CN103780120B - 柔性纳米摩擦发电机的制备方法及该摩擦发电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种柔性纳米摩擦发电机的制备方法及该摩擦发电机。该方法包括：（1）制备高分子聚合物膜，将高分子聚合物浆料涂覆于模板表面，在模板表面形成聚合物液体膜，其中所述模板是经过表面粗糙化处理的模板；干燥，分离，得到表面带有微纳凹凸结构的高分子聚合物膜；（2）制备柔性纳米摩擦发电机，将所述高分子聚合物膜用作第一高分子聚合物层，依次层叠设置第一电极、第一高分子聚合物层、第二高分子聚合物层和第二电极，制成柔性纳米摩擦发电机；所述第一电极和第二电极为摩擦发电机电压和电流输出电极。本发明制备方法简单，工艺重复性强，所得柔性纳米摩擦发电机能够利用摩擦产生感应电场，从而完成自供电。

Description

柔性纳米摩擦发电机的制备方法及该摩擦发电机

技术领域

本发明涉及一种摩擦发电机及其制备方法，尤其是涉及一种柔性纳米摩擦发电机及其制备方法。

背景技术

随着现代生活水平不断提高，生活节奏不断加快，出现了应用方便、对环境依赖度低的自发电设备。现有的自发电设备通常利用材料的压电特性。例如2006年，美国佐治亚理工学院教授王中林等成功地在纳米尺度范围内将机械能转换成电能，研制出世界上最小的发电机-纳米发电机。纳米发电机的基本原理是：当纳米线（NWs）在外力下动态拉伸时，纳米线中生成压电电势，相应瞬变电流在两端流动以平衡费米能级。

物体和物体之间相互进行摩擦，就会使一方带上负电，另一方带上正电，由于物体间摩擦产生的电叫摩擦电。摩擦电是自然界最常见的现象之一，但是因为很难收集利用而被忽略。如果能够将摩擦电应用到自发电设备中，势必会给人们的生活带来更多的便利。

发明内容

本发明解决的技术问题是克服以往纳米摩擦发电机摩擦凹凸面通过光刻等方法制备时制备工艺复杂、成本高的缺陷，提供一种柔性纳米摩擦发电机的制备方法，制备方法简单，工艺重复性强，所得柔性纳米摩擦发电机能够利用摩擦产生感应电场，从而完成自供电。

本发明采用表面带有纳米至微米级凸起的模板制备高分子聚合物膜，使得高分子聚合物膜表面带有凹凸结构，且该凹凸结构的凸起高度容易调节控制。将该高分子层聚合物膜应用于柔性纳米摩擦发电机，所得柔性纳米摩擦发电机性能稳定，应用范围宽。

为了解决上述技术问题，本发明提供的第一技术方案是，一种柔性纳米摩擦发电机的制备方法，该方法包括：

（1）制备表面粗糙化处理的高分子聚合物膜

将高分子聚合物浆料涂覆于模板表面，在模板表面形成聚合物液体膜，其中所述模板是经过表面粗糙化处理的模板；干燥，分离，得到表面带有微纳凹凸结构的高分子聚合物膜；

（2）制备柔性纳米摩擦发电机

将所述高分子聚合物膜用作第一高分子聚合物层，依次层叠设置第一电极、第一高分子聚合物层、第二高分子聚合物层和第二电极，制成柔性纳米摩擦发电机；所述第一电极和第二电极为摩擦发电机电压和电流输出电极。

前述的柔性纳米摩擦发电机的制备方法，所述模板是砂纸，优选8000-12000目（粒径1-1.5μm，美国标准）砂纸。

前述的柔性纳米摩擦发电机的制备方法，步骤（1）中，所述表面粗糙化处理是将金属板采用砂纸打磨，直至得到表面粗糙度Rz为2~15的金属板。

前述的柔性纳米摩擦发电机的制备方法，步骤（1）中，所述表面粗糙化处理是将硅片或玻璃用强酸溶液或强碱溶液浸泡，直至得到表面粗糙度Rz为2~15的硅片或玻璃。

前述的柔性纳米摩擦发电机的制备方法，所述高分子聚合物是聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚醋酸乙烯酯（PVA）、聚丙烯酰胺（PAN）或聚偏氟乙烯（PVDF）。

前述的柔性纳米摩擦发电机的制备方法，步骤（1）中，所述干燥是将表面形成有聚合物液体膜的模板在50-80℃下干燥处理3-5小时。

本发明提供的第二技术方案是，一种柔性纳米摩擦发电机的制备方法，该方法包括：

（1）制备表面粗糙化处理的高分子聚合物膜

将高分子聚合物膜用粒径2.6-75μm(200-5000目，美国标准)的砂纸打磨，直至得到表面带有微纳凹凸结构的高分子聚合物膜；

（2）制备柔性纳米摩擦发电机

将所述高分子聚合物膜用作第一高分子聚合物层，依次层叠设置第一电极、第一高分子聚合物层、第二高分子聚合物层和第二电极，制成柔性纳米摩擦发电机；所述第一电极和第二电极为摩擦发电机电压和电流输出电极。

前述的柔性纳米摩擦发电机的制备方法，所述步骤（1）中高分子聚合物是聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚醋酸乙烯酯（PVA）、聚丙烯酰胺（PAN）或聚偏氟乙烯（PVDF）。

前述的柔性纳米摩擦发电机的制备方法，所述步骤（1）所得高分子聚合物膜的表面粗糙度Rz=0.5~15。

本发明提供的第三技术方案是，采用上述任一项方法制备的柔性纳米摩擦发电机，所述柔性纳米摩擦发电机包括依次层叠设置的第一电极、第一高分子聚合物层、第二高分子聚合物层和第二电极。

前述的柔性纳米摩擦发电机，所述第一电极和第二电极分别独立的选自导电胶、铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金，其中金属是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒；合金是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。

前述的柔性纳米摩擦发电机，所述第二高分子聚合物层所用材料与第一高分子聚合物层不同，选自聚酰亚胺薄膜、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、纤维（再生）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、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚异丁烯薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚缩聚物薄膜、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、丙烯腈氯乙烯共聚物薄膜、聚乙烯吡咯烷酮中的任意一种。

前述的柔性纳米摩擦发电机，所述第二高分子聚合物层所用材料是聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚乙烯醇（PVA）或聚乙烯吡咯烷酮（PVP）。

本发明采用表面带有纳米至微米级凸起的模板制备高分子聚合物膜，使得高分子聚合物膜表面带有凹凸结构。将该高分子层聚合物膜应用于柔性纳米摩擦发电机，所得柔性纳米摩擦发电机性能稳定，应用范围宽。

附图说明

图1为本发明方法制备的柔性纳米摩擦发电机的剖面示意图。

具体实施方式

为充分了解本发明之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本发明做详细说明。

本发明是一种柔性纳米摩擦发电机的制备方法，采用经过表面粗糙化处理的模板制备高分子聚合物膜，使得高分子聚合物膜表面带有凹凸结构。将该高分子层聚合物膜应用于柔性纳米摩擦发电机，所得柔性纳米摩擦发电机性能稳定，应用范围宽。

一种柔性纳米摩擦发电机的制备方法，该方法包括：

（1）制备高分子聚合物膜

将高分子聚合物浆料涂覆于模板表面，在模板表面形成聚合物液体膜，其中所述模板是经过表面粗糙化处理的模板；干燥，分离，得到表面带有微纳凹凸结构的高分子聚合物膜；

（2）制备柔性纳米摩擦发电机

将所述高分子聚合物膜用作第一高分子聚合物层，依次层叠设置第一电极、第一高分子聚合物层、第二高分子聚合物层和第二电极，制成柔性纳米摩擦发电机；所述第一电极和第二电极为摩擦发电机电压和电流输出电极。

在一个具体实施方式中，所述模板是砂纸，优选8000-12000目（粒径1-1.5μm）砂纸。具体的柔性纳米摩擦发电机的制备方法为：

（1）模板制作

选用8000-2000目（粒径1-1.5μm）砂纸作为模板，该砂纸可以市购也可以采用常规方法将粒径1-1.5μm的砂粒喷涂制成。

（2）制备高分子聚合物膜

将高分子聚合物浆料涂覆于模板表面，在模板表面形成聚合物液体膜；干燥，分离，得到表面带有微纳凹凸结构的高分子聚合物膜。

本实施方式中高分子聚合物是聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚醋酸乙烯酯（PVA）、聚丙烯酰胺（PVDF）或聚偏氟乙烯（PVDF）。具体的，采用有机溶剂如二甲基乙酰胺（DMAC），二甲基亚砜（DMSO），二甲基甲酰胺（DMF）和丙酮等将高分子聚合物进行溶解，制成高分子聚合物浆料。然后将所得浆料涂覆于模板表面，用旋转涂覆的方式将模板表面多余的浆料去掉，形成一层薄薄的聚合物液体膜。将整个模板在50-80℃下干燥处理3-5小时，之后一层均匀的具有微纳凹凸结构的高分子聚合物膜就可以从模板上剥离。

（3）制备柔性纳米摩擦发电机

将所述高分子聚合物膜用作第一高分子聚合物层，依次层叠设置第一电极、第一高分子聚合物层、第二高分子聚合物层和第二电极，制成柔性纳米摩擦发电机。

在一个实施例中，如图1所示，所述高分子聚合物膜用作第一高分子聚合物层2，柔性纳米摩擦发电机的结构是依次层叠设置的第一电极1，第一高分子聚合物层2，以及第二高分子聚合物层3和第二电极4；第一高分子聚合物层2带有微纳凹凸结构（图未示）的面朝向第二高分子聚合物层3设置。所述第一电极1和第二电极4为摩擦发电机电压和电流输出电极。

第一电极1和第二电极4均可以是导电胶、铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金，其中金属是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒；合金是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。例如将导电胶粘合到第一高分子聚合物层2不带微纳凹凸结构的表面上，形成第一电极1-第一高分子聚合物层2的层叠体。例如，在第一高分子聚合物层3的一个表面上采用常规射频溅镀的方法设置ITO层，用作第二电极4。

第二高分子聚合物层3所用材料与第一高分子聚合物层2不同，选自聚酰亚胺薄膜、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、纤维（再生）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、甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、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、甲醛苯酚薄膜、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、丙烯腈氯乙烯薄膜中的任意一种；优选的选自聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚乙烯醇（PVA）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）。第二高分子聚合物层3相对第一高分子聚合物层2的表面上优选设有微纳凹凸结构（图未示）。该微纳凹凸结构为纳米级至微米级的凹凸结构，优选凸起高度100μm-500μm的凹凸结构。将第二高分子聚合物层3层叠放置到第一高分子聚合物层2带有微纳凹凸结构的表面上，然后将第二电极4设置在第二高分子聚合物层3层上，得到柔性摩擦发电机。

在另一个具体实施方式中，所述模板是砂纸打磨得到的表面粗糙度Rz为2~15（优选5）的金属板。在本发明中Rz的计算方法为:在取样长度内5个最大的轮廓峰高的平均值与5个最大的轮廓谷深的平均只值之和。本实施方式的柔性纳米摩擦发电机的制备方法为：

（1）模板制作

将金属板采用砂纸打磨，直至得到表面粗糙度Rz为2~15（优选5）的金属板，该金属板作为模板待用。所用砂纸根据金属板凹凸结构的需求进行选择，例如8000-2000目的砂纸。

（2）制备高分子聚合物膜

将高分子聚合物浆料涂覆于模板表面，在模板表面形成聚合物液体膜；干燥，分离，得到表面带有微纳凹凸结构的高分子聚合物膜。

本实施方式中高分子聚合物是聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚醋酸乙烯酯（PVA）、聚丙烯酰胺（PVDF）或聚偏氟乙烯（PVDF）。本实施方式与采用砂纸模板制作高分子聚合物膜的方法相同，具体的，采用有机溶剂如二甲基乙酰胺（DMAC），二甲基亚砜（DMSO），二甲基甲酰胺（DMF）和丙酮等将高分子聚合物进行溶解，制成高分子聚合物浆料。然后将所得浆料涂覆于模板表面，用旋转涂覆的方式将模板表面多余的浆料去掉，形成一层薄薄的聚合物液体膜。将整个模板在50-80℃下干燥处理3-5小时，之后一层均匀的具有微纳凹凸结构的高分子聚合物膜就可以从模板上剥离。

与直接采用砂纸作为模板相比，采用经过砂纸打磨后的金属板（二次模板）作为模板，由于金属板表面的粗糙度容易控制和调节，例如可以形成1-50μm的摩擦毛，从而使得所得高分子聚合物膜表面的凹凸结构尺寸可控。

（3）制备柔性纳米摩擦发电机

将所述高分子聚合物膜用作第一高分子聚合物层，依次层叠设置第一电极、第一高分子聚合物层、和第二高分子聚合物层和第二电极，制成柔性纳米摩擦发电机。

在一个实施例中，如图1所示，所述高分子聚合物膜用作第一高分子聚合物层2，柔性纳米摩擦发电机的结构是依次层叠设置的第一电极1，第一高分子聚合物层2，第二高分子聚合物层3和第二电极4；第一高分子聚合物层2带有微纳凹凸结构（图未示）的面朝向第二高分子聚合物层3设置。所述第一电极1和第二电极4为摩擦发电机电压和电流输出电极。

第一电极1和第二电极4均可以是导电胶、铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金，其中金属是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒；合金是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。例如将导电胶粘合到第一高分子聚合物层2不带微纳凹凸结构的表面上，形成第一电极1-第一高分子聚合物层2的层叠体。例如，在第一高分子聚合物层3的一个表面上采用常规射频溅镀的方法设置ITO层，用作第二电极4。

第二高分子聚合物层3所用材料与第一高分子聚合物层2不同，选自聚酰亚胺薄膜、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、纤维（再生）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、聚甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、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、甲醛苯酚薄膜、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、丙烯腈氯乙烯薄膜中的任意一种；优选的选自聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚乙烯醇（PVA）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）。第二高分子聚合物层3的厚度是100μm-500μm。第二高分子聚合物层3相对第一高分子聚合物层2的表面上优选设有微纳凹凸结构（图未示）。该微纳凹凸结构为纳米级至微米级的凹凸结构，优选凸起高度100μm-500μm的凹凸结构。将第二高分子聚合物层3层叠放置到第一高分子聚合物层2带有微纳凹凸结构的表面上，然后将第二电极4设置在第二高分子聚合物层3层上，得到柔性摩擦发电机。

在又一个具体实施方式中，所述模板是表面粗糙度Rz为2~15的硅片或玻璃。具体的柔性纳米摩擦发电机的制备方法为：

（1）模板制作

将硅片或玻璃用或强碱溶液浸泡，直至得到表面粗糙度Rz为2~15的硅片或玻璃。

强酸溶液可以是浓硫酸、氢氟酸等强酸溶液，例如浓度0.5-1.5mol/l（优选1mol/l）的氢氟酸；强碱溶液可以是氢氧化钠、氢氧化钾等强碱溶液，例如浓度0.5-1.5mol/l（优选1mol/l）的氢氧化钠溶液。

（2）制备高分子聚合物膜

将高分子聚合物浆料涂覆于模板表面，在模板表面形成聚合物液体膜；干燥，分离，得到表面带有微纳凹凸结构的高分子聚合物膜。

本实施方式中高分子聚合物是聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚醋酸乙烯酯（PVA）、聚丙烯酰胺（PAN）或聚偏氟乙烯（PVDF）。本实施方式与采用砂纸模板制作高分子聚合物膜的方法相同，具体的，采用有机溶剂如二甲基乙酰胺（DMAC），二甲基亚砜（DMSO），二甲基甲酰胺（DMF）和丙酮等将高分子聚合物进行溶解，制成高分子聚合物浆料。然后将所得浆料涂覆于模板表面，用旋转涂覆的方式将模板表面多余的浆料去掉，形成一层薄薄的聚合物液体膜。将整个模板在50-80℃下干燥处理3-5小时，之后一层均匀的具有微纳凹凸结构的高分子聚合物膜就可以从模板上剥离。

（3）制备柔性纳米摩擦发电机

将所述高分子聚合物膜用作第一高分子聚合物层，依次层叠设置第一电极、第一高分子聚合物层、和摩擦电极层，制成柔性纳米摩擦发电机。

在一个实施例中，如图1所示，所述高分子聚合物膜用作第一高分子聚合物层2，柔性纳米摩擦发电机的结构是依次层叠设置的第一电极1，第一高分子聚合物层2，第二高分子聚合物层3和第二电极4；第一高分子聚合物层2带有微纳凹凸结构（图未示）的面朝向第二高分子聚合物层3设置。所述第一电极1和第二电极4为摩擦发电机电压和电流输出电极。

第一电极1和第二电极4均可以是导电胶、铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金，其中金属是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒；合金是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。例如将导电胶粘合到第一高分子聚合物层2不带微纳凹凸结构的表面上，形成第一电极1-第一高分子聚合物层2的层叠体。例如，在第一高分子聚合物层3的一个表面上采用常规射频溅镀的方法设置ITO层，用作第二电极4。

第二高分子聚合物层3所用材料与第一高分子聚合物层2不同，选自聚酰亚胺薄膜、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、纤维（再生）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、甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、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、甲醛苯酚薄膜、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、丙烯腈氯乙烯薄膜中的任意一种；优选的选自聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚乙烯醇（PVA）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）。第二高分子聚合物层3相对第一高分子聚合物层2的表面上优选设有微纳凹凸结构（图未示）。该微纳凹凸结构为纳米级至微米级的凹凸结构，优选凸起高度100μm-500μm的凹凸结构。将第二高分子聚合物层3层叠放置到第一高分子聚合物层2带有微纳凹凸结构的表面上，然后将第二电极4设置在第二高分子聚合物层3层上，得到柔性摩擦发电机。

一种柔性纳米摩擦发电机的制备方法，该方法包括：

（1）制备表面粗糙化处理的高分子聚合物膜

将高分子聚合物膜用2.6-75μm(200-5000目，美国标准)的砂纸打磨，直至得到表面带有微纳凹凸结构的高分子聚合物膜；

高分子聚合物是聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚醋酸乙烯酯（PVA）、聚丙烯酰胺（PAN）或聚偏氟乙烯（PVDF）。所得高分子聚合物膜的表面粗糙度Rz=0.5~15。

（2）制备柔性纳米摩擦发电机

将所述高分子聚合物膜用作第一高分子聚合物层，依次层叠设置第一电极、第一高分子聚合物层、第二高分子聚合物层和第二电极，制成柔性纳米摩擦发电机；所述第一电极和第二电极为摩擦发电机电压和电流输出电极。

在一个实施例中，如图1所示，所述高分子聚合物膜用作第一高分子聚合物层2，柔性纳米摩擦发电机的结构是依次层叠设置的第一电极1，第一高分子聚合物层2，以及第二高分子聚合物层3和第二电极4；第一高分子聚合物层2带有微纳凹凸结构（图未示）的面朝向第二高分子聚合物层3设置。所述第一电极1和第二电极4为摩擦发电机电压和电流输出电极。

第一电极1和第二电极4均可以是导电胶、铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金，其中金属是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒；合金是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。例如将导电胶粘合到第一高分子聚合物层2不带微纳凹凸结构的表面上，形成第一电极1-第一高分子聚合物层2的层叠体。例如，在第一高分子聚合物层3的一个表面上采用常规射频溅镀的方法设置ITO层，用作第二电极4。

第二高分子聚合物层3所用材料与第一高分子聚合物层2不同，选自聚酰亚胺薄膜、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、纤维（再生）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、甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、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、甲醛苯酚薄膜、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、丙烯腈氯乙烯薄膜中的任意一种；优选的选自聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚乙烯醇（PVA）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）。第二高分子聚合物层3相对第一高分子聚合物层2的表面上优选设有微纳凹凸结构（图未示）。该微纳凹凸结构为纳米级至微米级的凹凸结构，优选凸起高度100μm-500μm的凹凸结构。将第二高分子聚合物层3层叠放置到第一高分子聚合物层2带有微纳凹凸结构的表面上，然后将第二电极4设置在第二高分子聚合物层3层上，得到柔性摩擦发电机。

下面详细介绍上述的摩擦发电机的发电原理。当本发明的摩擦发电机的各层向下弯曲时，由于存在的微纳凹凸结构，摩擦发电机中的高分子聚合物层表面间相互摩擦产生静电荷，静电荷的产生会使第一电极和第二电极之间的电容发生改变，从而导致第一电极和第二电极之间出现电势差。由于第一电极和第二电极之间电势差的存在，自由电子将通过外电路由电势低的一侧流向电势高的一侧，从而在外电路中形成电流。当本发明的摩擦发电机的各层恢复到原来状态时，这时形成在第一电极和第二电极之间的内电势消失，此时已平衡的第一电极和第二电极之间将再次产生反向的电势差，则自由电子通过外电路形成反向电流。通过反复摩擦和恢复，就可以在外电路中形成周期性的交流电信号。

下面通过具体的实施例来阐述本发明的方法的实施，本领域技术人员应当理解的是，这不应被理解为对本发明权利要求范围的限制。

实施例1

本实施例柔性纳米摩擦发电机尺寸为4.5cm×1.2cm，总厚度大约是320μm。该柔性纳米摩擦发电机包括依次层叠设置的第一电极1，第一高分子聚合物层2，第二高分子聚合物层3和第二电极4。该柔性纳米摩擦发电机的制备方法如下：

（1）模板制作

选用10000目（粒径1.3μm）砂纸作为模板。

（2）制备高分子聚合物膜

将聚二甲基硅氧烷用有机溶剂DMAC进行溶解，得到聚二甲基硅氧烷浆料。然后将所得浆料涂覆于模板表面，用刮膜或旋转涂覆的方式将模板表面多余的浆料去掉，形成一层薄薄的聚二甲基硅氧烷液体膜。将整个模板在65℃下干燥处理4小时，之后一层均匀的高分子聚合物膜就可以从模板上剥离。该聚二甲基硅氧烷膜厚度为50μm，表面凹凸结构的凸起高度为15μm。

（3）制备柔性纳米摩擦发电机

将聚二甲基硅氧烷膜作为第一高分子聚合物层2。在其不带凹凸结构的表面上镀厚度100nm的铝薄膜（第一电极1）。

采用厚度200μm的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）作为第二高分子聚合物层3，采用射频溅射的方法在聚对苯二甲酸乙二醇酯的一个表面上设置厚度100nm的铟锡氧化物（ITO）导电薄膜，该铟锡氧化物（ITO）导电薄膜即为第二电极4。

按照第二高分子聚合物层3朝向第一高分子聚合物层2的具有微纳凹凸结构的表面，将第二高分子聚合物层3叠放到第一高分子聚合物层2上，得到摩擦发电机1#。该摩擦发电机的边缘用普通胶布密封。

摩擦发电机1#在I-V（电流-电压）的测量中表现出典型的开路特征。使用周期振荡（0.33Hz和0.3%的形变）的步进电机使摩擦发电机1#发生周期的弯曲和释放，摩擦发电机1#的最大输出电压和电流信号分别达到了15V和6μA。

实施例2

本实施例柔性纳米摩擦发电机尺寸为4.5cm×1.2cm，总厚度大约是380μm。该柔性纳米摩擦发电机包括依次层叠设置的第一电极1，第一高分子聚合物层2，第二高分子聚合物层3和第二电极4。该柔性纳米摩擦发电机的制备方法如下：

将聚甲基丙烯酸甲酯高分子聚合物膜表面用1000目（粒径13μm）砂纸进行打磨。该聚甲基丙烯酸甲酯膜厚度为120μm，表面凹凸结构的凸起高度为30μm。

将聚甲基丙烯酸甲酯膜作为第一高分子聚合物层2。在其不带凹凸结构的表面上粘附厚度100nm的导电胶（南通矽利康橡塑材料有限公司，型号:C-001）。该导电胶层即为第一电极1。

采用厚度200μm的聚乙烯醇（PVA）作为第二高分子聚合物层3，采用射频溅射的方法在聚乙烯醇（PVA）的一个表面上设置厚度100nm的铟锡氧化物（ITO）导电薄膜，该铟锡氧化物（ITO）导电薄膜即为第二电极4。

按照第二高分子聚合物层3朝向第一高分子聚合物层2的具有微纳凹凸结构的表面，将第二高分子聚合物层3叠放到第一高分子聚合物层2上，得到摩擦发电机2#。该摩擦发电机的边缘用普通胶布密封。

使用周期振荡（0.33Hz和0.3%的形变）的步进电机使摩擦发电机2#发生周期的弯曲和释放，摩擦发电机2#的最大输出电压和电流信号分别达到了20V和8μA。

实施例3

本实施例柔性纳米摩擦发电机尺寸为4.5cm×1.2cm，总厚度大约是350μm。该柔性纳米摩擦发电机包括依次层叠设置的第一电极1，第一高分子聚合物层2，第二高分子聚合物层3和第二电极4。该柔性纳米摩擦发电机的制备方法如下：

（1）模板制作

将铝箔采用砂纸打磨，直至表面粗糙度Rz=8。

（2）制备高分子聚合物膜

将聚丙烯酰胺用有机溶剂DMSO进行溶解，得到聚丙烯酰胺浆料。然后将所得浆料涂覆于模板表面，用旋转涂覆的方式将模板表面多余的浆料去掉，形成一层薄薄的聚丙烯酰胺液体膜。将整个模板在50℃下干燥处理8小时，之后一层均匀的高分子聚合物膜就可以从模板上剥离。该聚丙烯酰胺膜厚度为80μm，表面凹凸结构的凸起高度为25μm。

（3）制备柔性纳米摩擦发电机

将聚丙烯酰胺膜作为第一高分子聚合物层2。在其不带凹凸结构的表面上粘附厚度100nm的导电胶（南通矽利康橡塑材料有限公司，型号:C-001）。该导电胶层即为第一电极1。

采用厚度200μm的聚乙烯醇（PVA）作为第二高分子聚合物层3，采用射频溅射的方法在聚乙烯醇的一个表面上设置厚度100nm的铟锡氧化物（ITO）导电薄膜，该铟锡氧化物（ITO）导电薄膜即为第二电极4。

按照第二高分子聚合物层3朝向第一高分子聚合物层2的具有微纳凹凸结构的表面，将第二高分子聚合物层3叠放到第一高分子聚合物层2上，得到摩擦发电机3#。该摩擦发电机的边缘用普通胶布密封。

使用周期振荡（0.33Hz和0.3%的形变）的步进电机使摩擦发电机3#发生周期的弯曲和释放，摩擦发电机3#的最大输出电压和电流信号分别达到了12V和5μA。

实施例4砂纸打磨金属板作为模板

本实施例柔性纳米摩擦发电机尺寸为4.5cm×1.2cm，总厚度大约是420μm。该柔性纳米摩擦发电机包括依次层叠设置的第一电极1，第一高分子聚合物层2，第二高分子聚合物层3和第二电极4。该柔性纳米摩擦发电机的制备方法如下：

（1）模板制作

将铝箔采用砂纸打磨，直至表面粗糙度Rz=15。

（2）制备高分子聚合物膜

将聚丙烯酰胺用有机溶剂DMSO进行溶解，得到聚丙烯酰胺浆料。然后将所得浆料涂覆于模板表面，用旋转涂覆的方式将模板表面多余的浆料去掉，形成一层薄薄的聚丙烯酰胺液体膜。将整个模板在50℃下干燥处理8小时，之后一层均匀的高分子聚合物膜就可以从模板上剥离。该聚丙烯酰胺膜厚度为200μm，表面凹凸结构的凸起高度为25μm。

（3）制备柔性纳米摩擦发电机

采用厚度200μm的聚乙烯醇（PVA）作为第二高分子聚合物层3，采用射频溅射的方法在聚乙烯醇的一个表面上设置厚度100nm的铟锡氧化物（ITO）导电薄膜，该铟锡氧化物（ITO）导电薄膜即为第二电极4。

按照第二高分子聚合物层3朝向第一高分子聚合物层2的具有微纳凹凸结构的表面，将第二高分子聚合物层3叠放到第一高分子聚合物层2上，得到摩擦发电机4#。该摩擦发电机的边缘用普通胶布密封。

使用周期振荡（0.33Hz和0.3%的形变）的步进电机使摩擦发电机4#发生周期的弯曲和释放，摩擦发电机4#的最大输出电压和电流信号分别达到了5V和6μA。

实施例5氢氟酸腐蚀硅片作为模板

本实施例柔性纳米摩擦发电机尺寸为4.5cm×1.2cm，总厚度大约是350μm。该柔性纳米摩擦发电机包括依次层叠设置的第一电极1，第一高分子聚合物层2，第二高分子聚合物层3和第二电极4。该柔性纳米摩擦发电机的制备方法如下：

（1）模板制作

将硅片用浓度1mol/l的氢氟酸溶液浸泡，直至表面粗糙度Rz=2。

（2）制备高分子聚合物膜

将聚醋酸乙烯酯用采用有机溶剂丙酮进行溶解，得到聚醋酸乙烯酯浆料。然后将所得浆料涂覆于模板表面，用旋转涂覆的方式将模板表面多余的浆料去掉，形成一层薄薄的聚醋酸乙烯酯液体膜。将整个模板在65℃下干燥处理4小时，之后一层均匀的高分子聚合物膜就可以从模板上剥离。该聚醋酸乙烯酯膜厚度为25μm，表面凹凸结构的凸起高度为2微米。

（3）制备柔性纳米摩擦发电机

将聚醋酸乙烯酯膜作为第一高分子聚合物层2。在其不带凹凸结构的表面上镀厚度100nm的铝薄膜。该铝薄膜即为第一电极1。

采用厚度200μm的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作为第二高分子聚合物层3，采用射频溅射的方法在聚乙烯吡咯烷酮薄膜的一个表面上设置厚度100nm的铟锡氧化物（ITO）导电薄膜，该铟锡氧化物（ITO）导电薄膜即为第二电极4。

按照第二高分子聚合物层3朝向第一高分子聚合物层2的具有微纳凹凸结构的表面，将第二高分子聚合物层3叠放到第一高分子聚合物层2上，得到摩擦发电机5#。该摩擦发电机的边缘用普通胶布密封。

使用周期振荡（0.33Hz和0.3%的形变）的步进电机使摩擦发电机5#发生周期的弯曲和释放，摩擦发电机5#的最大输出电压和电流信号分别达到了28V和6μA。

实施例6氢氧化钠腐蚀玻璃作为模板

本实施例柔性纳米摩擦发电机尺寸为4.5cm×1.2cm，总厚度大约是280μm。该柔性纳米摩擦发电机包括依次层叠设置的第一电极1，第一高分子聚合物层2，第二高分子聚合物层3和第二电极4。该柔性纳米摩擦发电机的制备方法如下：

（1）模板制作

将普通玻璃用浓度1mol/l的氢氧化钠溶液浸泡，直至表面粗糙度Rz=15。

（2）制备高分子聚合物膜

将聚丙烯酰胺用有机溶剂丙酮进行溶解，得到聚丙烯酰胺浆料。然后将所得浆料涂覆于模板表面，用旋转涂覆的方式将模板表面多余的浆料去掉，形成一层薄薄的聚丙烯酰胺液体膜。将整个模板在65℃下干燥处理4小时，之后一层均匀的高分子聚合物膜就可以从模板上剥离。该聚丙烯酰胺膜厚度为180μm，表面凹凸结构的凸起高度为20μm。

（3）制备柔性纳米摩擦发电机

将聚丙烯酰胺膜作为第一高分子聚合物层2。在其不带凹凸结构的表面上镀厚度100nm的铝薄膜。该铝薄膜即为第一电极1。

采用厚度200μm的聚乙烯吡咯烷酮薄膜作为第二高分子聚合物层3，采用射频溅射的方法在聚乙烯吡咯烷酮薄膜的一个表面上设置厚度100nm的铟锡氧化物（ITO）导电薄膜，该铟锡氧化物（ITO）导电薄膜即为第二电极4。

按照第二高分子聚合物层3朝向第一高分子聚合物层2的具有微纳凹凸结构的表面，将第二高分子聚合物层3叠放到第一高分子聚合物层2上，得到摩擦发电机6#。该摩擦发电机的边缘用普通胶布密封。

使用周期振荡（0.33Hz和0.3%的形变）的步进电机使摩擦发电机6#发生周期的弯曲和释放，摩擦发电机6#的最大输出电压和电流信号分别达到了8V和9μA。

本发明的摩擦发电机可以应用到各种自驱动系统如触摸屏，电子显示器，以及其它个人电子产品中具有潜在的应用价值领域中，其具有生产成本低、发电效率高的效果。

上述方案包含首选实施例和备案时发明人所知的该项发明的最佳模式时，上述实施例只作为说明性例子给出。对该说明中揭露的特定实施例的许多异化，不偏离该项发明的精神和范围的话，将是容易鉴别的。因此，该项发明的范围将通过所附的权利要求确定，而不限于上面特别描述的实施例。

Claims (12)

1.一种柔性纳米摩擦发电机的制备方法，该方法包括：

(1)制备表面粗糙化处理的高分子聚合物膜

将高分子聚合物浆料涂覆于模板表面，在模板表面形成聚合物液体膜，其中所述模板是经过表面粗糙化处理的模板；干燥，分离，得到表面带有微纳凹凸结构的高分子聚合物膜；

(2)制备柔性纳米摩擦发电机

将所述高分子聚合物膜用作第一高分子聚合物层，依次层叠设置第一电极、第一高分子聚合物层、第二高分子聚合物层和第二电极，制成柔性纳米摩擦发电机；所述第一电极和第二电极为摩擦发电机电压和电流输出电极；

其中，所述模板是砂纸，或者是采用砂纸打磨的金属板，或者是用强酸溶液或强碱溶液浸泡的硅片或玻璃。

2.根据权利要求1所述的柔性纳米摩擦发电机的制备方法，其特征在于所述模板是粒径1-1.5μm的砂纸。

3.根据权利要求1所述的柔性纳米摩擦发电机的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述经过表面粗糙化处理的模板是将金属板采用砂纸打磨，直至得到表面粗糙度Rz为2～15的金属板。

4.根据权利要求3所述的柔性纳米摩擦发电机的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述经过表面粗糙化处理的模板是将金属板采用砂纸打磨，直至得到表面粗糙度Rz为8-15的金属板。

5.根据权利要求1所述的柔性纳米摩擦发电机的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述经过表面粗糙化处理的模板是将硅片或玻璃用强酸溶液或强碱溶液浸泡，直至得到表面粗糙度Rz为2～15的硅片或玻璃。

6.根据权利要求1-5任一项所述的柔性纳米摩擦发电机的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中高分子聚合物是聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚醋酸乙烯酯(PVA)、聚丙烯酰胺(PAN)或聚偏氟乙烯(PVDF)。

7.根据权利要求1-5任一项所述的柔性纳米摩擦发电机的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述干燥是将表面形成有聚合物液体膜的模板在50-80℃下干燥处理3-5小时。

8.根据权利要求6所述的柔性纳米摩擦发电机的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述干燥是将表面形成有聚合物液体膜的模板在50-80℃下干燥处理3-5小时。

9.采用如权利要求1-8任一项方法制备的柔性纳米摩擦发电机，其特征在于，所述柔性纳米摩擦发电机包括依次层叠设置的第一电极、第一高分子聚合物层、第二高分子聚合物层和第二电极，其中第一高分子聚合物层的高分子聚合物膜的表面粗糙度Rz＝0.5～15。

10.根据权利要求9所述的柔性纳米摩擦发电机，其特征在于，所述第一电极和第二电极分别独立的选自导电胶、铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金，其中金属是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨或钒；合金是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。

11.根据权利要求9或10所述的柔性纳米摩擦发电机，其特征在于，所述第二高分子聚合物层所用材料与第一高分子聚合物层不同，选自聚酰亚胺薄膜、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、纤维海绵薄膜、再生海绵薄膜、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、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚异丁烯薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚缩聚物薄膜、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、丙烯腈氯乙烯共聚物薄膜、聚乙烯吡咯烷酮中的任意一种。

12.根据权利要求11所述的柔性纳米摩擦发电机，其特征在于，所述第二高分子聚合物层所用材料是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯醇(PVA)或聚乙烯吡咯烷酮(PVP)。