CN104426417A - 一种产生交流输出的摩擦发电机和发电机组 - Google Patents

Abstract

一种能够产生交流输出的摩擦发电机和发电机组，包括两个互相滑动的两个部件，第一部件，包括：第一摩擦件、在第一摩擦件的相对两个表面分别接触设置的第一电极层和第二电极层，其中，第一电极层和第二电极层为图形化电极层，并且在第一摩擦件上的投影图形不重合；第二部件，包括：第二摩擦件、第二摩擦件的相对两个表面分别接触设置的第三电极层和第四电极层，其中第三电极层和第四电极层为图形化电极层；并且在第二摩擦件上的投影图形不重合；第一部件与第二部件相对设置，使第二电极层与第三电极层面对面，在外力作用下当第一部件相对于第二部件发生滑动摩擦时，第一电极层与第三电极层之间、第二电极层与第四电极层之间输出交流电信号。

Description

一种产生交流输出的摩擦发电机和发电机组

技术领域

本发明涉及一种发电机，特别涉及将运动、振动、流体等自然存在的机械能转化为交流信号输出的摩擦发电机和发电机组。

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。

目前，技术人员利用摩擦生电现象，研发出了将运动、振动、流体等自然存在的机械能转化为电能的结构简单的摩擦电发电机，其基本结构参见图1，包括表面得失电子能力不同材料制备的摩擦层1和摩擦层2，摩擦层1和摩擦层2分别接触设置有电极层3和电极层4，当摩擦层1与摩擦层2发生相对滑动摩擦，并且接触面积发生变化时，能够通过电极层3和电极层4为外电路输出电信号，摩擦层1和摩擦层2在往复滑动摩擦过程中能够产生交流脉冲输出。可以将人体运动、振动等微小的机械能转变为电能，在无线传感、生物植入、安全监测等领域有着广泛的。

现有的以图1为基本结构的摩擦电发电机虽然能够产生较高的电压输出，但是，输出电流和功率密度都比较低，在很大程度上限制了发电机的应用，不利于直接应用来驱动电子器件，需要将输出的电能储存在电池等储能元件中为微型电子器件提供匹配的电源。而且发电机工作时需要较大的滑动空间，使两个摩擦层的接触面积改变量足够大，获得足以驱动电子器件的电能，因此，其转化效率、以及应用范围受到限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够将运动、振动、流体等自然存在的机械能转化为交流电信号输出的结构简单的摩擦发电机，克服现有摩擦电发电机输出电流和功率密度较低的缺陷。

为实现上述目的，本发明提供一种产生交流输出的摩擦发电机，包括：

第一部件，所述第一部件包括：第一摩擦件、在所述第一摩擦件的相对两个表面分别接触设置的第一电极层和第二电极层，其中，所述第一电极层和第二电极层为图形化电极层，并且在所述第一摩擦件上的投影图形不重合；

第二部件，所述第二部件包括：第二摩擦件、所述第二摩擦件的相对两个表面分别接触设置的第三电极层和第四电极层，其中，所述第三电极层和第四电极层为图形化电极层；并且在所述第二摩擦件上的投影图形不重合；

所述第一部件与第二部件相对设置，使所述第二电极层与所述第三电极层面对面，所述第一部件相对于第二部件发生滑动摩擦时，所述第一电极层与第三电极层之间、第二电极层与第四电极层之间输出交流电信号。

优选的，所述第二电极层与第三电极层的厚度范围为10纳米至10微米。

优选的，所述第二电极层与第三电极层的厚度范围为100纳米至1微米。

优选的，所述第一摩擦件和/或第二摩擦件的材料选自绝缘体。

优选的，所述第二电极层与第三电极层的图形相同或者互补。

优选的，所述第一电极层与第二电极层在所述第一摩擦件上的投影图形互补；

和/或，所述第四电极层与第三电极层在所述第二摩擦件上的投影图形互补。

优选的，所述第二电极层由多个长条形电极条平行排列形成，多个所述电极条互相之间电连接。

优选的，多个所述电极条的宽度均相等，所述电极条的宽度与相邻两个电极条之间的距离相等。

优选的，所述第一摩擦件和/或所述第二摩擦件的厚度与所述电极条的宽度相当；所述电极条的宽度范围为100纳米-10厘米。

优选的，所述滑动摩擦的滑动方向垂直于所述电极条的长度方向。

优选的，所述第二电极层由多个块状子电极按照棋盘格子图形排列形成。

优选的，所述块状子电极在所述第一摩擦件上的投影图形为正方形、长方形或菱形。

优选的，多个所述块状子电极的尺寸和形状相同。

优选的，所述第二电极层由周期性的多个电极扇区组成，多个所述扇区之间电连接。

优选的，每个所述电极扇区和两个相邻电极扇区之间的间隔具有相同的大小和形状。

优选的，所述第一摩擦件和第二摩擦件互相接触的表面为弧面弹头形或圆锥形，由多个扇区形成的弧面弹头形或圆锥形第二电极层和第三电极层分别接触设置在第一摩擦件与第二摩擦件的表面。

优选的，所述第一摩擦件为片状结构，所述第一电极层和第二电极层分别接触设置于所述第一摩擦件的上表面和下表面；

所述第二摩擦件为片状结构，所述第三电极层和第四电极层分别接触设置于所述第一摩擦件的上表面和下表面。

优选的，所述第一摩擦件为圆柱壳状，所述第一电极层和第二电极层分别接触设置于所述第一摩擦件的内表面和外表面；

所述第二摩擦件为圆柱壳状，所述第三电极层和第四电极层分别接触设置于所述第一摩擦件的外表面和内表面；

所述第一部件与第二部件形成套层结构，所述第一部件相对于第二部件发生滑动摩擦为第一部件相对于第二部件同轴转动，或者沿着第一摩擦件轴线方向滑动，或者沿着螺旋上升状轨迹互相滑动摩擦。

优选的，所述第一摩擦件和/或第二摩擦件的材料选自高分子聚合物、非导电性氧化物和复杂氧化物。

优选的，所述高分子聚合物选自聚四氟乙烯，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、聚丙烯和聚氯乙烯；

所述非导电性氧化物和复杂氧化物选自氧化硅、氧化锰、氧化铬、氧化铁、氧化铜、氧化锌、BiO₂和Y₂O₃。

优选的，所述第一摩擦件和/或第二摩擦件的厚度范围为10纳米-1厘米。

优选的，所述第一摩擦件和/或第二摩擦件为柔性的或者硬性的。

优选的，在所述第一部件面向所述第二部件的全部或部分表面设置纳米粒子修饰层；

和/或，在所述第二部件面向所述第一部件的全部或部分表面设置纳米粒子修饰层。

优选的，所述纳米粒子修饰层中所述纳米粒子为有机物纳米粒子或者SiO₂纳米粒子。

优选的，所述第一电极层、第二电极层、第三电极层或第四电极层的材料选自金属、合金、铟锡氧化物、有机物导体或掺杂的半导体，其中，金属，选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒以及由2种以上物质所形成的合金；有机物导体选自自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺和/或聚噻吩。

优选的，所述第一电极层、第二电极层为通过沉积方法制备在第一摩擦件相对两个表面的电极层；第三电极层、第四电极层为通过沉积方法制备在第二摩擦件两个相对表面的电极层。

优选的，在所述第一部件背向第二部件的表面上设置第一基板；在第二部件背向第一部件的表面上设置第二基板。

相应的，本发明还提供一种产生交流输出的摩擦发电机组，包括多个上述的摩擦发电机，多个所述摩擦发电机层叠在一起，并且相邻两个所述摩擦发电机共用第一基板或第二基板。

优选的，将所述发电机组中的所有基板从上到下排序，按照奇数基板和偶数基板分为两组，其中一组能够相对于另一组同步运动。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

1、本发明的摩擦发电机，基本结构中包括两个互相滑动摩擦的部件，每个部件都包括摩擦件，以及接触设置在摩擦件相对两个表面上的图形化的电极层，并且这两个电极层在摩擦件上的投影图形不重合，当两个部件互相摩擦时，一个部件的摩擦件的表面与另一个部件的电极层摩擦，通过设计电极层图形，能够使两个部件在相对滑动时，摩擦件与电极层的总的接触面积能够从最大到最小周期性的连续变化，从而在两个部件的电极层之间输出交流电信号。

2、本发明的摩擦发电机采用图形化的电极层设计，在两个部件相对滑动距离较小时，即可获得摩擦件与电极层之间摩擦面积较大的变化，因此能够获得较高的输出电流，同时提高了能量转化的效率和功率密度。

3、在两个相互滑动的部件互相接触的表面上设置纳米颗粒的修饰层，不仅没有妨碍发电机的电信号输出，而且起到了润滑的作用，能够有效的降低两个部件的摩擦系数，有利于摩擦发电机能量转化效率的提高。本发明的发电机能量转化效率可以达到52%至58%。

4、采用本发明提供的摩擦发电机堆叠形成发电机组，可以获得比类似结构发电机高140至220倍的功率密度，能够直接驱动灯泡等用电器，无需再将电能储存在蓄电池等器件中。

5、本发明的发电机和发电机组结构简单，各部分的材料选择和制备方法简便，并且可以根据需要将发电机设计为叠层状、套层状等多种结构，便于应用在安全和监控、基础设施监控、便携式/可穿戴式电子产品、照明设备、等方面。

6、采用柔性材料制备发电机互相摩擦的两个部件，可以将本发明的发电机与其他柔性器件结合使用。

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为现有摩擦电发电机的机构示意图；

图2为本发明提供的摩擦发电机的典型结构示意图；

图3为电极层与摩擦件互相摩擦发电的原理示意图；

图4为第一部件与第二部件互相接触时的结构示意图；

图5（a）至图5（c）和图6（a）至图6（c）分别为发电机的基本发电单元工作原理示意图；

图7至图10为电极层采用不同图形时的示意图；

图11为发电机的第一部件与第二部件形成套层结构的示意图；

图12A和图12B分别为一个具体发电机的短路电流和开路电压测量结果；

图13为本发明提供的摩擦发电机组的典型结构示意图。

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。

为了克服现有摩擦电发电机的输出电流和功率密度低的缺点，本发明提出一种能够输出交流电信号的结构简单的摩擦发电机，其技术方案为采用两个摩擦层互相摩擦，在每个摩擦层的相对两个表面分别接触设置图形化的电极层，两个摩擦层设置有电极的表面互相滑动摩擦时，在接触表面形成多个电极层与摩擦层的相对滑动区域，在相对较小的滑动距离内，即可获得较大的导电层与摩擦层的相对滑动面积改变，能够高效的将环境中普遍存在的机械能转变为电能。同时，由于本发明的发电机采用图形化电极层的设计，可以获得持续的电信号输出。通过设计摩擦层相对表面的电极层的图形，可以获得持续的交流电信号输出，并且输出电流和功率密度足以直接驱动小型用电器。

下面结合附图详细介绍本发明的实施例。

本发明摩擦发电机的典型结构，参见图2，包括第一部件100和第二部件200，其中，第一部件100包括第一摩擦件101，以及在第一摩擦件101的相对两个表面接触设置的第一电极层102和第二电极层103；第二部件200包括第二摩擦件201，以及在第二摩擦件201的相对两个表面接触设置的第三电极层202和第四电极层203。其中，第一电极层102与第二电极层103为图形化的电极层，并且在第一摩擦件101上的投影图形不重合；第三电极层202与第四电极层203为图形化的电极层，并且在第二摩擦件201上的投影图形不重合。第一部件100与第二部件200相对设置，使第二电极层103与第三电极层202面对面，当第一部件100相对于第二部件200发生滑动摩擦时，第一摩擦件101的部分表面与第三电极层202滑动摩擦，第二摩擦件201的部分表面与第二电极层103滑动摩擦，第一电极层102与第三电极层202之间、第二电极层103与第四电极层203之间输出交流电信号。

本发明的摩擦发电机利用了具有不同摩擦电极序的第二电极层103与第一摩擦件101的接触时发生表面电荷转移的原理。这里所述的“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“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。

本发明的摩擦发电机中，能够将机械能转变为电能的基本发电单元参见图3，摩擦层20的下表面接触设置电极层30，另一电极层10与摩擦层20的上表面产生滑动摩擦，使摩擦层20与电极层10的接触面积发生变化。由于电极层10与摩擦层20材料的摩擦电极序不同，互相接触时在接触表面产生表面电荷转移，电极层10表面带有正电荷，摩擦层20上表面带有等量的负电荷。当电极层10与摩擦层20相对滑动摩擦时，摩擦层20的接触电荷与电极层10的接触电荷互相错位，在两个电极层10和30之间形成电势差，因此，在两个电极层10和30之间能够产生电信号输出。结合图2，本发明中，第一电极层102与第二电极层103为图形化的电极层，并且在第一摩擦件101上的投影图形不重合；第三电极层202与第四电极层203为图形化的电极层，并且在第二摩擦件201上的投影图形不重合。因此，第一部件100与第二部件200相对滑动摩擦时，能够出现第一摩擦件101的部分表面与第三电极层202滑动摩擦，第二摩擦件201的部分表面与第二电极层103滑动摩擦，相当于存在多个图三所示的发电单元。

本发明中，第一摩擦件101与第二摩擦件201的材料可以选择绝缘体材料，特别是高分子聚合物材料,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。

除上述提到的高分子聚合物可以作为第一摩擦件101与第二摩擦件201材料外，非导电性氧化物和复杂氧化物也具有摩擦电特性，能够在与导电的电极层材料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等。

第一摩擦件101与第二摩擦件201的材料可以相同，也可以不同。通过实验发现，当互相摩擦的摩擦层与电极层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件101（或第二摩擦件201）和电极层材料，以获得更好的输出效果。限于篇幅的原因，并不能对所有可能的材料进行穷举，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。

本发明并不限定第一摩擦件101、第二摩擦件201以及四个电极层必须是硬质材料，也可以选择柔性材料，因为材料的硬度并不影响摩擦件与电极层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。第一摩擦件101或第二摩擦件201的厚度无特别要求，优选为10纳米-1厘米，更优选为100纳米-1毫米，更优选为1微米-100微米。

本发明的摩擦发电机中，四个电极层（102、103、202和203）的材料可以相同，也可以不同。四个电极层的材料可以选择常用的导电材料，所述的导电材料可选自金属、合金、铟锡氧化物、有机物导体等，具体电极层材料的选择不作为限定本发明保护范围的因素，本领域常用的材料为：金属，选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒；由金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬和硒中的2种以上物质所形成的合金；导电氧化物，例如氧化铟锡ITO；有机物导体一般为导电高分子，选自自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺和/或聚噻吩等。

第一电极层102和第四电极层203的厚度无特殊要求，可以为平板、薄片或薄膜，第一电极层102和/或第四电极层203优选为薄膜，薄膜厚度的可选范围为10纳米-5毫米。第二电极层103和第三电极层202的厚度应尽可能薄一些，保证第一部件100与第二部件200互相滑动摩擦时，不会阻碍部分第一摩擦件101表面与第三电极层202（或者部分第二摩擦件201的表面与第二电极层103）的接触和滑动，在滑动过程中，第一部件100与第二部件200接触状态的示意图参见图4。优选的，第二电极层103与第三电极层202的厚度为范围为10纳米至10微米，更优选为100纳米至1微米，更优选为100纳米至500微米。

本领域的技术人员可以根据第一或第二摩擦件材料的选择，确定相应电极层材料以及制备方法的选择，例如直接贴合或沉积等常规方式在摩擦层材料的两个相对表面设置电极层，形成紧密接触以确保电极层与相应的摩擦件（例如第一电极层102和第一摩擦件101）的良好电接触。制备电极层材料的常用方法包括磁控溅射、蒸镀和印刷打印技术等。

需要说明的是，本发明中，第一摩擦件101（或者第二摩擦件201）可以为片状、平板状、曲面结构或者圆柱壳状，相应的，第一摩擦件101（或者第二摩擦件201）的相对两个表面具体是指片状或者平板状的上下表面，或者是指圆柱壳状的内外表面，或者是曲面的内外表面。

本发明中，当第一部件100的厚度比较薄或者为柔性时，可以在第一部件100背向第二部件200的表面上设置第一基板104，来增强第一部件的强度；具体的，第一基板104可以通过粘贴等常规方式与第一部件100背向第二部件200的表面贴合固定。同样的，当第二部件200的厚度比较薄或者为柔性时，可以在第二部件200背向第一部件100的表面上设置第二基板204。第一基板104与第二基板的材料无特殊要求，可以根据实际应用环境选择合适的基板材料，例如可以为丙烯酸片、或者陶瓷片等。

本发明中，优选的，在第一部件100与第二部件200的接触面上，第二电极层103与第三电极层202的图形互补。这样的结构设计可以保证在第一部件100相对于第二部件200滑动过程中，能够保证同时出现第一摩擦件101与第三电极层202接触面积最大、第二摩擦件201与第二电极层103接触面积也最大的情况，有利于提高摩擦发电机的输出电流。

优选的，第一电极层102与第二电极层103在第一摩擦件101上的投影图形互补，第三电极层202与第四电极层203在第二摩擦件201上的投影图形互补。

优选的，在第一部件100与第二部件200的接触面上，第二电极层103与第三电极层202的图形互补；第一电极层102与第二电极层103在第一摩擦件101上的投影图形互补，第三电极层202与第四电极层203在第二摩擦件201上的投影图形互补。采用这样的电极层图形设计，可以将摩擦发电机等效为多个图5或图6所示的发电单元的并联，在每个发电单元中又包括两个发电子单元，一个子单元由第一摩擦件101、第一电极层102和第三电极层202组成，另一个子单元由第二摩擦件201、第二电极层103和第四电极层203组成。参见图5，当第二电极层103与第三电极层202接触面积最小时（见图5（a）），总的摩擦层与电极层的接触面积最大，摩擦发电机无电信号输出；当第一部件100相对于第二部件200沿着箭头方向滑动时，第一摩擦件101的部分表面与第三电极层202滑动摩擦，同时第二摩擦件201的部分表面与第二电极层103滑动摩擦，电子通过外电路从第一电极层102流向第三电极层，同时电子通过外电路从第四电极层203流向第二电极层103，见图5（b）；第一部件相对于第二部件200继续沿着箭头方向滑动，至第二电极层103与第三电极层202接触面积最小时（见图5（c）），总的摩擦件与电极层的接触面积最小，摩擦发电机无电信号输出。第一部件100继续沿着箭头方向滑动，参见图6（a）至图6（c），第一部件100相对于第二部件200继续沿着箭头方向滑动，摩擦件上的接触电荷驱动电子通过外电路从第二电极层103流向第四电极层203，同时电子通过外电路从第三电极层202流向第一电极层102，直到摩擦件与电极层总的接触面积最大。因此，第一部件100相对于第二部件200在一个方向匀速滑动时，能够同时在第一电极层102与第三电极层202之间、第二电极层103与第四电极层203之间输出交流电信号。这里所述总的摩擦件与电极层接触面积，是指图5和图6中两个子单元中摩擦件与电极层接触面积之和。这样结构的摩擦发电机，第一部件100相对于第二部件200在一定方向上滑动时可以获得最大的电流输出，机械能转化为电能的效率最高。

实际中，第一部件与第二部件的尺寸可以不同，尺寸可以相差几倍，因此，在本发明中，所述的一个电极层与另一个电极层的图形互补，并不要求严格的电极层的尺寸相等，只要一个电极层的图形能够与另一个电极层的部分图形互补即可。

下面介绍几种图形化电极层的优选实施例，这里列出的电极层的图形只是一种示例，用于展示本发明的原理，不作为限制本发明保护范围的条件。

参见图7，第二电极层113由多个长条形电极条113a平行排列在第一摩擦件111的一个表面形成，多个电极条113a互相之间电连接，可以通过导线113b将所有电极条113a的一端连接在一起。优选的，第一电极层112与第二电极层113的图形在第一摩擦件上的投影图形互补，此时，第一电极层112由多个长条形电极条112a平行排列在第一摩擦件111的另一个表面形成，如图7中所示。

优选的，多个电极条113a的宽度均相等，并且相邻两个电极条113a等距排列。更优选的，任意相邻的两个电极条113a的距离与电极条的宽度相等。

优选的，第一摩擦件101的厚度与电极条113a的宽度相当。电极条的宽度范围可以为100纳米-10厘米，优选的范围为1-100微米，更优选的范围为10-100微米。

优选的，第三电极层与第二电极层的图形相同，也为由多个长条形电极条互相电连接形成；更优选的，第四电极层与第二电极层在第二摩擦件上的投影图形互补。

如果能精确控制每个电极层中电极条的形状、尺寸和排布位置，第一部件相对于第二部件滑动过程中，可以使摩擦件与电极层总的接触面积能够最大，滑动摩擦引起摩擦件与电极层错位/失配的面积达到最大，这样在滑动摩擦过程中产生的电荷密度和总电量最大。当然，如果不能完全精确的控制电极条的形状、尺寸和位置，则尽量保证第二电极层中大部分的电极条都能与第三电极层的电极条至少部分接触，这样也能够使二者在滑动摩擦的过程中发生电荷转移，实现本发明的目的。

优选的，第二电极层的电极条与第三电极层的电极条平行设置，并且第一部件相对于第二部件沿着图7中箭头方向滑动时，交替出现输出电流最大和最小的情况，能够对外输出交流电信号；匀速滑动摩擦时，能够对外输出固定频率的交流电信号，其频率为电极条的宽度除以滑动速度。

优选的，第二摩擦件的厚度与形成第三电极层的电极条的宽度相当。

图8给出了另一种第一电极层122和第二电极层103的典型排布情况。在该例子中，第一电极层122和第二电极层123均由多个块状子电极122a和123a按照棋盘格子图形在第一摩擦件121的表面排列形成，多个块状子电极122a交错占据多个棋盘格子。第二电极层123的棋盘格子图形与第一电极层的棋盘格子位置交错，在第一摩擦件121上的投影图形互补。优选的，第三电极层的图形与第二电极层的图形互补，第四电极层与第三电极层在第二摩擦件上的投影图形互补。第一部件第二部件相对放置时，第二电极层中的每个块状子电极至少和一个第二电极层的块状子电极部分接触，如果能精确控制电极层中每个块状子电极的形状和尺寸，则可以使这些摩擦单元实现完全接触和分离，摩擦件与电极层总的接触面积最大，这样在摩擦过程中产生的电荷密度最大。当然，如果不能完全精确的控制每个摩擦单元的形状、尺寸和位置，则尽量保证第二电极层中大部分的块状子电极都能与第三电极层的块状子电极至少部分接触，这样就能够使第一部件与第二部件发生滑动摩擦的过程中摩擦件与电极层的接触面积发生变化，同时发生电荷转移，从而实现本发明的目的。这种棋盘式的排布方式给本发明带来一个非常显著的优势，即无论任何方向的外力，只要能使第一部件和第二部件之间发生较小的相对滑动，都能引起摩擦件与电极层接触面积的变化，亦即本发明的发电机对外界机械能的适应范围有很大扩展。

优选的，第二电极层122的每个块状子电极122a的尺寸和形状相同。更优选的，第二电极层中多个块状子电极122a为正方形、长方形或菱形。更优选的，第二电极层122的每个块状子电极122a的边长与第一摩擦件的厚度相当。同样的，第二电极层122的每个块状子电极122a的边长与第二摩擦件的厚度相当。

本发明中，摩擦件的厚度指摩擦件上设置有电极层的两个相对表面之间的距离，例如板状摩擦件上下表面之间的距离为摩擦件的厚度。第一摩擦件或第二摩擦件的厚度可以是均匀的也可以是不均匀的，都可以用作本发明的摩擦件。

第一部件相对于第二部件的滑动摩擦反向可以为沿着互相的接触面，即在一个方向上作往返运动，也可以为第一部件相对于第二部件的沿着一个轴的转动。这样的情况中，图形化电极层优选为轴对称图形。

参见图9，第一电极层132和第二电极层133具有互补的“周期扇区”分布形式，其中每个电极扇区中心角的角度均为45度，并且所有周期电极扇区的顶点重合，均位于电极层或者第一摩擦件的转动中心P。这样，第一电极层132和第二电极层133均被分成8个面积相等的扇区，并且，每隔一个扇区设置第一电极层材料，即每个电极扇区和两个相邻电极扇区之间的间隔具有相同的大小和形状。所不同的是，第一电极层132与第二电极层133的周期扇区为互补图形，即第一电极层两个扇区132a之间的空白区域对应第二电极层的一个扇区133a。

除了图9显示的方式，电极层扇形的大小和数量还可以有不同的设置方式。参见图10中左图，显示了具有六个摩擦材料区的实施方式，电极层的扇区无共用中心，各个扇区之间通过导线等实现电连接。本发明的第二电极层和第三电极层不仅可以是二维平面的，还可以是三维曲面的，第一摩擦件和第二摩擦件互相接触的表面为弧面弹头形或圆锥形，由多个扇区形成的弧面弹头形或圆锥形（如图10中右图所示）第二电极层和第三电极层分别接触设置在第一摩擦件与第二摩擦件的表面。第一部件与第二部件形成弧面弹头形或圆锥形的同轴内外套层结构，两个部件均能能够绕轴旋转，使得二者接触面上的摩擦件与电极层材料发生相对滑动摩擦。虽然图9和图10显示的均是电极层为周期扇区的情况，但是本领域的技术人员完全可以预测，对于第一部件和第二部件为其他形状、摩擦材料区为其他形状的情况，也可以设置成三维曲面的形式，以满足不同的应用环境。

电极层采用扇区分布的分布方式，当第一部件与第二部分绕轴相对转动时，由于第二电极层与第三电极层的扇形区分布模式相同，且每个扇形区的大小相同，因此两个部件上的摩擦件与电极层的接触面积可以从最大连续转动到最小的状态。例如在图9中，每个电极层被均匀分割为8个圆心角为45°的扇形，其中4个相隔对称分布的扇形覆盖有第一电极层材料132a和第二电极层材料133a，当两个部件相对转过360°时，共发生4个周期的重合与分离，而相应输出4个周期的交流电信号。当然，周期扇区的圆心角还可以为其他角度，优选为360°/2n，其中n为第一电极层和/或第二电极层的周期扇区的个数。

虽然“周期扇形”分布的电极层材料区可以采用多种分布方式，但是仍需说明的是，本发明更优选为各扇区具有相同大小，并且等间隔分布的扇形区。

本发明中，第一摩擦件101可以为片状结构，如图4中所示，第一电极层102和第二电极层103分别接触设置于第一摩擦件101的上表面和下表面；第二摩擦件201为片状结构，第三电极层202和第四电极层203分别接触设置于第一摩擦件201的上表面和下表面。第一摩擦件101与第二摩擦件201可以为柔性的，也可以为硬性的，当采用柔性材料时，本发明的摩擦发电机为柔性发电机，可以与柔性电极器件配合使用。

同样，第一摩擦件与第二摩擦件均可以采用圆柱壳状，参见图11，第一部件中的第一摩擦件141为圆柱壳状，在第一摩擦件141的内表面接触设置图形化的第一电极层124，在外表面接触设置图形化的第二电极层143；第二部件中的第二摩擦件241为圆柱壳状，在第二摩擦件241的内表面接触设置图形化第三电极层242，在外表面接触设置图形化的第四电极层243。第二摩擦件241的内径大于第一摩擦件141的外径，使第一部件与第二部件形成内外套层结构，第二部件相对于第一部件以M点为轴沿着箭头F方向旋转，使第一摩擦件的部分外表面与第三电极层滑动摩擦、第二摩擦件的部分内表面与第二电极层滑动摩擦，在第一电极层142与第三电极层204之间、第二电极层143与第四电极层243之间向外电路输出交流电信号。

图11中摩擦发电机的结构，第一部件与第二部件的滑动摩擦并不限定为沿着轴向的旋转，也可以是第一部件相对于第二部件在轴向平行移动，或者第一部件相对于第二部件沿着螺旋上升状轨迹互相滑动摩擦。

优选的，第二电极层143与第三电极层242为互补的图形化电极层，更优选的，第一电极层142与第二电极层143在第一摩擦件141上的投影图形互补，第四电极层243与第三电极层242在第二摩擦件241上的投影图形互补。第二电极层的143的图形结构与考图7和图8中的情况类似，电极层可以有多个平行排列的电极条组成，或者是由多个块状子电极组成，根据第一部件与第二部件的滑动方向，电极条或者块状子电极的在摩擦件表面的设置可以做出不同的选择。例如，若第一部件相对于第二部件为绕第一摩擦件轴线的旋转，在垂直于所述轴线方向无相对滑动，则电极条的长边（或者块状子电极的边）平行于轴线排列；如果第一部件相对于第二部件为沿着螺旋上升状轨迹滑动，，则电极条的长边（或者块状子电极的边）与轴线有一设定的夹角设置在第一摩擦件的内表面或外表面；若第一部件相对于第二部件为沿着轴线方向的相对滑动，则电极条的长边（或者块状子电极的边）垂直于轴线排列。本领域的技术人员可以根据套层式摩擦发电机的具体结构以及滑动模式，选择合适的电极层图形，使第一部件与第二部件在滑动摩擦过程中，能够出现摩擦件与电极层总的接触面积最大和最小的情况。

在本发明的摩擦发电机中，还可以在第一部件面向第二部件的全部或部分表面设置纳米粒子修饰层，同样也可以在第二部件面向第一部件的全部或部分表面设置纳米粒子修饰层。所述纳米粒子修饰层可以同时覆盖摩擦件的表面与设置在摩擦件表面的电极层的表面，纳米粒子修饰层的材料可以选择绝缘材料的纳米颗粒，例如有机物纳米粒子、SiO₂纳米粒子等。纳米粒子修饰层的制备可以采用喷涂的方法实现。本发明的研究过程中，发现在第一部件与第二部件的接触表面上设置绝缘材料的纳米粒子修饰层，不仅不会影响发电机的电信号输出性能，反而能够在第一部件与第二部件滑动摩擦时，可以起到润滑的作用，能够显著的降低第一部件与第二部件之间的有效摩擦系数，从而能够提高发电机的能量转化效率。纳米粒子修饰层的厚度优选为10纳米至100纳米。

下面以一个具体摩擦发电机，介绍本发明提供的摩擦发电机的输出电流特性、电流密度以及能量转化效率等性能。

取两片聚四氟乙烯（PTFE）片，作为第一摩擦件和第二摩擦件，在其上下表面分别制备如图7所示的Cu电极层，电极层中电极条宽度均为1毫米厚度约为10纳米，多个电极条间距1毫米平行等距排列在第一摩擦件的上、下表面，并且上下表面的电极条互相错位，摩擦件的上下表面形成互补图形电极层，然后在上表面喷涂一层约10纳米厚度的PTFE纳米粒子修饰层，形成发电机的片状第一部件，将下表面的电极层通过导线引出后粘贴在聚丙烯树脂片上，同样办法获得粘贴在聚丙烯树脂片上的片状第二部件。将第一部件固定，第二部件固定在步进马达上，将两个片状部件面对面设置，使各自上表面的Cu电极条面对面，并且两个部件上的电极条基本平行，步经马达带动第二部件在第一部件上以2米/秒的速度滑动摩擦，图12中显示了发电机的短路输出电流（图12A）和开路电压（图12B），可以从图中看出本发明的发电机可以获得幅度为2毫安频率为1K赫兹的类似正旋交流电信号，开路电压以相同的频率在0至500V之间变化。制备的发电机体积仅有12cm³，重量为140克。在最佳负载情况下，滑动速度为10米/秒时，测得平均有效功率为3瓦。本发电机的短路电流最大值与两个部件的相对滑动速度基本问线性关系，而开路电压的最大值基本不随滑动速度的变化而变化。

本发明中，还可以将多个发电机进行层叠获得能够输出交流信号的摩擦发电机组，每个发电机的结构参见图4，在第一部件和第二部件的外侧均包括第一基板和第二基板，当多个发电机层叠叠加时，参见图13，相邻两个发电机G1和G2之间共用一个基板，基板在这里的作用除了为第一部件或者第二部件提供支撑外，还用于隔离相邻发电机之间的电场影响。除了最上面和最下面的两个基板外，每个基板151的上下表面都各有一个发电机，相当于在每个基板151的上表面是在上发电机的第二部件250，下表面是在下发电机的第一部件150，以相邻的发电机G1和G2共用基板151为例，在基板151的上表面为在上发电机G1的第二部件，基板151的下表面为在下发电机G2的第一部件。优选的，两个相邻的发电机中，在上发电机的第二部件固定在共用基板的上表面，在下发电机的第一部件固定在共用基板的下表面，在上发电机的第二部件与在下发电机的第一部件能够跟随共用基板运动。优选的，将发电机组中的所有基板从上到下排序，按照奇数基板和偶数基板分为两组，其中一组能够相对于另一组同步运动，这样的运动可以通过在基板上连接机械结构实现，这样可以使多个发电机的两个部件同步发生滑动摩擦。优选的，可以将所有发电机输出端并联，如果所有发电机的结构都相同，能够获得并联的输出电信号。

发明人制作了高度为4厘米的发电机组，奇数基板与偶数基板的宽度分别为15厘米和5厘米，堆叠适当层数的发电机，可以获得490KW/m³的能量密度，是现有类似结构发电机的140至220倍，而且能量转化效率达到52%至58%。可以看出本发明的发电机组极大的提高了发电机的能量密度和转化效率，能够高效的收集人体运动、机械运动等产生的能量将其转变为电能，并将其直接转变为可以实用的电能，而不需要利用储能装置先将电能储存起来进行利用。因此，本发明的摩擦发电机以及发电机组，可以在安全和监控、基础设施监控、便携式/可穿戴式电子产品、照明设备、等方面广泛应用。

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 (29)

1.一种产生交流输出的摩擦发电机，其特征在于，包括：

第一部件，所述第一部件包括：第一摩擦件、在所述第一摩擦件的相对两个表面分别接触设置的第一电极层和第二电极层，其中，所述第一电极层和第二电极层为图形化电极层，并且在所述第一摩擦件上的投影图形不重合；

第二部件，所述第二部件包括：第二摩擦件、所述第二摩擦件的相对两个表面分别接触设置的第三电极层和第四电极层，其中，所述第三电极层和第四电极层为图形化电极层；并且在所述第二摩擦件上的投影图形不重合；

所述第一部件与第二部件相对设置，使所述第二电极层与所述第三电极层面对面，所述第一部件相对于第二部件发生滑动摩擦时，所述第一电极层与第三电极层之间、第二电极层与第四电极层之间输出交流电信号。

2.根据权利要求1所述的摩擦发电机，其特征在于，所述第二电极层与第三电极层的厚度范围为10纳米至10微米。

3.根据权利要求1所述的摩擦发电机，其特征在于，所述第二电极层与第三电极层的厚度范围为100纳米至1微米。

4.根据权利要求1-3任一项所述的摩擦发电机，其特征在于，所述第一摩擦件和/或第二摩擦件的材料选自绝缘体。

5.根据权利要求1-4任一项所述的摩擦发电机，其特征在于，所述第二电极层与第三电极层的图形相同或者互补。

6.根据权利要求1-5任一项所述的摩擦发电机，其特征在于，所述第一电极层与第二电极层在所述第一摩擦件上的投影图形互补；

和/或，所述第四电极层与第三电极层在所述第二摩擦件上的投影图形互补。

7.根据权利要求5或6所述的摩擦发电机，其特征在于，所述第二电极层由多个长条形电极条平行排列形成，多个所述电极条互相之间电连接。

8.根据权利要求7所述的摩擦发电机，其特征在于，多个所述电极条的宽度均相等，所述电极条的宽度与相邻两个电极条之间的距离相等。

9.根据权利要求7或8所述的摩擦发电机，其特征在于，所述第一摩擦件和/或所述第二摩擦件的厚度与所述电极条的宽度相当；所述电极条的宽度范围为100纳米-10厘米。

10.根据权利要求7-9任一项所述的摩擦发电机，其特征在于，所述滑动摩擦的滑动方向垂直于所述电极条的长度方向。

11.根据权利要求5或6所述的摩擦发电机，其特征在于，所述第二电极层由多个块状子电极按照棋盘格子图形排列形成。

12.根据权利要求11所述的摩擦发电机，其特征在于，所述块状子电极在所述第一摩擦件上的投影图形为正方形、长方形或菱形。

13.根据权利要求11或12所述的摩擦发电机，其特征在于，多个所述块状子电极的尺寸和形状相同。

14.根据权利要求5或6所述的摩擦发电机，其特征在于，所述第二电极层由周期性的多个电极扇区组成，多个所述扇区之间电连接。

15.根据权利要求14所述的摩擦发电机，其特征在于，每个所述电极扇区和两个相邻电极扇区之间的间隔具有相同的大小和形状。

16.根据权利要求14或15所述的摩擦发电机，其特征在于，所述第一摩擦件和第二摩擦件互相接触的表面为弧面弹头形或圆锥形，由多个扇区形成的弧面弹头形或圆锥形第二电极层和第三电极层分别接触设置在第一摩擦件与第二摩擦件的表面。

17.根据权利要求1-16任一项所述的摩擦发电机，其特征在于，所述第一摩擦件为片状结构，所述第一电极层和第二电极层分别接触设置于所述第一摩擦件的上表面和下表面；

所述第二摩擦件为片状结构，所述第三电极层和第四电极层分别接触设置于所述第一摩擦件的上表面和下表面。

18.根据权利要求1-13任一项所述的摩擦发电机，其特征在于，所述第一摩擦件为圆柱壳状，所述第一电极层和第二电极层分别接触设置于所述第一摩擦件的内表面和外表面；

所述第二摩擦件为圆柱壳状，所述第三电极层和第四电极层分别接触设置于所述第一摩擦件的外表面和内表面；

所述第一部件与第二部件形成套层结构，所述第一部件相对于第二部件发生滑动摩擦为第一部件相对于第二部件同轴转动，或者沿着第一摩擦件轴线方向滑动，或者沿着螺旋上升状轨迹互相滑动摩擦。

19.根据权利要求1-18任一项所述的摩擦发电机，其特征在于，所述第一摩擦件和/或第二摩擦件的材料选自高分子聚合物、非导电性氧化物和复杂氧化物。

20.根据权利要求19所述的摩擦发电机，其特征在于，所述高分子聚合物选自聚四氟乙烯，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、聚丙烯和聚氯乙烯；

所述非导电性氧化物和复杂氧化物选自氧化硅、氧化锰、氧化铬、氧化铁、氧化铜、氧化锌、BiO₂和Y₂O₃。

21.根据权利要求1-20任一项所述的摩擦发电机，其特征在于，所述第一摩擦件和/或第二摩擦件的厚度范围为10纳米-1厘米。

22.根据权利要求1-21任一项所述的摩擦发电机，其特征在于，所述第一摩擦件和/或第二摩擦件为柔性的或者硬性的。

23.根据权利要求1-22任一项所述的摩擦发电机，其特征在于，在所述第一部件面向所述第二部件的全部或部分表面设置纳米粒子修饰层；

和/或，在所述第二部件面向所述第一部件的全部或部分表面设置纳米粒子修饰层。

24.根据权利要求23所述的摩擦发电机，其特征在于，所述纳米粒子修饰层中所述纳米粒子为有机物纳米粒子或者SiO₂纳米粒子。

25.根据权利要求1-24任一项所述的摩擦发电机，其特征在于，所述第一电极层、第二电极层、第三电极层或第四电极层的材料选自金属、合金、铟锡氧化物、有机物导体或掺杂的半导体，其中，金属，选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒以及由2种以上物质所形成的合金；有机物导体选自自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺和/或聚噻吩。

26.根据权利要求1-25任一项所述的摩擦发电机，其特征在于，所述第一电极层、第二电极层为通过沉积方法制备在第一摩擦件相对两个表面的电极层；第三电极层、第四电极层为通过沉积方法制备在第二摩擦件两个相对表面的电极层。

27.根据权利要求1-27任一项所述的摩擦发电机，其特征在于，在所述第一部件背向第二部件的表面上设置第一基板；在第二部件背向第一部件的表面上设置第二基板。

28.一种产生交流输出的摩擦发电机组，其特征在于，包括多个如权利要求26所述的摩擦发电机，多个所述摩擦发电机层叠在一起，并且相邻两个所述摩擦发电机共用第一基板或第二基板。

29.根据权利要求1-28任一项所述的摩擦发电机，其特征在于，将所述发电机组中的所有基板从上到下排序，按照奇数基板和偶数基板分为两组，其中一组能够相对于另一组同步运动。