Google Patents

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：导电层、摩擦层和所述摩擦层下方接触放置的导电元件，所述摩擦层的上表面与所述导电层的下表面相对放置，所述摩擦层的上表面和所述导电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、同时摩擦面积在滑动过程中发生变化，并通过所述导电元件和导电层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，可以在导电元件和导电层之间形成交流脉冲信号输出。

Description

一种滑动摩擦纳米发电机及发电方法

技术领域

本发明涉及一种发电机及发电方法，特别涉及将施加外力的机械能转化为电能的滑动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

摩擦层，

所述摩擦层下方接触放置的导电元件，

和，导电层；

所述摩擦层的上表面与所述导电层的下表面相对放置；

所述摩擦层的上表面和所述导电层的下表面在外力的作用下发生相对滑动，并且产生与接触面相切的滑动摩擦、同时摩擦面积在滑动过程中发生变化，并通过所述导电元件和导电层向外电路输出电信号；

优选地，所述摩擦层的上表面材料和所述导电层的下表面材料之间有摩擦电极序差异；

优选地，所述摩擦层的上表面和所述导电层的下表面接触放置；

优选地，在没有外力作用时，所述摩擦层的上表面和所述导电层的下表面分离，在外力作用下，所述摩擦层的上表面和所述导电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，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；

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和Y₂O₃。

优选地，所述摩擦层上表面和/或导电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，所述摩擦层上表面和/或导电层的下表面有纳米材料的点缀或涂层；

优选地，所述摩擦层上表面和/或导电层的下表面经过化学改性，使得在在所述摩擦层的上表面材料引入容易得到电子的官能团和/或在所述导电层的下表面材料引入容易失去电子的官能团；

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，所述摩擦层上表面和/或导电层的下表面经过化学改性，使得在所述摩擦层的上表面材料引入负电荷和/或在所述导电层的下表面材料引入正电荷；

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，所述导电层为导电材料，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，所述导电元件选自金属和导电氧化物；

优选地，所述导电元件选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金；

优选地，所述导电元件、摩擦层和/或导电层为薄膜；

优选地，所述摩擦层、导电层和/或导电元件为硬质的；

优选地，所述摩擦层、导电层和/或导电元件为柔性的；

优选地，所述导电元件固定在摩擦层下表面；

优选地，通过沉积的方式在所述摩擦层下表面制备所述导电元件；

优选地，所述导电元件与摩擦层的尺寸和形状相同；

优选地，所述导电元件、摩擦层和导电层均为平面结构；

优选地，所述导电元件和摩擦层为曲面结构和/或所述导电层为曲面结构。

本发明还提供一种发电方法，其特征在于使用本发明中公开的任何发电机，包括如下步骤：

（1）提供所述摩擦层，

（2）形成与所述摩擦层下方接触放置的所述导电元件，

（3）提供所述导电层，

（4）使所述摩擦层的上表面与所述导电层的下表面接触，

（5）将所述导电元件和所述导电层与外电路进行电连接；

（6）施加外力使所述摩擦层和所述导电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摩擦层和所述导电层沿接触面方向发生错位、滑动摩擦面积发生变化；

（7）利用所述导电元件和所述导电层向外电路输出电信号；

优选地，步骤（4）中所述摩擦层的上表面和所述导电层的下表面完全接触；

优选地，步骤（6）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，可以在导电元件和导电层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和利用该发电机进行发电的方法具有下列优点：

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摩擦层和导电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、轻巧携带和高度兼容。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摩擦层和导电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。同时，本发明的发电机将容易失去电子的摩擦摩擦层与导电层合二为一，既能够满足发电机的工作要求，又简化了结构、节省了成本，非常有利于在实际生产中的推广应用。

4、用途广泛。通过对发电机中摩擦层的上表面和导电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为本发明实施例中摩擦纳米发电机在相对平均滑动速率为0.6米/秒下的短路电流输出图；

图6为本发明实施例中摩擦纳米发电机在相对平均滑动速率为0.6米/秒下通过全桥整流器的电流输出图。

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。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。

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：摩擦层10、与摩擦层10下表面接触放置的导电元件11、导电层20；摩擦层10的上表面与导电层20的下表面相接触；在外力的作用下，所述摩擦层10与导电层20的接触界面能够发生相对滑动，同时接触面积发生变化，从而通过导电元件11和导电层20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和发电方法进行说明。在有外力使摩擦层10的上表面与导电层20的下表面发生相对滑动摩擦时，由于摩擦层10的上表面材料与导电层20的下表面材料在摩擦电极序中存在差异，引发电子从导电层20在接触面直接转移到摩擦层10的上表面并被摩擦层10的表面所拥有（参见图2（a）），为了屏蔽由于错位而残留在摩擦层10和导电层20中表面电荷所形成的电场，导电元件11中的自由电子就会通过外电路流到导电层20上，从而产生一外电流（参见图2（b））。当反方向施加外力时，摩擦层10或导电层20的相对滑动错位消失，两导电元件恢复原状，导电层20中的电子流回导电元件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，摩擦层10和导电层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，通过控制摩擦层10和导电层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摩擦层10和导电层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，摩擦层10和导电层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，例如在摩擦层10的下表面和导电层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摩擦层10和导电层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，可以将摩擦层10和导电层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。

摩擦层10的上表面由绝缘材料构成，而导电层20的下表面由导电材料构成，二者具有不同的摩擦电特性，也就是二者在摩擦电极序中处于不同的位置，从而使得摩擦层10的上表面与导电层20的下表面在发生摩擦的过程中能够在表面产生接触电荷。常规的绝缘材料都具有摩擦电特性，在与导体摩擦后能够在表面产生负的表面电荷，因此可以作为制备本发明摩擦层10上表面的材料，此处列举一些常用的材料：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)或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、聚三氟氯乙烯、聚氯乙烯、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）。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物质供人们参考，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。

半导体材料也具有摩擦电特性，在摩擦电极序的列表中常位于绝缘体和导体之间，在与导体材料发生摩擦后能够在表面产生负的接触电荷。因此，半导体也可以作为制备摩擦层10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。

导电层20在发电机中不仅要提供用于摩擦发电的下表面，而且还起到电极的作用，需要在表面电荷所构成的电场不平衡时，能通过外电路传输电子。因此，导电层20需要由导电材料构成，一般的金属都可以选择。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，例如铟锡氧化物ITO和掺杂的半导体。

通过实验发现，当摩擦层10和导电层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摩擦层10和导电层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铜、铝、金、银和钢。

还可以对摩擦层10上表面和/或导电层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，以增加摩擦层10与导电层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。

也可以对相互接触的摩擦层10和/或导电层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摩擦层10和导电层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。

本发明并不限定摩擦层10和导电层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和导电层20的厚度对本发明的实施没有显著影响，本发明优选二者为薄膜，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。

导电元件11作为发电机的电极，只要具备能够导电的特性即可，可选自金属、铟锡氧化物或掺杂的半导体，可以为平板、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。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，优选金属薄膜，例如铝膜、金膜、铜膜。电极层最好与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。

导电元件11和导电层20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，可以在导电元件下表面和/或导电层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、导电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。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。

本发明并不限定导电元件、摩擦层和导电层必须均为平面结构，因为曲面结构也同样可以实现相对滑动摩擦，但是摩擦层和导电元件应同为平面或曲面结构，以保证二者的紧密接触。在此前提下，完全可以根据情况将导电元件和摩擦层设为曲面结构，而导电层则设为平面或曲面结构；当然，也可以采用相反的设置，即将导电层设为曲面结构，而导电元件和摩擦层为曲面或平面设计。

图3为本发明摩擦层和导电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所示的实施例摩擦层10的上表面相对较小，并且其上表面和导电层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。该实施例可用于因摩擦层10的上表面过小或摩擦层10与导电层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摩擦层10与导电层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导电层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所示的实施例在摩擦层10的上表面和导电层20的下表面分别设有微米级的线形结构12和22。在摩擦层10与导电层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。虽然在摩擦层10和导电层20的表面同时设置微结构的效果最好，但是显然仅在其中任意一个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摩擦层。

（2）在摩擦层10下表面形成与其接触放置的导电元件11，优选固定放置，例如通过沉积的方法将导电元件11直接固定在摩擦层10的下表面。

（3）根据前述原则选择合适的材料，并将其制备成尺寸和形状合适的导电层。

（4）将导电层20的下表面与摩擦层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导电层20和摩擦层10之间形成空隙，在电信号产生的过程中，导电层20和摩擦层10一直是接触状态。优选在初始状态，摩擦层10的上表面与导电层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。

（5）将导电元件11和导电层20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。

（6）对发电机施加外力，使摩擦层10和导电层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，使得摩擦层10和导电层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，必须要摩擦层10和导电层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。优选导电层20下表面和摩擦层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摩擦层10和导电层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摩擦层10和导电层20能自动恢原位的情况。例如，初始状态下摩擦层10的上表面和导电层20的下表面完全接触，并且在导电层20的一端连有绝缘弹簧，摩擦层10和其下表面的导电元件11保持位置固定，那么在导电层20的另一端施加外力使绝缘弹簧被逐渐拉伸、导电层20和摩擦层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，使得导电层20在绝缘弹簧的作用下逐渐恢复初始位置，导电层20和摩擦层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

导电元件采用厚度为100nm的金属铜薄膜层，摩擦层采用厚度为25微米的特氟龙（聚四氟乙烯）薄膜，导电层采用厚度为100nm的金属铝薄膜层，这些膜层的宏观尺寸为5cm×7cm。特氟龙薄膜和金属铝薄膜相对完全重叠的接触放置，通过上述摩擦纳米发电机的金属铝薄膜层和金属铜薄膜层引出导线后，在平均速率为0.6米/秒的相对滑动下，摩擦纳米发电机所产生的短路电流输出图见图5。将摩擦纳米发电机的输出端和全桥整流器相连，使摩擦纳米发电机产生的交流电流输出转化为直流电流输出，得到的电流输出见图6。可见，本发明的发电机能将周期性机械能的输入转化成电信号输出。

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，但实际上摩擦层均采用绝缘体也是完全可以实现的。

实施例2

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：

摩擦层，

所述摩擦层下方接触放置的导电元件，

和，导电层；

所述摩擦层的上表面与所述导电层的下表面相对放置；

所述摩擦层的上表面和所述导电层的下表面在外力的作用下发生相对滑动，并且产生与接触面相切的滑动摩擦、同时摩擦面积在滑动过程中发生变化，并通过所述导电元件和导电层向外电路输出电信号。

2.如权利要求1所述的发电机，其特征在于所述摩擦层的上表面材料和所述导电层的下表面材料之间存在摩擦电极序差异。

3.如权利要求1或2所述的发电机，其特征在于所述摩擦层的上表面和所述导电层的下表面接触放置。

4.如权利要求1或2所述的发电机，其特征在于在没有外力作用时，所述摩擦层的上表面和所述导电层的下表面分离，在外力作用下，所述摩擦层的上表面和所述导电层的下表面接触并发生与接触面相切的相对滑动摩擦。

5.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绝缘材料或半导体材料。

6.如权利要求5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。

7.如权利要求5所述的发电机，其特征在于所述半导体材料选自非掺杂的以下材料：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、有机半导体。

8.如权利要求7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。

9.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和Y₂O₃。

10.如权利要求1-2和6-8中任一项所述的发电机，其特征在于，所述摩擦层上表面和/或导电层的下表面分布有微米或次微米量级的微结构。

11.如权利要求10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。

12.如权利要求1-2、6-8和11中任一项所述的发电机，其特征在于，所述摩擦层上表面和/或导电层的下表面有纳米材料的点缀或涂层。

13.如权利要求1-2、6-8和11中任一项所述的发电机，其特征在于，所述摩擦层上表面和/或导电层的下表面经过化学改性，使得在所述摩擦层的上表面材料引入容易得到电子的官能团和/或在所述导电层的下表面材料引入容易失去电子的官能团。

14.如权利要求13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。

15.如权利要求1-2、6-8、11和14中任一项所述的发电机，其特征在于，所述摩擦层上表面和/或导电层的下表面经过化学改性，使得在所述摩擦层的上表面材料引入负电荷和/或在所述导电层的下表面材料引入正电荷。

16.如权利要求15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。

17.如权利要求1-2、6-8、11、14和16中任一项所述的发电机，其特征在于，所述导电层由导电材料制成，其中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、铬或硒，以及由上述金属形成的合金。

19.如权利要求1-2、6-8、11、14、16和18中任一项所述的发电机，其特征在于，所述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、铬或硒，以及由上述金属形成的合金。

21.如权利要求1-2、6-8、11、14、16、18和20中任一项所述的发电机，其特征在于所述导电元件、摩擦层和/或导电层为薄膜。

22.如权利要求1-2、6-8、11、14、16、18和20中任一项所述的发电机，其特征在于所述摩擦层、导电层和/或导电元件为硬质的。

23.如权利要求1-2、6-8、11、14、16、18和20中任一项所述的发电机，其特征在于所述摩擦层、导电层和/或导电元件为柔性的。

24.如权利要求1-2、6-8、11、14、16、18和20中任一项所述的发电机，其特征在于所述导电元件固定在摩擦层下表面。

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下表面制备所述导电元件。

26.如权利要求1-2、6-8、11、14、16、18、20和25中任一项所述的发电机，其特征在于所述导电元件与摩擦层的尺寸和形状相同。

27.如权利要求1-2、6-8、11、14、16、18、20和25中任一项所述的发电机，其特征在于所述导电元件、摩擦层和导电层均为平面结构。

28.如权利要求1-2、6-8、11、14、16、18、20和25中任一项所述的发电机，其特征在于所述导电元件和摩擦层为曲面结构和/或所述导电层为曲面结构。

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)提供所述摩擦层，

(2)形成与所述摩擦层下方接触放置的所述导电元件，

(3)提供所述导电层，

(4)使所述摩擦层的上表面与所述导电层的下表面接触，

(5)将所述导电元件和所述导电层与外电路进行电连接；

(6)施加外力使所述摩擦层和所述导电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摩擦层和所述导电层沿接触面方向发生错位、滑动摩擦面积发生变化；

(7)利用所述导电元件和所述导电层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(4)中所述摩擦层的上表面和所述导电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(6)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。