CN104341776A - 半导体复合材料以及应用该复合材料的摩擦发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了半导体复合材料以及应用该复合材料的摩擦发电机。以重量份计，该半导体复合材料包括：聚合物基底材料100份、以及聚苯胺颗粒5-50份。在摩擦发电机中使用该半导体复合物材料，可以有效降低了摩擦发电机的工作内阻，在一定范围内可以提高摩擦发电机的负载能力。
Description
技术领域
本发明涉及半导体复合材料领域，尤其是涉及一种应用半导体复合材料摩擦发电的摩擦发电机。
背景技术
目前，能源问题是影响人类进步和可持续发展的重大课题之一。各种围绕新能源开发、可重复利用再生能源的研究正在世界各地如火如荼地进行着。
采用摩擦技术构建的能量收集和转换装置，在自供电纳米系统中起关键作用。并且，由于其具备环保、成本低、自驱动等特性，受到了广泛关注。随着王中林教授研究组研发的压电摩擦发电机实现机械能转换为电能以来，以压电和摩擦电为基础的不同结构和材料的摩擦发电机相继问世。目前，摩擦发电机已能够驱动小型液晶显示屏、低功率发光二极管以及微型电子器件和模块等，但是发电机的输出性能仍然是制约其发展和应用的关键因素。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服现有摩擦发电机输出性能的缺陷，提供了一种半导体复合材料及应用该半导体复合材料的摩擦发电机，可以明显提高摩擦发电机的负载能力。
体积电阻率介于106和1012Ωcm的聚合物材料通常称为“半导体聚合物”，其体积电阻率在金属体积电阻率与绝缘材料体积电阻率之间的水平。本发明共同混合聚合物基底材料、粒径在200nm和100μm之间的聚苯胺颗粒、以及导电材料（例如100μm以下的微细碳纤维），得到了半导体导电性质的复合材料。在摩擦发电机中使用该半导体复合材料，可以有效降低摩擦发电机的工作内阻，在一定范围内可以提高摩擦发电机的负载能力。
为了解决上述技术问题，本发明提供的第一技术方案，一种半导体复合材料，以重量份计，该半导体复合材料包括：聚合物基底材料100份、聚苯胺颗粒5-50份。
前述的半导体复合材料，所述聚合物基底材料是聚二甲基硅氧烷、聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚氯乙烯。
前述的半导体复合材料，所述半导体复合材料进一步包括导电材料5-50份。
前述的半导体复合材料，导电材料是碳纤维或碳纳米管。
前述的半导体复合材料，以重量份计，该半导体复合材料包括：聚合物基底材料100份、聚苯胺颗粒5-40份、以及导电材料5-40份。
前述的半导体复合材料，以重量份计，该半导体复合材料包括：聚合物基底材料100份、聚苯胺颗粒10份、以及碳纤维5份。
前述的半导体复合材料，所述聚苯胺颗粒的体积平均粒径在200nm和100μm之间。
前述的半导体复合材料，所述导电材料的平均直径在100μm以下。
前述的半导体复合材料，所述半导体复合材料的至少一个侧表面上设置微纳凹凸结构，优选为凸起高度200nm-100μm的微纳凹凸结构。
本发明提供的第二技术方案，一种半导体复合材料的制备方法，该方法包括：
（1）准备聚合物基底材料液态溶液；
（2）将聚苯胺与步骤（1）所得液态溶液混合均匀，然后离心分离；
（3）将离心分离所得溶液涂膜、烘干，得到至少一个侧表面具有微纳凹凸结构或两个侧表面均不具有微纳凹凸结构的薄膜。本发明采用常规丝网印刷、涂覆、旋涂等方法在硅模板上制备具有凹凸结构的薄膜。本发明采用机械搅拌的方式（球磨、磁力搅拌、搅拌杆搅拌）将物料混合均匀。
前述的方法，所述聚苯胺颗粒的体积平均粒径在200nm和100μm之间。
前述的方法，所述聚合物基底材料是聚二甲基硅氧烷、聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚氯乙烯。
前述的方法，将聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚氯乙烯溶于二甲基乙酰胺（DMA）形成液态溶液。聚二甲基硅氧烷本身就是液态的，可以直接应用于第二步骤。
前述的方法，步骤（2）中，将聚苯胺与液态溶液混合均匀后，加入导电材料，然后混合均匀。
前述的方法，所述导电材料是碳纤维或碳纳米管。
前述的方法，所述导电材料的平均直径在100μm以下。
本发明提供的第三技术方案，半导体复合材料在摩擦发电机中的应用。
本发明提供的第四技术方案，一种摩擦发电机，包括层叠设置的第一电极层，第一聚合物材料层，和第二电极层，其中第一聚合物材料层所用材料是第一技术方案的半导体复合材料，或者第二技术方案得到的半导体复合材料。
前述的摩擦发电机，第一聚合物材料层和第二电极层相对设置的两个面中的至少一个面上设置微纳凹凸结构，所述第一聚合物材料层表面上设置的微纳凹凸结构为凸起高度200nm-100μm的微纳凹凸结构；所述第二电极层表面上设置的微纳凹凸结构为凸起高度200nm-100μm的微纳凹凸结构。
前述的摩擦发电机，第一电极层所用材料是铟锡氧化物、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；
第二电极层所用材料是金属或合金，其中金属可以是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨或钒；合金可以是铝合金、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。
本发明提供的第五技术方案，一种摩擦发电机，包括层叠设置的第一电极层，第一聚合物材料层，第二聚合物材料层和第二电极层，其中，第一聚合物材料层和第二聚合物材料层中的至少一层所用材料是第一技术方案的半导体复合材料，或者第二技术方案得到的半导体复合材料。
前述的摩擦发电机，第一聚合物材料层和第二聚合物材料层相对设置的两个面中的至少一个面上设置微纳凹凸结构，所述第一聚合物材料层和/或第二聚合物材料层表面上设置的微纳凹凸结构为凸起高度200nm-100μm的微纳凹凸结构。
前述的摩擦发电机，第一电极层和第二电极层所用材料是铟锡氧化物、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。
前述的摩擦发电机，当第一聚合物材料层或第二聚合物材料层不采用半导体复合材料时，其所用材料选自聚酰亚胺薄膜、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中的任意一种。
本发明提供的第六技术方案，一种摩擦发电机，包括层叠设置的第一电极层，第一聚合物材料层，居间薄膜层，第二聚合物材料层和第二电极层，其中，第一聚合物材料层和居间薄膜层中的至少一层，和/或第二聚合物材料层和居间薄膜层中的至少一层所用材料是第一技术方案的半导体复合材料，或者第二技术方案得到的半导体复合材料。
前述的摩擦发电机，第一聚合物材料层和居间薄膜层相对设置的两个面中的至少一个面上设置微纳凹凸结构，和/或第二聚合物材料层和居间薄膜层相对设置的两个面中的至少一个面上设置微纳凹凸结构；
所述第一聚合物材料层，和/或居间薄膜层，和/或第二聚合物材料层表面上设置的微纳凹凸结构为凸起高度200nm-100μm的微纳凹凸结构。
前述的摩擦发电机，第一电极层和第二电极层所用材料是铟锡氧化物、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。
前述的摩擦发电机，当第一聚合物材料层，或居间薄膜层，或第二聚合物材料层不采用半导体复合材料时，其所用材料选自聚酰亚胺薄膜、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中的任意一种。
本发明共同混合聚合物基底材料和聚苯胺颗粒，或者进一步添加100μm以下的导电材料，得到了半导体导电性质的复合材料。在摩擦发电机中使用该半导体复合物材料，可以有效降低发电机的工作内阻，对1MΩ负载的负载能力有显著提高。
附图说明
图1为本发明摩擦发电机一种具体实施方式的立体结构示意图。
图2为本发明图1摩擦发电机的剖面结构示意图。
图3为本发明摩擦发电机另一种具体实施方式的立体结构示意图。
图4为本发明图3摩擦发电机的剖面结构示意图。
图5为本发明摩擦发电机另一种具体实施方式的立体结构示意图。
图6为本发明图5摩擦发电机的立体结构示意图。
图7为采用不添加聚苯胺的PDMS为聚合物材料层的摩擦发电机对1MΩ负载的电压输出值。
图8为采用聚苯胺添加5重量份的半导体复合材料为聚合物材料层的摩擦发电机对1MΩ负载的电压输出值。
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。
本发明提供了一种半导体复合材料，以重量份计，该半导体复合材料包括：聚合物基底材料100份、以及聚苯胺颗粒5-50份。
本发明所用聚合物基底材料是聚二甲基硅氧烷、聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚氯乙烯。将上述材料溶解于二甲基乙酰胺（DMA），会形成液态溶液。
优选的，以重量份计，该半导体复合材料进一步包括导电材料5-50份。所述导电材料是碳纤维或碳纳米管。
优选的，以重量份计，该半导体复合材料包括：聚合物基底材料100份、聚苯胺颗粒5-40份、以及导电材料5-40份。更优选的，以重量份计，该半导体复合材料包括：聚合物基底材料100份、聚苯胺颗粒10份、以及碳纤维5份。
本发明所用聚二甲基硅氧烷为常规市售材料，其结构为
本发明所用聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚氯乙烯为常规市售材料。
聚苯胺是一种导电聚合物，其结构为本发明所用聚苯胺可以常规市购得到，掺杂率大于30%（摩尔比）,导电率大于2s/cm。本发明选用的聚苯胺体积平均粒径在200nm和100μm之间。
聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得的碳纤维均可以应用于本发明，根据应用领域，可以选择普通型或高强度型碳纤维。本发明所用碳纤维通过市购得到，平均直径在100μm以下。
常规市购碳纳米管也可以应用于本发明，优选平均直径在100μm以下。
下面详细说明一下上述半导体复合材料的制备方法。该方法包括：
（1）准备聚合物基底材料液态溶液。具体的，将聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚氯乙烯溶于二甲基乙酰胺（DMA）形成液态溶液。聚二甲基硅氧烷本身就是液态的，可以直接应用于第二步骤。
（2）将聚苯胺与步骤（1）所得液态溶液混合均匀，然后离心分离。以及
（3）将离心分离所得溶液涂膜、烘干，得到至少一个侧表面设置微纳凹凸结构或两个侧表面均不具有微纳凹凸结构的薄膜。本发明采用常规丝网印刷、涂覆、旋涂等方法在硅模板上制备具有凹凸结构的薄膜。
本发明采用常规丝网印刷、涂覆、旋涂等方法在硅模板上制备具有凹凸结构的薄膜。本发明采用机械搅拌的方式（球磨、磁力搅拌、搅拌杆搅拌）将物料混合均匀。
本发明半导体复合材料应用在摩擦发电机中。下面详细说明应用半导体复合材料的摩擦发电机的结构。
图1和2所示是本发明一种具体实施方式的摩擦发电机1。该摩擦发电机1包括层叠设置的第一电极层11，第一聚合物材料层12，和第二电极层13。其中，第一聚合物材料层12所用材料是上述的半导体复合材料，其厚度为100μm-500μm。
该实施方式中，第一聚合物材料层12和第二电极层13相对设置的两个面中的至少一个面上设置有微纳凹凸结构14。所述第一聚合物材料层12表面上设置的微纳凹凸结构14为凸起高度200nm-100μm的微纳凹凸结构。所述第二电极层表面上设置微纳凹凸结构（图未示）为凸起高度200nm-100μm的微纳凹凸结构。
该实施方式中，第一电极层11对所用材料没有特殊规定，能够形成导电层的材料都在本发明的保护范围之内，例如是铟锡氧化物、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；
该实施方式中，第二电极层13所用材料可以是金属或合金，其中金属可以是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨或钒；合金可以是铝合金、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。第二电极层13的厚度优选100μm-500μm，更优选200μm。
当本发明该实施方式的摩擦发电机的各层向下弯曲时，摩擦发电机中的第一聚合物材料层12与第二电极层13表面相互摩擦产生静电荷，静电荷的产生会使第一聚合物材料层12与第二电极层13之间的电容发生改变，从而导致第一聚合物材料层12与第二电极层13之间出现电势差。由于第一聚合物材料层12与第二电极层13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，这时形成在第一聚合物材料层12与第二电极层13之间的内电势消失，此时已平衡的第一聚合物材料层12与第二电极层13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。本发明该实施方式中，采用半导体复合材料作为第一聚合物材料层12，有效降低了摩擦发电机的工作内阻，在一定范围内可以提高摩擦发电机的负载能力。
图3和4所示是本发明另一种具体实施方式的摩擦发电机2。该摩擦发电机2包括层叠设置的第一电极层21，第一聚合物材料层22，第二聚合物材料层23和第二电极层24，其中，第一聚合物材料层22和第二聚合物材料层23中的至少一层所用材料是半导体复合材料，其厚度为100μm-500μm。
在该实施方式中，第一聚合物材料层22和第二聚合物材料层23相对设置的两个面中的至少一个面上设置有微纳凹凸结构。所述第一聚合物材料层22和/或第二聚合物材料层23表面上设置的微纳凹凸结构25（图中未示出第二高分子聚合物绝缘层23上的微纳凹凸结构）为凸起高度200nm-100μm的微纳凹凸结构。
在该实施方式中，第一电极层21和第二电极层24对所用材料没有特殊规定，能够形成导电层的材料都在本发明的保护范围之内，例如是铟锡氧化物、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。
第一聚合物材料层22和第二聚合物材料层23中的至少一层所用材料是半导体复合材料。当第一聚合物材料层22或第二聚合物材料层23不采用半导体复合材料时，其所用材料选自聚酰亚胺薄膜、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中的任意一种。此时，第一聚合物材料层22或第二聚合物材料层23厚度是100μm-500μm。
当本发明该实施方式的摩擦发电机的各层向下弯曲时，摩擦发电机中的第一聚合物材料层22与第二聚合物材料层23表面相互摩擦产生静电荷，静电荷的产生会使第一聚合物材料层22与第二聚合物材料层23之间的电容发生改变，从而导致第一电极层21和第二电极层24之间出现电势差。由于第一电极层21和第二电极层24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层21和第二电极层24之间的内电势消失，此时已平衡的第一电极层21和第二电极层24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。本发明该实施方式中，采用半导体复合材料作为第一聚合物材料层22和/或第二聚合物材料层22，有效降低了摩擦发电机的工作内阻，在一定范围内可以提高摩擦发电机的负载能力。
图5和6所示是本发明又一种具体实施方式的摩擦发电机3。该摩擦发电机3包括第一电极层31，第一聚合物材料层32，居间薄膜层33，第二聚合物材料层34和第二电极层35，其中，第一聚合物材料层32和居间薄膜层33中的至少一层，和/或第二聚合物材料层34和居间薄膜层33中的至少一层所用材料是半导体复合材料，其厚度为100μm-500μm。
在该实施方式中，第一聚合物材料层32和居间薄膜层33相对设置的两个面中的至少一个面上设置微纳凹凸结构（图未示），和/或第二聚合物材料层34和居间薄膜层33相对设置的两个面中的至少一个面上设置有微纳凹凸结构（图未示）。所述第一聚合物材料层32，和/或居间薄膜层33，和/或第二聚合物材料层34表面上设置的微纳凹凸结构为凸起高度200nm-100μm的微纳凹凸结构。
在该实施方式中，第一电极层31和第二电极层35对所用材料没有特殊规定，能够形成导电层的材料都在本发明的保护范围之内，例如是铟锡氧化物、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。
第一聚合物材料层32和居间薄膜层33中的至少一层，和/或第二聚合物材料层34和居间薄膜层33中的至少一层所用材料是半导体复合材料。当第一聚合物材料层32，或居间薄膜层33，或第二聚合物材料层34不采用半导体复合材料时，其所用材料选自聚酰亚胺薄膜、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中的任意一种。此时，第一聚合物材料层32，或居间薄膜层33，或第二聚合物材料层34厚度是100μm-500μm。
当本发明该实施方式的摩擦发电机的各层向下弯曲时，摩擦发电机中的第一聚合物材料层32与居间薄膜层33表面，和/或第二聚合物材料层34与居间薄膜层33表面相互摩擦产生静电荷，静电荷的产生会使第一电极层31和第二电极层35之间出现电势差。由于第一电极层31和第二电极层35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层31和第二电极层35之间的内电势消失，此时已平衡的第一电极层31和第二电极层35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。本发明该实施方式中，采用半导体复合材料作为第一聚合物材料层32，和/或居间薄膜层33，和/或第二聚合物材料层34，有效降低了摩擦发电机的工作内阻，在一定范围内可以提高摩擦发电机的负载能力。
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
实施例中所用原料如下：
表1
| 厂家、型号 | |
| 聚二甲基硅氧烷 | 道康宁 |
| 聚偏氟乙烯 | 株洲日丰化学塑胶有限公司 |
| 聚甲基丙烯酸甲酯 | 奇美实业股份有限公司 |
| 聚氯乙烯 | 东莞市立新塑胶原料有限公司 |
| 聚苯胺 | 北京特保防静电器材厂 |
| 碳纤维 | 日本东丽 |
实施例1
将聚苯胺颗粒250g加入到1000g聚二甲基硅氧烷中并混合均匀，离心分离，将离心分离所得溶液均匀地涂布在硅模板表面，然后采用旋转涂覆的方式将硅模板表面多余的浆料去掉，形成一层薄的液体膜。将整个模板在85℃的环境中烘干、剥离，从而得到厚度为150um，一侧表面设有凸起高度为500nm的微纳凹凸结构的半导体复合材料薄膜。
实施例2-3
实施例2-3与实施例1的制备方法相同，不同之处如表2所示。
表2
| 聚二甲基硅氧烷 | 聚苯胺 | |
| 实施例2（2#） | 1000g | 500g |
| 实施例3（3#） | 1000g | 50g |
实施例4
将聚苯胺颗粒100g，碳纤维50g依次加入到1000g聚二甲基硅氧烷中并混合均匀，离心分离，将离心分离所得溶液均匀地涂布在硅模板表面，然后采用旋转涂覆的方式将硅模板表面多余的浆料去掉，形成一层薄的液体膜。将整个模板在85℃的环境中烘干、剥离，从而得到厚度为150um，一侧表面设有凸起高度为500nm的微纳凹凸结构的半导体复合材料薄膜。
实施例5-6
实施例5-6与实施例4的制备方法相同，不同之处如表3所示。
表3
| 聚二甲基硅氧烷聚苯胺 | 碳纤维 | |
| 实施例5（5#） | 1000g50g | 400g |
| 实施例6（6#） | 1000g400g | 50g |
实施例7-8
实施例7-8与实施例4的制备方法相同，不同之处在于先将1000g聚甲基丙烯酸甲酯或聚氯乙烯分别溶于500g二甲基乙酰胺（DMA）中形成液态溶液，然后将聚苯胺颗粒，碳纤维依次加入到上述液态溶液中。后续步骤与实施例4相同，不再赘述。实施例7-8的原料如表4所示。
表4
应用实施例
如图1和2所示，制备摩擦发电机尺寸为3cm×3cm，总厚度大约是500μm。该摩擦发电机1包括层叠设置的第一电极层11，第一聚合物材料层12，和第二电极层13。
分别采用实施例1-8的半导体复合材料薄膜1#-8#作为第一聚合物材料层12，其一个表面上设置有凸起高度500nm的微纳凹凸结构14，另一个表面上镀厚度100nm的铝薄膜，该铝薄膜即为第一电极层11。
采用厚度100μm的铜箔作为第二电极层13，该铜箔的一个表面采用细砂纸打磨的方法设置不规则的凸起高度在200nm-100μm范围内的微纳凹凸结构。
第二电极层13带有微纳凹凸结构的面朝向第一聚合物材料层12的具有微纳凹凸结构14的表面，将第二电极层13叠放到第一聚合物材料层12上，得到摩擦发电机。该摩擦发电机的边缘用普通胶布密封。
摩擦发电机在I-V（电流-电压）的测量中表现出典型的开路特征。1MΩ负载下使摩擦发电机发生周期的弯曲和释放，摩擦发电机的开路电压和工作内阻（摩擦发电机工作内阻可以通过直接测量工作状态下摩擦发电电阻的方式获得）分别如表5所示。
表5
| 实施例 | 开路电压 | 工作内阻 |
| 1# | 75V | 10MΩ |
| 2# | 60V | 4MΩ |
| 3# | 90V | 100MΩ |
| 4# | 110V | 70MΩ |
| 5# | 50V | 5MΩ |
| 6# | 70V | 8MΩ |
| 7# | 100V | 65MΩ |
| 8# | 130V | 85MΩ |
随着聚苯胺质量分数的提高，摩擦发电机的开路电压将缓慢降低，同时摩擦发电机的工作内阻也将随之减少。然而，由于摩擦发电机内阻越小，摩擦时产生的静电电荷越少，所以并不是摩擦发电机的工作内阻降的越低越好，因此最优化的摩擦发电机内阻为大于50MΩ，由此可见实施例4、7、8所得摩擦发电机的效果最佳。
图7所示是不添加聚苯胺的输出电压图，图8所示是添加5wt%聚苯胺的输出电压图，对比图7和图8可以看出，掺杂聚苯胺后改善了摩擦发电机的负载能力。由此可见，掺杂适量聚苯胺将有效改善摩擦发电机的负载能力，即可以提高摩擦发电机对低阻抗电路的输出能力。
Claims (28)
1.一种半导体复合材料，其特征在于，以重量份计，该半导体复合材料包括：聚合物基底材料100份、以及聚苯胺颗粒5-50份。
2.根据权利要求1所述的半导体复合材料，其特征在于，所述聚合物基底材料是聚二甲基硅氧烷、聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚氯乙烯。
3.根据权利要求1或2所述的半导体复合材料，其特征在于，所述半导体复合材料进一步包括导电材料5-50份。
4.根据权利要求3所述的半导体复合材料，其特征在于，导电材料是碳纤维或碳纳米管。
5.根据权利要求3所述的半导体复合材料，其特征在于，以重量份计，该半导体复合材料包括：聚合物基底材料100份、聚苯胺颗粒5-40份、以及导电材料5-40份。
6.根据权利要求5所述的半导体复合材料，其特征在于，以重量份计，该半导体复合材料包括：聚合物基底材料100份、聚苯胺颗粒10份、以及碳纤维5份。
7.根据权利要求1-6任一项所述的半导体复合材料，其特征在于，所述聚苯胺颗粒的体积平均粒径在200nm和100μm之间。
8.根据权利要求4-7任一项所述的半导体复合材料，其特征在于，所述导电材料的平均直径在100μm以下。
9.根据权利要求1-8任一项所述的半导体复合材料，其特征在于，所述半导体复合材料的至少一个侧表面上制作微纳凹凸结构，优选为凸起高度200nm-100μm的微纳凹凸结构。
10.一种半导体复合材料的制备方法，该方法包括：
（1）准备聚合物基底材料溶液；
（2）将聚苯胺与步骤（1）液态溶液混合均匀，然后离心分离；
（3）将离心分离所得溶液涂膜、烘干，得到至少一个侧表面具有微纳凹凸结构或两个侧表面均不具有微纳凹凸结构的薄膜。
11.根据权利要求10所述的半导体复合材料的制备方法，其特征在于，所述聚苯胺颗粒的体积平均粒径在200nm和100μm之间。
12.根据权利要求10所述的半导体复合材料的制备方法，其特征在于，所述聚合物基底材料是聚二甲基硅氧烷、聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚氯乙烯。
13.根据权利要求10所述的半导体复合材料的制备方法，其特征在于，将聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚氯乙烯溶于二甲基乙酰胺（DMA）形成液态溶液。
14.根据权利要求10-13任一项所述的半导体复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，将聚苯胺与液态溶液混合均匀后，加入导电材料，然后混合均匀。
15.根据权利要求13所述的半导体复合材料的制备方法，其特征在于，所述导电材料是碳纤维或碳纳米管。
16.根据权利要求15所述的半导体复合材料的制备方法，其特征在于，所述导电材料的平均直径在100μm以下。
17.权利要求1-9任一项所述的半导体复合材料在摩擦发电机中的应用。
18.一种摩擦发电机，其特征在于，包括层叠设置的第一电极层，第一聚合物材料层，和第二电极层，其中第一聚合物材料层所用材料是权利要求1-9任一项所述的半导体复合材料，或者权利要求10-16任一项所述方法得到的半导体复合材料。
19.根据权利要求18所述的摩擦发电机，其特征在于，第一聚合物材料层和第二电极层相对设置的两个面中的至少一个面上设置有微纳凹凸结构，所述第一聚合物材料层表面上设置的微纳凹凸结构为凸起高度200nm-100μm的微纳凹凸结构；所述第二电极层表面上设置的微纳凹凸结构为凸起高度200nm-100μm的微纳凹凸结构。
20.根据权利要求18或19所述的摩擦发电机，其特征在于，第一电极层所用材料是铟锡氧化物、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；
第二电极层所用材料是金属或合金，其中金属可以是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨或钒；合金可以是铝合金、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。
21.一种摩擦发电机，其特征在于，包括层叠设置的第一电极层，第一聚合物材料层，第二聚合物材料层和第二电极层，其中，第一聚合物材料层和第二聚合物材料层中的至少一层所用材料是权利要求1-9任一项所述的半导体复合材料，或者权利要求10-16任一项所述方法得到的半导体复合材料。
22.根据权利要求21所述的摩擦发电机，其特征在于，第一聚合物材料层和第二聚合物材料层相对设置的两个面中的至少一个面上设置有微纳凹凸结构，所述第一聚合物材料层和/或第二聚合物材料层表面上设置的微纳凹凸结构为凸起高度200nm-100μm的微纳凹凸结构。
23.根据权利要求21或22所述的摩擦发电机，其特征在于，第一电极层和第二电极层所用材料是铟锡氧化物、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。
24.根据权利要求21-23任一项所述的摩擦发电机，其特征在于，当第一聚合物材料层或第二聚合物材料层不采用半导体复合材料时，其所用材料选自聚酰亚胺薄膜、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中的任意一种。
25.一种摩擦发电机，其特征在于，包括层叠设置的第一电极层，第一聚合物材料层，居间薄膜层，第二聚合物材料层和第二电极层，其中，第一聚合物材料层和居间薄膜层中的至少一层，和/或第二聚合物材料层和居间薄膜层中的至少一层所用材料是权利要求1-9任一项所述的半导体复合材料，或者权利要求10-16任一项所述方法得到的半导体复合材料。
26.根据权利要求25所述的摩擦发电机，其特征在于，第一聚合物材料层和居间薄膜层相对设置的两个面中的至少一个面上设置微纳凹凸结构，和/或第二聚合物材料层和居间薄膜层相对设置的两个面中的至少一个面上设置有微纳凹凸结构；
所述第一聚合物材料层，和/或居间薄膜层，和/或第二聚合物材料层表面上设置微纳凹凸结构为凸起高度200nm-100μm的微纳凹凸结构。
27.根据权利要求25或26所述的摩擦发电机，其特征在于，第一电极层和第二电极层所用材料是铟锡氧化物、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。
28.根据权利要求25-27任一项所述的摩擦发电机，其特征在于，当第一聚合物材料层，或居间薄膜层，或第二聚合物材料层不采用半导体复合材料时，其所用材料选自聚酰亚胺薄膜、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中的任意一种。
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