CN103780132A - 一种脉冲摩擦发电机和摩擦发电方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种脉冲摩擦发电机和发电方法，发电机包括上表面接触设置第一电极层的第一摩擦层、下表面接触设置第二电极层的第二摩擦层以及接触式开关，第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面接触后分离开设定距离后，通过接触式开关闭合使第一电极层与第二电极层导通，在第一电极层与第二电极层之间输出脉冲电信号后接触式开关断开；然后，第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面再次接触时或接触后，通过接触式开关闭合使第一电极层与第二电极层再次导通，在第一电极层与第二电极层之间输出脉冲电信号后接触式开关再次断开，如此反复第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面离开和接触，将施加在发电机上的机械能转变为脉冲电信号输出。

Description

一种脉冲摩擦发电机和摩擦发电方法

技术领域

本发明涉及一种发电机，特别是涉及将机械能转化为瞬时高功率脉冲的摩擦发电机以及发电方法。

背景技术

机械能是广泛存在的能量形式，包括海浪、风能、各种运动物体的动能，以及人体活动如步行、跑动、跳动等形式。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发电机，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。摩擦发电机是最近发明的一种新型的将机械能转化为电能的方式。但是，摩擦发电机存在输出电流和输出功率小的缺点。

发明内容

本发明涉及一种利用摩擦发电机将机械能转化为瞬时大功率的电学脉冲的新方法，能够为电子器件提供大功率脉冲电源。

为实现上述目的，本方法提供一种脉冲摩擦发电机，包括：

第一基板；所述第一基板下表面设置的第一电极层；所述第一电极层下表面接触设置的第一摩擦层；

第二基板；所述第二基板上表面设置的第二电极层；所述第二电极层上表面接触设置的第二摩擦层；

接触式开关，所述接触式开关包括触头和固定设置的两个接触端，其中，所述触头与所述第一电极层连通，并且能够跟随所述第一基板运动；所述两个接触端都与所述第二电极层连通；当所述触头与所述两个接触端中任何一个接触时，所述接触式开关闭合；

第一连接件，所述第一连接件使所述第一摩擦层与所述第二摩擦层面对面设置，并且在外力作用下能够使所述第一基板与第二基板之间的距离改变过程中，所述第一摩擦层下表面与所述第二摩擦层上表面能够接触和分离；

其中，所述触头与第一接触端接触时，所述第一摩擦层与第二摩擦层处于分离状态；所述触头与第二接触端接触时，所述第一摩擦层的下表面与第二摩擦层上表面接触；所述接触式开关闭合时，所述第一电极层与所述触头之间和/或第二电极层与所述接触端之间有脉冲电信号输出。

优选的，在所述接触式开关的触头的可移动距离不小于所述两个接触端之间的设定距离。

优选的，所述接触式开关的触头的可移动距离等于所述两个接触端之间的设定距离。

优选的，所述第一连接件为弹性连接件，所述第一连接件连接在所述第一基板与第二基板之间，或者所述第一连接件固定在所述第一摩擦层与第二摩擦层之间。

优选的，所述接触式开关的两个接触端通过开关支架固定在所述第二基板上。

优选的，所述发电机还包括弹性的第二连接件和第三基板，其中，所述第一连接件为弹性连接件，

所述第一基板与第三基板分别位于所述第二基板的上方和下方；

所述第二连接件连接在所述第二基板与所述第三基板之间，使所述第二基板的下表面与所述第三基板的上表面相对设置；

所述第一连接件连接在所述第一基板与所述第三基板或第二基板之间，使所述第一摩擦层与所述第二摩擦层相对设置。

优选的，所述接触式开关的两个接触端通过开关支架固定在所述第三基板的上表面。

优选的，所述接触式开关的触头的可移动距离大于所述两个接触端之间的设定距离，并且在所述第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面接触后所述触头才能与第二接触端接触。

优选的，所述接触式开关的触头的可移动距离等于两个接触端之间的设定距离，并且，当第一基板下表面与第二基板上表面之间的距离最大时，所述触头与第一接触端接触；第二基板下表面与第三基板上表面的距离最小时，所述触头与第二接触端接触。

优选的，所述第一摩擦层和所述第二摩擦层的材料之间存在摩擦电极序差异。

优选的，所述第一摩擦层和所述第二摩擦层为绝缘材料，所述绝缘材料选自苯胺甲醛树脂、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、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚双酚A碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚（2,6-二甲基聚亚苯基氧化物）、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。

优选的，所述第一摩擦层或第二摩擦层的绝缘材料可由金属或半导体材料替换；所述金属材料选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金；所述半导体材料选自SnO₂，ZnO，TiO₂，In₂O₃，ZnS，ZnSe，ZnTe，GaN，Se，CdS，CdSe，CdTe，Si，Ge，PbS，InGaAs，PbSe，InSb、PbTe，HgCdTe，PbSn，HgS，HgSe和HgTe。

优选的，所述第一摩擦层的下表面和/或第二摩擦层的上表面的全部或部分具有纳米或微米尺度的微结构或者纳米材料的点缀或涂层。所述微结构选自纳米线、纳米棒、纳米管、纳米锥、纳米颗粒、纳米沟槽、微米线、微米棒、微米管、微米锥、微米颗粒和微米沟槽。

优选的，所述第一摩擦层的下表面和/或第二摩擦层的上表面经过化学改性，其中，

在摩擦电极序相对为正的材料表面引入更易失电子的官能团，或者在摩擦电极序相对为负的材料表面引入更易得电子的官能团；

或者，在极性为正的材料表面引入正电荷，在极性为负的材料表面引入负电荷。

优选的，所述第一摩擦层和/或第二摩擦层的厚度为100nm-5mm。

优选的，所述第一摩擦层下表面与所述第二摩擦层上表面形状相同或互补。

优选的，所述第一电极层和所述第二电极层的导电材料选自金属、合金、导电氧化物或有机物导体；其中，所述金属选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒；所述合金选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒形成的合金、不锈钢。

优选的，所示第一基板采用导电材料代替所述第一电极层；

和/或，所述第二基板采用导电材料代替所述第二电极层。

优选的，所述触头、或所述两个接触端的材料选自金属或合金；所述金属选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒；所述合金选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒形成的合金、不锈钢。

优选的，所述触头为触片，所述两个接触端均为触片或触点；

或者，所述触头为撞针，所述两个接触端均为触片。

优选的，所述触片具有弹性。

优选的，所述第一基板、第二基板、第三基板或开关支架为绝缘材料。

优选的，所述第一摩擦层、第一电极层、第二摩擦层、第二电极层、第一基板或第二基板为柔性材料或弹性材料。

优选的，所述两个接触端之间的设定距离为5mm到20mm。

相应的，本发明还提供一种摩擦发电方法，包括步骤：

提供上表面接触设置第一电极层的第一摩擦层，提供下表面接触设置第二电极层的第二摩擦层；

所述第一摩擦层的下表面与所述第二摩擦层的上表面接触；

第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面离开设定距离后，第一电极层与第二电极层导通；在第一电极层与第二电极层之间向外输出第一脉冲电信号后第一电极层与第二电极层断开；

第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面的距离缩小直至再次接触后，第一电极层与第二电极层再次导通，在第一电极层与第二电极层之间向外输出第二脉冲电信号后第一电极层与第二电极层再次断开；

重复上述第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面离开和接触的步骤。

与现有技术相比，本发明的摩擦摩擦发电机具有下列有益效果：

1、在使用相同的第一摩擦层和第二摩擦层材料的情况下，由于接触式开关的接入，可以极大地提高输出电流和输出功率，扩展了摩擦发电机在大电流、大功率方面的应用。

2、本发明的发电机在更宽的输出负载范围内，输出电压保持恒定，瞬时输出电流和瞬时输出功率与负载电阻成反比。输出特性与负载电阻之间的明确关系，为调控发电机的输出特性提供了简单、有效的途径。

3、本发明的发电机结构简单，制备方法简单，对材料无特殊要求，可以将海浪、风能、机械设备以及人体运动等产生的机械能转变为电能，具有广泛的实际用途。可以用第一电极层直接作为第一摩擦层材料，进一步简化发电机的结构。采用导电的第一基板或第二基板，可以代替第一电极层和第二电极层，能够简化发电机的结构。

4、可以在摩擦层表面进行微、纳米结构修饰或者进行表面化学改性，提高发电机的电学输出特性。另外，与全桥整流器结合可以将输出的交流电信号转变为单向脉冲信号，不仅可以作为脉冲电源直接应用于电化学等领域，还可以为电容器或者锂离子电池充电，也可以为各种小型便携式电子器件提供所需电源。

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-图3为本发明发电机一个实施例的结构示意图；

图4和图5为本发明发电机包括第二连接件实施例的结构示意图；

图6为第一连接件连接在第一基板上表面时发电机的结构示意图；

图7为本发明发电机的发电原理示意图；

图8为一个摩擦层采用导电材料的发电机结构示意图；

图9为第一基板和第二基板采用导电材料的发电机结构示意图；

图10和图11为本发明发电机中不同结构接触式开关的结构示意图；

图12为第一摩擦层的SiO₂纳米颗粒层的扫描电镜图片；

图13为发电机的开路电压测量结果；

图14为发电机在1MΩ负载电阻下的输出电流曲线；

图15为发电机的瞬时最大输出电压随负载的变化曲线；

图16为发电机的瞬时最大输出电流随负载的变化曲线；

图17为发电机的瞬时最大输出功率随负载的变化曲线;

图18为发电机的电流衰减时间常数随负载的变化曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施示例中的附图，对本发明实施示例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施示例仅是本发明一部分实施示例，而不是全部的实施示例。基于本发明中的实施示例，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示例，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，在详述本发明实施示例时，为便于说明，所述示意图只是示例，不应限制本发明保护的范围。

本发明基于发电机自身的运动使接触式开关产生“断开”和“闭合”两个不同的状态，对电流的产生起到控制所用；使得接触式开关闭合时，在两个电极层之间产生一个瞬时的大电流、大功率的电学脉冲。

下面结合附图详细介绍本发明脉冲摩擦发电机的具体结构。

图1是脉冲摩擦发电机的在静止时的典型结构，包括：第一基板101，第一基板101下表面设置的第一电极层102，与第一电极层102下表面接触设置的第一摩擦层103；第二基板201，第二发电层支架201上表面设置的第二电极层202，与第二电极层202上表面接触设置的第二摩擦层203；触头301与固定设置的两个接触端302和303构成的接触式开关，其中，触头301与第一电极层102连通，并且能够跟随第一基板101运动，两个接触端302和303都与第二电极层202连通；当触头301与接触端302或接触端303其中任何一个接触端发生接触时，接触式开关闭合；第一连接件401，使第一摩擦层103与第二摩擦层203面对面设置，并且在外力作用下能够使第一基板101与第二基板201之间的距离改变过程中，第一摩擦层103下表面与第二摩擦层203上表面能够接触和分离。其中，触头301与第一接触端302接触时，第一摩擦层103与第二摩擦层203处于分离状态；触头301与第二接触端303接触时，第一摩擦层103的下表面与第二摩擦层203的上表面接触。当接触式开关闭合时，第一电极层102与触头301之间和/或第二电极层202与接触端302（或303）之间有脉冲电信号输出。

本发明中，接触式开关的两个接触端302和303的固定有多种方式，在这里不做特别限定，只需要满足两个接触端的距离能够使触头301与接触端302和303分别接触即可，例如，可以采用图1中将两个接触端固定在开关支架304的方式进行固定，开关支架可以与第二基板201固定在一起。在其他实施例中开关支架也可以不与第二基板201固定在一起，参见图5。优选的，触头301与第一基板101固定在一起，可以使触头301与第一基板同步运动。接触式开关的触头301可以通过导线与第一电极层102连通，两个接触端302和303可以通过导线与第二电极层202连通。接触式开关的结构有多种选择，触头可以为触片或者撞针，接触端可以为触片或者触点。触头301或两个接触端302和303的材料可以选自金属或合金；所述金属选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒；所述合金选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒形成的合金、不锈钢。

第一连接件401的作用为使第一摩擦层103的下表面与第二摩擦层203的上表面面对面设置，并且在静止状态下使第一摩擦层103下表面与第二摩擦层203上表面保持一定距离；在受到外力作用时可以使第一摩擦层103的下表面与第二摩擦层203的上表面互相接触和分离。因此第一连接件401可以连接在第一基板101与第二基板201之间，也可以连接在第一摩擦层与第二摩擦层之间，具体的，第一连接件可以连接在第一基板的下表面与第二基板的上表面，或者连接在第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面。第一连接件与发电机其他部件的连接位置可以根据发电机的具体使用情况有多种选择，第一连接件与其他部件的连接方式可以为粘贴或者夹持等多种方式，因此，其具体连接位置和连接方式不应成为限制本发明保护范围的因素。

第一连接件401可以采用弹性材料或者弹性结构，当外力作用在第一基板或第二基板上时，第一连接件被压缩，使第一摩擦层103的下表面与第二摩擦层203的上表面接触，撤去所述外力时，由于第一连接件的弹性回复作用使第一摩擦层103的下表面与第二摩擦层203的上表面分离。在第一基板101未受到外力作用的自然状态时，第一弹性连接件401不发生形变，触头301的位置至少不低于第一接触端302，如图1所示，在自然状态时触头301与第一接触端302接触；或者自然状态时触头301的位置较高（高于第一接触端302的位置），在外力或者是弹性的第一连接件401作用下，第一基板101向着第二基板201运动，使触头301与第一接触端302接触（形成图1所示的状态），此时接触式开关闭合，第一电极层102与第二电极层202联通。当第一基板101受到向下的作用力时，弹性的第一连接件401受到压缩，使第一基板101连同第一电极层102和第一摩擦层103向下运动，如图2所示，此时，触头301和第一接触端302分开，不与两个接触端（第一接触端302和第二接触端303）中的任何一个接触端发生接触，使第一电极层102和第二电极层202断开，此时发电机处于断路状态。当第一基板101连同第一电极层102和第一摩擦层103继续向下运动，第一摩擦层103的下表面和第二摩擦层203的上表面发生接触时，如图3所示，此时接触式开关闭合，第一电极层102与第二电极层202联通。当作用在第一基板101上的力撤回时，弹性的第一连接件401的压缩量逐渐减小，使发电机依次经过图2和图1所示的状态，并最终回到未受到外力作用的自然状态。鉴于第一连接件401在发电机中的作用，所述触头301的可移动距离不小于所述两个接触端302和303之间的设定距离。优选的，所述触头301的可移动距离等于所述两个接触端302和303之间的设定距离，也就是，当第一基板下表面与第二基板上表面之间的距离最大时，触头301与第一接触端302接触，第一基板下表面与第二基板上表面之间的距离最小时，触头301与第二接触端303接触。两个接触端302和303之间的设定距离可以为5mm到20mm。相应的，第一摩擦层103的下表面与第二摩擦层上表面之间的距离可以为5mm到30mm。

可以在发电机的第一电极层102与接触式开关之间（或者在第二电极层202与接触式开关之间）作为发电机的输出端连接需要供电的负载（在本申请的所有附图中均未画出所述负载），在发电机的往复运动过程中，发电机的电学输出受到接触开关的控制。当接触式开关断开时，发电机处于断路状态，负载上没有电流产生；当接触式开关闭合的瞬间，发电机处于闭路状态，并产生瞬时的大功率输出。

本发明的脉冲摩擦发电机利用了具有不同摩擦电极序的摩擦层材料接触时发生表面电荷转移的原理。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“摩擦电荷”或“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。

本发明的发电机中，第一摩擦层103和第二摩擦层203需要满足：第一摩擦层103的材料与第二摩擦层203的材料存在摩擦电极序差异。

图1所示的发电机，在第一摩擦层103的下表面与第二摩擦层203的上表面接触的同时，触头301与第二接触端303接触，并且第一摩擦层103与第二摩擦层203分开的同时触头301与第二接触端303也分开，即第一摩擦层与第二摩擦层的接触与分开，与触头301与第二接触端303的接触和分开同时发生。在其他实施例中，还可以在第二基板201的下表面增加一个第二连接件，参见图4，在图1所示的发电机基础上还包括第三基板402和弹性的第二连接件403，第一基板101与第三基板402分别位于第二基板201的上方和下方，第二连接件403连接在第二基板201的下表面与第三基板402的上表面之间，使第二基板201的下表面与第三基板402的上表面相对设置；第二连接件403的作用是使第二基板201下表面与第三基板402上表面在静止时保持一定距离，在受到外力作用时第二基板201的下表面与第三基板402的上表面距离缩小甚至接触。第一连接件401可以连接在第一基板101与第三基板402之间，并且使第一摩擦层103与第二摩擦层203相对设置，如图4所示，也可以连接在第一基板101的下表面与第二基板201的上表面之间，如图1-图3中所示。开关支架304可以连接在第三基板402的上表面，也可以不与开关支架连接在一起。弹性的第二连接件403的作用在于，可以在第一摩擦层103与第二摩擦层203接触后（见图5），第一基板101继续向下运动使第二连接件被压缩，才能使触头301与第二接触端303接触；同样，撤去外力时，在第二连接件弹性回复作用下，触头301与第二接触端303分开后，第一摩擦层103与第二摩擦层203才分开，即第一摩擦层与第二摩擦层的接触与分开，不与触头301与第二接触端303的接触和分开同时发生。鉴于第一连接件401与第二连接件403在发电机中的作用，接触式开关的触头301的可移动距离不小于两个接触端302和303之间的设定距离，并且在第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面接触后触头301才能与第二接触端303接触。优选的，所述触头301的可移动距离等于两个接触端302和303之间的设定距离，当第一基板下表面与第二基板上表面之间的距离最大时，触头301与第一接触端302接触，第二基板下表面与第三基板上表面的距离最小时，触头301与第二接触端303接触。同样的，两个接触端302和303之间的设定距离可以为5mm到20mm。相应的，第一摩擦层103的下表面与第二摩擦层上表面之间的距离可以为5mm到30mm。

在其他实施例中，第一连接件401件的一端可以连接在第一基板101的上表面上，另一端与其他装置连接，通过其他装置的运动来控制第一基板的运动，参见图6所示，通过控制第一连接件401来调节第一摩擦层103与第二摩擦层203的距离。

下面以图5所示的发电机结构为例，其中在未受外力的自然状态时接触式开关的触头301正好与第一接触端302接触，介绍本发明的发电机的工作原理。图6是接触开关式脉冲摩擦机的发电工作原理示意图。最初，当发电机受到向下的作用力时，第一基板101向下运动，触头301和第一接触端302、第二接触端303断开，如图7a所示。此时，由于第一摩擦层103与第二摩擦层203之间还没有发生接触，在两个摩擦层的表面还没有产生接触电荷。当第一摩擦层103与第二摩擦层203接触时，在两个摩擦层的表面产生接触电荷。在本发明的所有示例中，设定第一摩擦层103的材料处于摩擦序列表的更正的位置，第二摩擦层203的材料处于摩擦序列表的更负的位置。因此，当第一摩擦层103下表面与第二摩擦层203上表面接触时，第一摩擦层103的下表面产生正的接触电荷，第二摩擦层203的上表面产生负的接触电荷。此时，由于正、负接触电荷在垂直方向上没有分离，因此在远离摩擦层接触面的位置，正负电荷所产生的电场相互抵消，第一电极层102和第二电极层202之间没有产生电势差。因此，当触头301和第二接触端303接触时，在第一电极层102和第二电极层202之间没有电流流过，如图7b所示。当外力撤回时，第一摩擦层103和第二摩擦层203发生分离，在第一电极层102和第二电极层202之间产生电势差。在本发明的所有示例中，我们将第二电极层202的电位设为零，将第一电极层102的电位设为输出电位。因此，在正、负接触电荷的作用下，在第一电极层102上产生正的电势。但是，此时触头301不与第一接触端302和第二接触端303发生接触，发电机处于断开状态，因此，不能在第一电极层102和第二电极层202之间产生电流，如图7c所示。随着正、负接触电荷分开距离的增大，第一电极层102的电势随之增大。当弹性的第一连接件401恢复到未压缩状态时，触头301和第一接触端302发生接触，因此发电机从断路状态瞬间转变为闭合状态，如图7d所示。由于在第一电极层102上存在正的电势，因此，电子从第二电极层202流向第一电极层102（图中箭头方向），在第一电极层102上产生负的诱导电荷，在第二电极层202上产生正的诱导电荷，在此过程中，发电机输出正的电流脉冲。当发电机再次受到向下的作用力时，第一基板101向下运动，当第一摩擦层103的下表面和第二摩擦层203的上表面接触时，正、负接触电荷产生的电势相互抵消，在正、负诱导电荷的作用下，在第一电极层102上产生负电势。但是，此时触头301还没有与第二接触端303接触，电路仍处于断开状态，因此，诱导电荷不能在第一电极层102和第二电极层202之间流动，仍然停留在电极层上，如图7e所示。随着第二连接件被压缩同时第二基板201继续向下运动，最终使第二基板201的下表面与第三基板402的上表面发生接触，并使触头301和第二接触端303发生接触，使第一电极层102和第二电极层202连通，使发电机由开路状态瞬间转变为闭路状态。此时，在第一电极层102的负电势的驱动下，第一电极层102的负的诱导电荷流向第二电极层202（图中箭头方向），并与第二电极层202上的正的诱导电荷相互抵消，最终使第一电极层的电势变为零。在此过程中产生瞬时的负电流，如图7f所示。到此，发电机完成了一个发电周期。随着周期性外力的作用，发电机沿着图7c-7f所示的循环过程产生瞬时的脉冲电流输出。

绝缘体材料，例如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103、第二摩擦层203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。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。

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。因此，半导体和金属也可以作为制备第一摩擦层103或第二摩擦层203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，因此以下列出的半导体材料均可作为本发明中的第一摩擦层或者第二摩擦层的材料：SnO₂，ZnO，TiO₂，In₂O₃，ZnS，ZnSe，ZnTe，GaN，Se，CdS，CdSe，CdTe，Si，Ge，PbS，InGaAs，PbSe，InSb、PbTe，HgCdTe，PbSn，HgS，HgSe，HgTe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。

通过实验发现，当第一摩擦层103与第二摩擦层203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103、第二摩擦层203，以获得更好的输出效果。

本发明的第一摩擦层103、第二摩擦层203的厚度无特别要求，本发明优选摩擦层为薄膜，厚度为10nm-5mm，优选10nm-1mm，更优选100nm-500μm。

本发明的发电机中，还可以对第一摩擦层103的下表面和/或第二摩擦层203的上表面进行物理改性，使其全部或部分表面具有微米或亚微米量级的微结构或者纳米材料的点缀或涂层，以增强第一摩擦层103与第二摩擦层203之间的接触面积。所述微结构可以选自纳米线、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。优选为在第一摩擦层103的下表面、第二摩擦层203的上表面包括上述微、纳米结构形成的阵列。

另外，还可以在第一摩擦层103的下表面和/或第二摩擦层203的上表面进行化学改性，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摩擦的第一摩擦层和第二摩擦层，在摩擦电极序相对为正的材料表面引入更易失电子的官能团（即强给电子团），或者在摩擦电极序相对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接触时的转移量，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。

另外一种方法是对于相互摩擦的第一摩擦摩擦层和第二摩擦层，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，可以在聚二甲基硅氧烷PDMS摩擦层表面利用溶胶-凝胶的方法修饰上正硅酸乙酯（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或电极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。

优选的，第一摩擦层103和第二摩擦层203选择弹性材料或柔性材料，可以增加受到外力作用时的接触面积。同样，第一电极层102、第二电极层202、第一基板103或第二基板203也可以为弹性材料或者柔性材料，使本发明的发电机成为一个柔性器件。对于第一连接件连接在第一摩擦层与第二摩擦层之间的情况，特别是第一连接件连接在第一摩擦层下表面与第二摩擦层上表面之间的情况，优选第一摩擦层、第一电极层、第二摩擦层和第二电极层为弹性或柔性材料。

尽管附图中所示的发电机结构中，第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面均为平面，实际中第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面可以为曲面或者不平整的凹凸结构表面，优选的，第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面形状相同或互补，使得在有外力施加时，第一摩擦层下表面与所述第二摩擦层上表面完全接触。

第一电极层102和第二电极层202是两个导电元件，只要具备能够导电的特性即可，可以选择常用的电极材料，例如金属、合金、导电氧化物或有机物导体等，其中，金属选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒等，更优选为金属薄膜，例如铝膜、金膜、铜膜等；合金选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒形成的合金、不锈钢等。常用的导电氧化物包括铟锡氧化物ITO、离子掺杂型的半导体和导电有机物。电极层最好与相应的摩擦层的表面紧密接触，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薄膜，厚度可以为10nm-1mm，优选为100nm-500μm；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。实际中，本领域的技术人员可以根据各摩擦层材料的选择，确定相应电极层材料以及制备方法的选择，以确保电极层与相应的摩擦层（例如第一电极层102和第一摩擦层103）的良好电接触。具体电极层材料的选择不作为限定本发明保护范围的条件。

本发明中，第一基板与第二基板为第一电极层与第二电极层提供支撑的部件，因此，第一基板和第二基板的材料选择无特殊要求，可以为导体、绝缘体或半导体，例如铝板或硅片。第一基板和第二基板可以为柔性基板也可以为硬性基板，例如橡胶或玻璃板。第一电极层与第一基板之间，以及第二电极层与第二基板之间的固定可以采用常规的粘贴等固定方式。

对于只起支撑和固定作用的第一基板101、第二基板201和第三基板402、以及开关支架其材料选择无特别要求，优选为绝缘材料，可以选自玻璃，有机玻璃，聚乙烯板材或聚氯乙烯等绝缘材料。

本发明的发电机结构简单，制备方法简单，对材料无特殊要求，在实际使用中，只需进行简单的固定和封装，即可应用在收集海浪、风能、机械和人体的运动等产生的机械能，具有广泛的实际用途。

第一摩擦层或第二摩擦层可以采用导电材料制备，这样可以同时起到电极层和摩擦层的作用，第一摩擦层或第二摩擦层替换第一电极层或第二电极层。图8是本实施例发电机的第一摩擦层采用导电材料的结构示意图，包括：第一基板111，在第一基板111下表面设置的由导电材料组成的第一摩擦层112；第二基板201，在第二基板201上表面设置的第二电极层202，与第二电极层202上表面接触设置的第二摩擦层203；第三基板402，与第三基板402上表面相连的开关支架304；连接第一基板111和第三基板402的弹性的第一连接件401，连接第二基板201和第三基板402的弹性的第二连接件403；与第一基板111右侧固定相连的触头301采用触片，与开关支架304左侧相连的第一接触端302和第二接触端303均采用触片；第一摩擦层112与触头301之间通过导线连接，第二电极层202、第一接触端302和第二接触端303之间通过导线连接。当触头301与第一接触端302或第二接触端303其中任何一个触片发生接触时，第一摩擦层112与第二电极层202联通；当触头301不与第一接触端302和第二接触端303中的任何一个触片发生接触时，第一摩擦层112和第二电极层202断开。在静止状态下（无外力作用时）弹性的第一连接件401使第一摩擦层112下表面与第二摩擦层203上表面保持一定距离；弹性的第二连接件403使第二基板201下表面与第三基板402上表面在静止时保持一定距离。在第一基板111未受到外力作用时，第一连接件401不发生形变，此时触头301与第一接触端302发生接触，使第一摩擦层112和第二电极层202处于连通状态。当第二连接件403完全压缩时，此时触头301与第二接触端303发生接触，使第一摩擦层112和第二电极层202处于连通状态。以上描述的是第一摩擦层采用导电材料、第二摩擦层采用非导电材料的发电机结构，对于第一摩擦层采用非导电材料、第二摩擦层采用导电材料的发电机结构相似，这里不再复述。

本实施示例中，除了第一摩擦层或第二摩擦层需要使用导电材料外，发电机各部分的材料选择与实施示例一中的相同，在这里不再复述。同时，导电的第一摩擦层或第二摩擦层同时起到了第一电极层或第二电极层的作用。在发电机的往复运动中，接触式开关的接触方式、发电机的发电原理与前述内容相同，这里不再复述。

另外，本发明的发电机还可以采用导电材料制作第一基板和/或第二基板，基板可以同时起到电极层的作用，采用导电材料的第一基板代替第一电极层，和/或采用导电材料的第二基板代替第二电极层，进而简化发电机的结构。图9是本实施例发电机的结构示意图。在本实施例中，发电机的结构包括：由导电材料制作的第一基板121，与第一基板121下表面接触设置的第一摩擦层122；由导电材料制作的第二基板221，与第二基板221上表面接触设置的第二摩擦层222；第三基板402，与第三基板402上表面相连的开关支架304；连接第一基板121和第三基板402的弹性的第一连接件401，连接第二基板221和第三基板402的弹性的第二连接件403；与第一基板121右侧固定相连的触头301，与开关支架304左侧相连的第一接触端302和第二接触端303；第二基板221、第一接触端302和第二接触端303之间通过导线连接。当触头301与第一接触端302和第二接触端303其中任何一个接触端发生接触时，第一基板121与第二基板221联通；当触头不与第一接触端302和第二接触端303中的任何一个触片发生接触时，第一基板121和第二基板221断开。在静止状态下弹性的第一连接件401使第一摩擦层122下表面与第二摩擦层222上表面保持一定距离；弹性的第二连接件402使第二发电层支架221下表面与底座层301上表面在静止时保持一定距离。在第一基板121未受到外力作用时，弹性的第一连接件401不发生形变，此时触头301与第一接触端302发生接触，使第一基板121和第二基板221处于连通状态。当弹性的第二连接件402完全压缩时，此时触头301与第二接触端303发生接触，使第一基板121和第二基板221处于联通状态。导电的第一基板或第二基板可以采用Cu板、Al片等材料。

本实施示例中，除了第一基板121和第二基板221需要使用导电材料外，发电机各部分的材料选择与实施示例一中的相同，在这里不再复述。同时，导电的基板121和221同时起到了图1和图4所示发电机中第一电极层102和第二电极层202的作用。在发电机的往复运动中，接触式开关的接触方式、发电机的发电原理与示例一相同，不再复述。

第三基板为连接第二基板的第二连接件提供支撑的部件，对其材料选择无特殊要求，可以为导体、绝缘体或半导体。开关支架为固定接触式开关的两个接触端的部件，其材料选择选择无特殊要求，可以为导体、绝缘体或半导体，当然，对于开关支架与第二基板或第三基板固定在一起的情况，如果第二基板或第三基板的材料为导电材料，则开关支架的材料优选为绝缘体材料，两个接触端之间可以通过导线或者导电薄膜等进行连接。

第一连接件和第二连接件优选为弹性结构，例如弹簧或者弹片等。第一连接件或第二连接件的结构有多种，可以为多个弹簧单元排列共同构成第一连接件或第二连接件，也可以是一个整体的弹性部件。

上述实施例中，接触式开关的触头和接触端均采用触片，当触头的触片与接触端的触片接触时，接触式开关闭合。两个触片之间接触有更大的接触面积，可以减小接触式开关的接触电阻，适合用于大电流输出的情况。

除了使用上述的片式接触的接触式开关外，还可以使用其他形式的接触式开关。如图10所示，采用撞针式触头311，两个接触端312和313可以采用触片式并且固定在开关支架304上，接触式开关与发电机其他部分的连接与前述实施例中相同。当撞针式触头311与触片式接触端312和313中任何一个触片发生接触时，第一电极层102与第二电极层202连通；当撞针式触头311不与触片式第一接触端312和第二接触端313中的任何一个触片发生接触时，第一电极层102和第二电极层202断开。在静止状态下弹性的第一连接件401使第一摩擦层103下表面与第二摩擦层203上表面保持一定距离；弹性的第二连接件403使第二基板201下表面与第三基板402上表面在静止时保持一定距离。在第一基板101未受到外力作用时，第一连接件401不发生形变，此时撞针式触头311与第一接触端312发生接触，使第一电极层102和第二电极层202处于连通状态，如图10所示。当第二连接件403被完全压缩时，撞针式触头311与第二接触端313发生接触，使第一电极层102和第二电极层202处于连通状态。

接触式开关还可以采用触片与触头接触的方式，参见图11的摩擦摩擦发电机，接触式开关的触头321为触片，两个接触端322和323为触点并且固定在开关支架304上，当触片与两个接触端的任何一个接触点接触时接触式开关闭合。发电机的其他部分的材料与前述实施例中的相同，接触式开关与发电机其他部分的连接也与前述实施例中的相同。当触片321与第一触点322或第二触点323其中任何一个触点发生接触时，第一电极层102与第二电极层202连通；当触片321不与第一触点322和第二触点323中的任何一个触点发生接触时，第一电极层102和第二电极层202断开。

采用撞针或触点和触片接触的接触式开关，可以在更短的时间内完成稳定的接触，提高接触式开关的速度，适合用于高频率的输出。优选的，接触式开关的触片具有弹性，当触片与触片（或者撞针、触点等）接触时，触片发生弹性形变，保证触头与接触端之间的良好电接触。

相应的，本发明还提供一种摩擦发电方法，包括步骤：

提供上表面接触设置第一电极层的第一摩擦层，提供下表面接触设置第二电极层的第二摩擦层；

所述第一摩擦层的下表面与所述第二摩擦层的上表面接触；

第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面离开设定距离后，第一电极层与第二电极层导通，在第一电极层与第二电极层之间向外输出第一脉冲电信号后第一电极层与第二电极层断开；

第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面的距离缩小直至再次接触时或接触后，第一电极层与第二电极层再次导通，在第一电极层与第二电极层之间向外输出第二脉冲电信号后第一电极层与第二电极层再次断开；

重复上述第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面离开和接触的步骤。

所述发电方法中，使用的第一摩擦层、第一电极层、第二摩擦层和第二电极层的材料和结构与本发明前述的脉冲摩擦发电机中的相应部分相同，发电原理与前述发电机的发电原理也相同，在这里不在复述。第一摩擦层与第二摩擦层接触和分离过程中形成的第一脉冲电信号与第二脉冲电信号为反向脉冲信号。第一电极层与第二电极层之间的导通可以通过开关来实现，可以在第一电极层与第二电极层之间连接需要供电的负载实现发电方法的向外输出电信号。

在以上所有示例中，都可以通过对摩擦层表面进行微米、纳米尺度的结构加工、材料修饰以提高两个摩擦层之间的接触面积。下面以一个世纪示例为例，说明脉冲摩擦发电机的制备过程及摩擦层的表面修饰过程。

首先，以有机玻璃PMMA为材料，通过激光切割的方法加工第一基板101、第二基板201、第三基板301和开关支架302。然后利用磁控溅射的方法在第一基板101的下表面和第二基板201的上表面蒸镀100纳米厚度的Au薄膜作为第一电极层102和第二电极层202。将第一电极层放入含有SiO₂纳米颗粒的溶液中，利用自组装的方法在第一电极层102的下表面组装一层SiO₂纳米颗粒作为第一摩擦层103。图12是第一摩擦层103的SiO₂纳米颗粒的电子扫描显微镜（SEM）图片，如图所示，SiO₂纳米颗粒排列整齐，尺寸约为240纳米。在第二电极层202的上表面利用旋转涂膜的方法制备聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜作为第二摩擦层203。切割三片Cu片作为接触式开关的触头和两个接触端，在第一基板上固定一个Cu片作为触头301，触头301与第一电极层通过导线连接，在开关支架上按照设定距离固定另外两个Cu片作为两个接触端，将开关支架上的两个Cu片与第二电极层通过导线连接，采用弹簧作为弹性的第一连接件401和第二连接件403，将第一基板、第二基板、第三基板与开关支架按照图4所示的结构进行连接组装，使SiO₂层与PDMS薄膜层面对面设置，并且在未受外力作用时SiO₂层与PDMS薄膜保持一定的距离，在第一基板上施加外力时SiO₂层与PDMS薄膜的表面能够接触，撤去外力时SiO₂层与PDMS薄膜的表面能够分开。

当发电机受到周期性外力的作用下，可以输出交流脉冲信号。下面以制备完成的发电机器件为例，展示脉冲摩擦发电机的输出特性。图13是发电机的开路电压特性，表面开路电压大约285V。图14是负载1MΩ时发电机的多周期（图14a）和单周期（图14b）的输出电流曲线。曲线表明，输出脉冲电流的最大值大约250μA。电流曲线的特征为：首先，电流从零陡峭地上升到最大值，然后随时间缓慢衰减。电流陡峭上升的瞬间对应于触头301与第一接触端302/第二接触端303接触的瞬间。在第一电极层与第二电极层之间不接接触式开关直接导通形成现有的接触式脉冲发电机，输出脉冲电流的最大值约为5.7μA，表明本发明的发电机与现有的接触式脉冲发电机相比能够获得高的脉冲电流输出。图15是输出瞬时最大电压随负载的变化曲线。曲线表明，在500Ω到1GΩ的负载电阻变化范围内，输出电压近似保持在285V左右，与开路电压大致相同。图16是发电机的瞬时最大电流随负载电阻的变化曲线。曲线表明，瞬时最大电流与电阻成反比，当负载电阻为500Ω时，瞬时最大电流达到0.53A。在本示例的发电机中，第一摩擦层103和第二摩擦层203之间的接触面积是4×10^-4m²。因此，负载电阻为500Ω时，瞬时最大电流密度达到1325A/m²。图17是发电机的瞬时最大输出功率随负载电阻的变化曲线。曲线表明，瞬时最大输出功率与电阻成反比，当负载电阻为500Ω时，瞬时最大输出功率达到142W，所对应的瞬时最大输出功率密度达到3.6×10⁵W/m²。图18是发电机的电流衰减时间常数随电阻的变化。曲线表明，衰减时间常数与电阻成正比。以上输出特征表明，这种开关式的脉冲摩擦发电机的瞬时最大输出电压保持恒定，与负载电阻的大小无关。瞬时最大输出电流和功率都与电阻成反比，可通过对负载的调控，有效调控发电机的最大输出电流和功率。

本发明各实施示例的发电机输出的电信号为交流脉冲电信号，可以在发电机的输出端（第一电极层与接触式开关之间，或者第二电极层与接触式开关之间）连接全桥整流器，将发电机的输出信号整流为单向脉冲电信号。发电机输出的单向脉冲电信号，不仅可以作为脉冲电源直接应用于电化学等领域，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示例而已，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示例。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示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 (25)

1.一种脉冲摩擦发电机，其特征在于，包括：

第一基板；所述第一基板下表面设置的第一电极层；所述第一电极层下表面接触设置的第一摩擦层；

第二基板；所述第二基板上表面设置的第二电极层；所述第二电极层上表面接触设置的第二摩擦层；

接触式开关，所述接触式开关包括触头和固定设置的两个接触端，其中，所述触头与所述第一电极层连通，并且能够跟随所述第一基板运动；所述两个接触端都与所述第二电极层连通；当所述触头与所述两个接触端中任何一个接触时，所述接触式开关闭合；

第一连接件，所述第一连接件使所述第一摩擦层与所述第二摩擦层面对面设置，并且在外力作用下能够使所述第一基板与第二基板之间的距离改变过程中，所述第一摩擦层下表面与所述第二摩擦层上表面能够接触和分离；

其中，所述触头与第一接触端接触时，所述第一摩擦层与第二摩擦层处于分离状态；所述触头与第二接触端接触时，所述第一摩擦层的下表面与第二摩擦层上表面接触；所述接触式开关闭合时，所述第一电极层与所述触头之间和/或第二电极层与所述接触端之间有脉冲电信号输出。

2.根据权利要求1所述的脉冲摩擦发电机，其特征在于，在所述接触式开关的触头的可移动距离不小于所述两个接触端之间的设定距离。

3.根据权利要求1或2所述的脉冲摩擦发电机，其特征在于，所述接触式开关的触头的可移动距离等于所述两个接触端之间的设定距离。

4.根据权利要求1-3任一项所述的脉冲摩擦发电机，其特征在于，所述第一连接件为弹性连接件，所述第一连接件连接在所述第一基板与第二基板之间，或者所述第一连接件固定在所述第一摩擦层与第二摩擦层之间。

5.根据权利要求1-4任一项所述的脉冲摩擦发电机，其特征在于，所述接触式开关的两个接触端通过开关支架固定在所述第二基板上。

6.根据权利要求1或2所述的脉冲摩擦发电机，其特征在于，所述发电机还包括弹性的第二连接件和第三基板，其中，所述第一连接件为弹性连接件，

所述第一基板与第三基板分别位于所述第二基板的上方和下方；

所述第二连接件连接在所述第二基板与所述第三基板之间，使所述第二基板的下表面与所述第三基板的上表面相对设置；

所述第一连接件连接在所述第一基板与所述第三基板或第二基板之间，使所述第一摩擦层与所述第二摩擦层相对设置。

7.根据权利要求6所述的脉冲摩擦发电机，其特征在于，所述接触式开关的两个接触端通过开关支架固定在所述第三基板的上表面。

8.根据权利要求6或7所述的脉冲摩擦发电机，其特征在于，所述接触式开关的触头的可移动距离大于所述两个接触端之间的设定距离，并且在所述第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面接触后所述触头才能与第二接触端接触。

9.根据权利要求6或7所述的脉冲摩擦发电机，其特征在于，所述接触式开关的触头的可移动距离等于两个接触端之间的设定距离，并且，当第一基板下表面与第二基板上表面之间的距离最大时，所述触头与第一接触端接触；第二基板下表面与第三基板上表面的距离最小时，所述触头与第二接触端接触。

10.根据权利要求1-9任一项所述的脉冲摩擦发电机，其特征在于，所述第一摩擦层和所述第二摩擦层的材料之间存在摩擦电极序差异。

11.根据权利要求1-10任一项所述的脉冲摩擦发电机，其特征在于，所述第一摩擦层和所述第二摩擦层为绝缘材料，所述绝缘材料选自苯胺甲醛树脂、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、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚双酚A碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚（2,6-二甲基聚亚苯基氧化物）、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。

12.根据权利要求11所述的脉冲摩擦发电机，其特征在于，所述第一摩擦层或第二摩擦层的绝缘材料可由金属或半导体材料替换；所述金属材料选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金；所述半导体材料选自SnO₂，ZnO，TiO₂，In₂O₃，ZnS，ZnSe，ZnTe，GaN，Se，CdS，CdSe，CdTe，Si，Ge，PbS，InGaAs，PbSe，InSb、PbTe，HgCdTe，PbSn，HgS，HgSe和HgTe。

13.根据权利要求1-11任一项所述的脉冲摩擦发电机，其特征在于，所述第一摩擦层的下表面和/或第二摩擦层的上表面的全部或部分具有纳米或微米尺度的微结构或者纳米材料的点缀或涂层。所述微结构选自纳米线、纳米棒、纳米管、纳米锥、纳米颗粒、纳米沟槽、微米线、微米棒、微米管、微米锥、微米颗粒和微米沟槽。

14.根据权利要求1-13任一项所述的脉冲摩擦发电机，其特征在于，所述第一摩擦层的下表面和/或第二摩擦层的上表面经过化学改性，其中，

在摩擦电极序相对为正的材料表面引入更易失电子的官能团，或者在摩擦电极序相对为负的材料表面引入更易得电子的官能团；

或者，在极性为正的材料表面引入正电荷，在极性为负的材料表面引入负电荷。

15.根据权利要求1-14任一项所述的脉冲摩擦发电机，其特征在于，所述第一摩擦层和/或第二摩擦层的厚度为100nm-5mm。

16.根据权利要求1-15任一项所述的脉冲摩擦发电机，其特征在于，所述第一摩擦层下表面与所述第二摩擦层上表面形状相同或互补。

17.根据权利要求1-16任一项所述的脉冲摩擦发电机，其特征在于，所述第一电极层和所述第二电极层的导电材料选自金属、合金、导电氧化物或有机物导体；其中，所述金属选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒；所述合金选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒形成的合金、不锈钢。

18.根据权利要求1-17任一项所述的脉冲摩擦发电机，其特征在于，所示第一基板采用导电材料代替所述第一电极层；

和/或，所述第二基板采用导电材料代替所述第二电极层。

19.根据权利要求1-18任一项所述的脉冲摩擦发电机，其特征在于，所述触头、或所述两个接触端的材料选自金属或合金；所述金属选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒；所述合金选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒形成的合金、不锈钢。

20.根据权利要求1-19任一项所述的脉冲摩擦发电机，其特征在于，所述触头为触片，所述两个接触端均为触片或触点；

或者，所述触头为撞针，所述两个接触端均为触片。

21.根据权利要求20所述的脉冲摩擦发电机，其特征在于，所述触片具有弹性。

22.根据权利要求1-17任一项所述的脉冲摩擦发电机，其特征在于，所述第一基板、第二基板、第三基板或开关支架为绝缘材料。

23.根据权利要求1-22任一项所述的脉冲摩擦发电机，其特征在于，所述第一摩擦层、第一电极层、第二摩擦层、第二电极层、第一基板或第二基板为柔性材料或弹性材料。

24.根据权利要求2-23任一项所述的脉冲摩擦发电机，其特征在于，所述两个接触端之间的设定距离为5mm到20mm。

25.一种摩擦发电方法，其特征在于，包括步骤：

提供上表面接触设置第一电极层的第一摩擦层，提供下表面接触设置第二电极层的第二摩擦层；

所述第一摩擦层的下表面与所述第二摩擦层的上表面接触；

第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面离开设定距离后，第一电极层与第二电极层导通；在第一电极层与第二电极层之间向外输出第一脉冲电信号后第一电极层与第二电极层断开；

第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面的距离缩小直至再次接触后，第一电极层与第二电极层再次导通，在第一电极层与第二电极层之间向外输出第二脉冲电信号后第一电极层与第二电极层再次断开；

重复上述第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面离开和接触的步骤。

Images