CN104868777B - 一种摩擦纳米发电机、发电机组和发电方法 - Google Patents

Abstract

本发明构建出一种摩擦纳米发电机、发电机组和发电方法，所述发电机包括第一摩擦层、贴合于所述第一摩擦层下表面的电极层和第二摩擦层，所述第一摩擦层和第二摩擦层的至少部分表面在外力的作用下能够发生接触和分离，同时通过所述电极层和所述第一等电位源输出电信号。本发明的摩擦纳米发电机仅有一个电极层，具有成本低、效率高和结构简单等特点。在优选的方案中使用驻极体作为一个摩擦层，显著的提高了电信号的输出效率，首次实现单个小尺寸接触分离式摩擦纳米发电机对LED灯的点亮。

Description

一种摩擦纳米发电机、发电机组和发电方法

技术领域

本发明涉及一种发电机，特别涉及一种摩擦纳米发电机、发电机组和发电方法。

背景技术

摩擦纳米发电机的工作原理是基于两种具有不同摩擦电特性的材料之间的相互接触和分离来发电。但是，目前见诸于报道的所有摩擦纳米发电机都需要两个电极层，其中至少一个电极层需要通过导电金属沉积在摩擦薄膜材料的表面而形成，并通过这两个电极层实现对外的电能输出。这种发电机一方面由于金属的沉积导致器件制作成本较高，另外一方面还要求摩擦材料的厚度必须在一定范围内。这些限制因素极大的妨碍了摩擦纳米发电机的推广应用。

发明内容

为了克服现有技术中的上述技术缺陷，本发明的目的在于提供一种结构简单、成本低廉的摩擦纳米发电机、发电机组和使用该发电机进行发电的方法。

为了达到上述目的，本发明首先提供一种摩擦纳米发电机，包括发电单元，所述发电单元由第一摩擦层、贴合于所述第一摩擦层下表面的电极层和第二摩擦层组成，所述第一摩擦层和第二摩擦层的至少部分表面在外力的作用下能够发生接触和分离，同时通过所述电极层和第一等电位源输出电信号；

优选地，所述第一摩擦层和所述第二摩擦层之间存在摩擦电极序差异；

优选地，所述第一摩擦层与第二摩擦层材料不同，并且均选自聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯醚、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、聚乙烯醇缩丁醛、尼龙、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯和驻极体材料中的一种或多种；

优选地，所述驻极体材料选自石蜡、硬质橡胶、碳氢化合物、固体酸、钛酸钡和钛酸钙中的一种或多种，并且经过充电处理使材料的上下表面带不同符号的电荷；

优选地，所述第二摩擦层为导体，并且与第二等电位源之间有电性连接；

优选地，所述电极层与所述第一摩擦层相贴合的表面为导电材料；

优选地，所述电极层为导电材料，选自金属、铟锡氧化物、有机物导体或掺杂的半导体；

优选地，所述电极层为金属薄膜或金属体相材料，其中所述金属薄膜的厚度为10nm-5mm；

优选地，所述第一摩擦层面向所述第二摩擦层的表面上，和/或，所述第二摩擦层面向所述第一摩擦层的表面上，全部或部分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、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构，以及由前述结构形成的阵列；

优选地，所述第一摩擦层面向所述第二摩擦层的表面上，和/或，所述第二摩擦层面向所述第一摩擦层的表面上，有纳米材料的点缀或涂层；

优选地，所述第一摩擦层、第二摩擦层和/或电极层为硬质材料；或者，所述第一摩擦层、第二摩擦层和/或电极层为柔性材料；

优选地，在所述分离的过程中，所述第一摩擦层和第二摩擦层表面相互接触的部分能够达到的最大分离间距与二者接触面的长度和宽度尺寸可比或更大；

优选地，所述最大分离间距与所述接触面的长度的比值，以及，所述最大间距与所述接触面的宽度的比值均在1-100之间；

优选地，还包括负载，并且所述电极层通过所述负载与所述第一等电位源电连接；

优选地，所述第一摩擦层和所述第二摩擦层的至少部分表面能够在外力作用下接触或分离，在没有外力作用时分离或接触；

优选地，还包括1个或2个以上弹性部件，并通过所述弹性部件使所述第一摩擦层和所述第二摩擦层的至少部分表面在没有外力的作用下保持分离或接触状态；

优选地，所述弹性部件具有拉伸弹性或弯曲形变弹性；

优选地，还包括一个第一支撑元件，所述第一支撑元件固定在所述电极层的下表面上，和/或，还包括一个第二支撑元件，所述第二支撑元件固定在所述第二摩擦层背离所述第一摩擦层一侧的表面上；

优选地，所述第一支撑元件和/或第二支撑元件为柔性或刚性材料；

优选地，所述第一支撑元件和/或第二支撑元件为平板结构或曲面结构。

本发明还提供一种摩擦纳米发电机组，其特征在于由2个以上前述任一种所述的发电机并联形成，各发电机输出的电信号单独监控或统一监控；

优选地，所述2个以上发电机通过纵向叠加形成所述发电机组；

优选地，相邻的2个所述发电机之间通过绝缘隔离层固定连接；

优选地，相邻的2个所述发电机共用一个所述电极层；

优选地，所述相邻的2个发电机中的所述第一摩擦层与第二摩擦层相比，具有相同的电子得失倾向；

优选地，所述2个以上发电机通过横向并排放置形成所述发电机组；

优选地，所有发电机共用一个电极层，并且所有所述第一摩擦层均位于所述共用电极层的同一侧；

优选地，所述2个以上发电机至少部分不同，或完全相同。

本发明还提供一种发电方法，其特征在于使用前述任一种所述的发电机或发电机组，包括如下步骤：

（1）提供所述第一摩擦层，

（2）提供所述电极层使其贴合在所述第一摩擦层的下表面，

（3）提供所述第二摩擦层，

（4）施加外力使所述第一摩擦层和所述第二摩擦层的至少部分表面之间形成至少一个接触-分离周期，

（5）在步骤（4）的过程中，通过所述电极层和所述第一等电位源输出电信号；

优选地，步骤（4）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。

与现有技术相比，本发明的摩擦纳米发电机具有下列优点：

1、本发明的摩擦纳米发电机只需要使用一个电极，便可以实现电荷的有效产生和输出，不再需要在摩擦电聚合物材料的表面镀金属电极层，极大的降低了制作成本。

2、通过单端接地的方式实现了摩擦纳米发电机的电信号输出，极大地简化了在使用过程中的电路连接，使其应用范围得到了明显扩展。

3、在优选的方案中使用驻极体作为一个摩擦层，显著的提高了电信号的输出效率，首次实现单个小尺寸接触分离式摩擦纳米发电机对LED灯的点亮。

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，重点在于显示出本发明的主旨。

图1为本发明摩擦发电机的一种典型结构示意图；

图2为本发明摩擦发电机的工作原理图；

图3为本发明摩擦发电机的一种典型结构示意图；

图4中a和b分别为本发明摩擦发电机的典型结构示意图；

图5为本发明摩擦发电机的一种典型结构示意图；

图6为本发明摩擦发电机中弹性部件的一种典型安装结构示意图；

图7为本发明摩擦发电机弹性部件的一种典型安装结构示意图；

图8为本发明摩擦发电机中包含支撑元件的典型结构示意图；

图9为本发明摩擦发电机中包含支撑元件的典型结构示意图；

图10为本发明摩擦发电机中包含支撑元件的典型结构示意图；

图11中a和b分别为本发明摩擦发电机中包含支撑元件的典型结构示意图；

图12中a、b、c为本发明摩擦发电机的一种典型结构示意图；

图13为本发明摩擦发电机组的一种典型结构示意图；

图14为本发明摩擦发电机组的一种典型结构示意图；

图15为本发明摩擦发电机组的一种典型结构示意图；

图16为本发明摩擦发电机组的一种典型结构示意图；

图17为本发明摩擦发电机组的一种典型结构示意图；

图18为实施例1在工作时的信号采集图.

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。

本发明中所称的“接地”是指连接到能提供或接受大量电荷的物体上，其中的“地”是指任何一点的电位按惯例取为零的大地或导电物质，例如舰船或运载工具的金属外壳等。

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。例如，高分子材料聚四氟乙烯（Teflon）与金属材料铝箔接触时，铝箔带正电，即得电子能力较弱，高分子材料聚四氟乙烯（Teflon）带负电，即得电子能力较强。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。

本发明中发电机的方向以摩擦层和电极层呈上下关系时为纵向，即摩擦层在上、电极层在下，或者摩擦层在下、电极层在上，这两种摆放状态都属于本发明所称的纵向。

图1所示的是本发明摩擦纳米发电机的一种典型结构：包括第一摩擦层101、贴合于该第一摩擦层101下表面的一个电极201层，和位于第一摩擦层101对面的第二摩擦层102，第一摩擦层101和第二摩擦层102之间通过弹性部件40保持一定间隙，并且在外力的作用下这两个摩擦层的至少部分表面能够发生接触和分离循环，同时通过电极层201和提供等电位的地向外电路30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。

本发明的发电机工作原理参见图2进行说明：由于第一摩擦层101与第二摩擦层102的摩擦电极序不同，二者之间存在得电子能力的差异（此处以第二摩擦层102的得电子能力较弱为例），因此当压缩力F作用在发电机上带动第一摩擦层101和第二摩擦层102的某些表面相接触时，会使第一摩擦层101表面带有负电荷，而第二摩擦层102表面则带正电荷；当压缩应力释放后，弹性部件40会使第一摩擦层101和第二摩擦层102分离，为平衡第一摩擦层101上的表面电荷，电子会通过外电路30从电极层201向地流动，使电极层201上带有正电荷，该过程会形成电信号向外输出；当第一摩擦层101和第二电极层102的间距达到最大时，摩擦层上的表面电荷与电极层201上的感应电荷达到一个新的平衡，电子不发生流动；当压缩应力F再次作用到发电机上时，弹性部件40被压缩，第一摩擦层101表面和第二摩擦层102表面将靠近，二者表面电荷的平衡又被破坏，将导致电子通过外电路30从地向电极层201流动，同时对外输出电流。当第一摩擦层101和第二摩擦层102完全接触后，表面接触电荷达到平衡，电子停止定向流动，在外电路30观察不到电流输出。

根据上述的发电原理可以看出，第一摩擦层101和第二摩擦层102之间摩擦电极序的差异是产生可输出电信号的关键，以下聚合物材料均可用于本发明的第一摩擦层101和第二摩擦层102中，并且按照排列的顺序具有越来越强的得电子能力：聚甲基丙烯酸甲酯、尼龙、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、聚氯丁二烯、天然橡胶、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯。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。

通过实验发现，当第一摩擦层101的材料与第二摩擦层102的材料之间得电子能力相差越大，纳米发电机输出的电信号越强。所以，可以根据上面列出的顺序并结合简单的对比实验，选择合适的聚合物材料作为第一摩擦层101和第二摩擦层102，以获得最佳的电信号输出性能。

第一摩擦层101和第二摩擦层102优选使用驻极体材料，包括石蜡、硬质橡胶、碳氢化合物、固体酸、钛酸钡、钛酸钙等，并且经过充电处理使材料的上下表面带不同符号的电荷。本领域常用的使驻极体带电的方法都可以使用，常用的包括电晕放电法。由于驻极体材料可以稳定的带有一定量的极化电荷，并通过静电感应使与其接触的另一个摩擦表面发生极化或带电。因此，当第一摩擦层101和/或第二摩擦层102使用驻极体材料时，两个摩擦层的接触过程实际上包含了接触摩擦和驻极体表面电荷感应两个作用的叠加。当这两个作用形成正向叠加时，能够使纳米发电机的输出信号得到增强，例如当第一摩擦层101为驻极体且与第二摩擦层102相比具有较强的得电子能力时，其与第二摩擦层102相接触的表面带有负电荷会显著提高纳米发电机的输出电流。相反，当接触摩擦和驻极体表面电荷感应的作用形成负向叠加时，输出电流则会减弱。因此，可以通过控制驻极体材料的接触表面来调整电信号的输出强弱。

第二摩擦层102可以为导体材料，并且优选该导体材料与第二等电位源电性连接。这样当第二摩擦层102与第一摩擦层101分离后，其表面电荷会转移到第二等电位源上，对电极层201上电荷的排斥作用减小，有利于提高纳米发电机的电信号输出性能。

电极层201在两个摩擦层的表面电荷所构成的电场不平衡时，通过外电路30传输电子来平衡电场。因此，电极层201与第一摩擦层101接触的表面需要由导电材料构成，或者整体均为导电材料构成，所述的导电材料可选自金属、铟锡氧化物、有机物导体或掺杂的半导体，电极层201可以为平板、薄片或薄膜，其中薄膜厚度的可选范围为10nm-5mm，优选为50nm-1mm，优选为100nm-500μm。本领域常用的金属包括金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金；有机物导体一般为导电高分子，包括自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺和/或聚噻吩。

为了提高本发明发电机的输出性能，优选在所述第一摩擦层101面向第二摩擦层102的表面，和/或，所述第二摩擦层102面向第一摩擦层101的表面，全部或部分分布有微米或次微米量级的微结构，以增加第一摩擦层101和第二摩擦层102的有效接触面积，提高二者的表面电荷密度。该微结构优选为纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构，以及由前述结构形成的阵列，特别是由纳米线、纳米管或纳米棒组成的纳米阵列，可以是通过光刻蚀、等离子刻蚀等方法制备的线状、立方体、或者四棱锥形状的阵列，阵列中每个这种单元的尺寸在纳米到微米量级，具体微纳米结构的单元尺寸、形状不应该限制本发明的范围。

形成纳米阵列的方法除了物理方法，还包括化学方法，例如光刻蚀、化学刻蚀和离子体刻蚀等，还可以通过纳米材料的点缀或涂层的方式来实现该目的。除此之外，也可以对相互接触的第一摩擦层101和/或第二摩擦层102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第一摩擦层101和第二摩擦层102，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，可以在聚二甲基硅氧烷PDMS摩擦层表面利用溶胶-凝胶（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。

本发明并不限定第一摩擦层101和/或第二摩擦层102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接触摩擦效果，如需摩擦面维持平面，还可以通过其他部件的支撑来实现。因此，本领域的技术人员可以根据实际情况来选择第一摩擦层101和第二摩擦层102的材料硬度。

虽然图1中示出的第一摩擦层101和第二摩擦层102的尺寸和形状相同，并且二者呈正对面放置，使得在外力的作用下第一摩擦层101和第二摩擦层102可以完全接触。但是这仅仅是一个比较优选的方式，事实上只要第一摩擦层101和第二摩擦层102之间有部分表面能够发生接触-分离的循环，就能够使发电机正常工作。因此，第一摩擦层101和第二摩擦层102的形状和尺寸并不需要完全相同，二者的相对位置也不必限定为完全正对面，本领域的技术人员可以根据实际的使用环境来自由选择。

发明人在实验中发现，当第一摩擦层101和第二摩擦层102表面相互接触的部分能够达到的最大分离间距d与二者接触面的长度和宽度D尺寸可比甚至更大时（参见图3，该图中仅示出二者接触面的长度，宽度没有显示，但是宽度的尺寸也是与d可比的），发电机的输出性能比较好。优选该最大分离间距d与所述长度和宽度的比值均在1-100之间，当然该比值还可以更大，理论上的电信号输出性能会更好，但是需要考虑器件加工的难易程度。因此，在实际使用的时候可以依据该原则来调整第一摩擦层101和第二摩擦层102的尺寸和相对位置，以便达到更好的发电性能。

应该说明，虽然第一等电位源是本发明发电机正常工作的关键，但是第一等电位源并不必须属于本发明发电机的一个部件。因为该等电位源可以通过接地提供，也可以由外部的补偿电路来提供。亦即，第一等电位源可以由本发明发电机的工作环境提供，而不必由发电机本身自带。换句话说，本发明的发电机既可以是包含发电单元和等电位电路的全套设备，也可以只含有发电单元，而等电位源由工作环境提供。电极层201与第一等电位源之间既可以通过需要供电的外电路30直接连接，也可以通过在发电机内部设置负载来实现连接（图中未画出），即电极层201通过该负载与等电位源实现电连接，需要供电的外部电路30通过与该负载并联或串联来接受电信号。当第二摩擦层102为导体时，优选其与一个第二等电位源电性连接，该第二等电位源与第一等电位源的选择范围和连接方式相同，就不再赘述。

弹性部件40的作用是与外力配合实现第一摩擦层101和第二摩擦层102的接触和分离循环。因此，如果施加到发电机上的外力本身就是方向呈周期性变化的，并且能够实现第一摩擦层101和第二摩擦层102的接触和分离循环，那么弹性部件40并不是必须具备的部件，例如图3所示的实施方式，周期性外力F通过连接件401带动第二摩擦层102做往复运动，使第二摩擦层102与第一摩擦层101发生周期性的接触和分离，发电机即可正常工作。但是当仅仅依靠施加的外力本身并不能使发电机正常工作时，则需要弹性部件40的配合。例如图1所示的实施方式，该弹性部件40的两端被分别固定于第一摩擦层101和第二摩擦层102相对的表面上，使二者至少部分表面在没有外力的作用下保持分离状态，并且在外力的作用下能够被压缩并通过第一摩擦层101和第二摩擦层102的弯曲形变而发生接触。为了进一步改善第一摩擦层101和第二摩擦层102的接触效果，弹性部件40的固定位置还可以进行调整。例如图4中a和b所示的实施方式，弹性部件40的一端被固定在第二摩擦层102面向第一摩擦层101一侧的表面上，另一端则被固定在第一摩擦层101和电极层201的支撑物上（参见图4-a）；或者一端被固定在第一摩擦层101面向第二摩擦层102一侧的表面上，另一端被固定在第二摩擦层102的支撑物上（参见图4-b）。这两种固定方式都能实现在压力的作用下，弹性部件40被压缩、第一摩擦层101和第二摩擦层102实现表面的完全接触，而在压力撤销后第一摩擦层101和第二摩擦层102被分开，同时避免了由于弹性部件40本身的厚度而影响第一摩擦层101和第二摩擦层102接触效果的问题。当施加的外力为拉力而非压力时，还可以采用图5所示的实施方式，这种方式中弹性部件40的存在保证了在拉力撤销后第一摩擦层101和第二摩擦层102能够重新接触，完成第一摩擦层101和第二摩擦层102的接触-分离循环。其中，支撑部件50用于支撑电极层201。弹性部件40既可以在第二摩擦层102的边缘均匀分布，也可以被放置在第二摩擦层102的中间，例如图6所示的实施方式，弹性部件40位于第二摩擦层102的中间。当然，如果电极层和/或摩擦层的尺寸较大时，还可以有多个这样的弹性部件40分布在接触面的中间。

弹性部件40可以为本领域常规的能够提供弹性的部件，既可以是能够提供纵向拉伸弹性的部件，例如弹簧、橡胶、聚氨酯弹性体、海绵等等，也可以是具有弹性弯曲形变的部件，例如金属薄片和热塑弹性体薄片等等。图7所示的实施方式中，使用两端分别固定在第二摩擦层102和电极层201上的弹性薄片402来作为弹性部件使用，该弹性薄片402具有能够发生弹性弯曲形变的特性，在受到外部压力的作用后发生形变，使得第一摩擦层101和第二摩擦层102相互接触，而在外力撤去后，其自身的弹性将促使第一摩擦层101和第二摩擦层102分离。该弹性薄片402的厚度、形状和尺寸可以根据实际情况、综合机械强度和弹性来选择。这种选择都是本领域的技术人员可以很容易做出的常规选择。

弹性部件40的数量可以视实际需要而定，如果第一摩擦层101和第二摩擦层102的尺寸较大，则需要的弹性部件40也较多，相反，如果二者的尺寸较少，对弹性部件40数量的需求也会随之降低，优选具有2个以上。

图8所示的为本发明发电机的另一种典型实施方式，包括第一摩擦层101、贴合于该第一摩擦层101下表面的一个电极201层，和位于第一摩擦层101对面的第二摩擦层102，电极层201通过外电路30与提供等电位的地相连，第一摩擦层101和第二摩擦层102之间通过弹性部件40保持一定间隙，并且在外力的作用下这两个摩擦层的至少部分表面能够发生接触和分离循环，同时对外电路30进行供电。为了保证发电机的机械强度，在第二摩擦层102的上表面固定第一支撑元件50，在电极层201下表面固定第二支撑元件60，弹性部件40的两端分别固定在第一支撑元件50的下表面和第二支撑元件60的上表面。

第一支撑元件50和第二支撑元件60可以是刚性的，也可以具有弹性，只要能起到支撑作用即可，材料可以选择绝缘材料或半导体材料，例如塑料板或硅片等。其形状和尺寸可以自由选择，优选与摩擦层和电极层的形状和尺寸相匹配，厚度可以根据不同材料和要求进行选择。

第一支撑元件50和第二支撑元件60既可以同时使用，也可以仅用其中的一个，如图9所示的实施方式中，电极层201采用具有一定机械强度的金属薄板，而厚度较小的第二摩擦层102则贴合在第一支撑元件50的下表面，弹性部件40围绕在第二摩擦层102的周围，一端固定于第一支撑元件50的下表面，另一端固定于第一摩擦层101的上表面。

第一支撑元件50和第二支撑元件60既可以是平板式，也可以是其他形状，只要能起到支撑作用即可。例如图10所示的实施方式：其中第一支撑元件50具有类似伞状的结构，它为第二摩擦层102提供的支撑表面为曲面，同时还能起到传送外力的作用；第二支撑元件60为具有相同曲面结构的部件，并且与第一支撑元件50平行放置。可见，第一支撑元件50和第二支撑元件60相互配合形成了2个曲面的接触摩擦表面，这样的摩擦表面并不影响发电机的正常工作，而且曲面的结构还使其能够被用于更多的工作环境。

第一支撑元件50和第二支撑元件60不仅可以相互平行的放置，还可以形成一定的角度，例如图11中a和b所示的实施方式，因为该实施方式中第一支撑元件和第二支撑元件一端相交，优选为一体制作，因此可以看成是一个部件，所以此处以第一支撑元件50统称。图11-a所示的实施方式中，第一支撑元件50本身具有一定弹性，在没有外力的作用下能够保持V字形的结构，第二摩擦层102和电极层201分别贴合在该第一支撑元件50的2个相对的内侧面上，其中电极层201通过电路30与地电连接。当有外力施加时，第一支撑元件50被压缩，使得第二摩擦层102和第一摩擦层101实现表面接触，而当外力撤销后，第一支撑元件50自身的弹性又使整个发电机恢复V字形结构，第一摩擦层101和第二摩擦层102分离，形成一个发电循环。

当第一支撑元件50本身的弹性不足时，还可以在V字形结构的开口端安装弹性部件40（参见图11-b），使得在外力撤销后，第一摩擦层101和第二摩擦层102能够迅速分离。这种结构也能延长发电机的使用寿命，对第一支撑元件50本身的材料弹性要求降低。

图12中a、b、c所示的是本发明发电机的另一种典型实施方式，包括面对面放置的第一摩擦层101和第二摩擦层102，二者通过边缘连接，在中间形成一个空腔，第一摩擦层101和第二摩擦层102均为背向空腔向外凸出的曲面，电极层201贴合在第一摩擦层101的外侧凸面上；在有外力施加时，第一摩擦层101与第二摩擦层102至少部分表面能够相互接触，并在撤销外力后恢复原状（参见图12-a），并通过电极层201和提供等电位的地向外电路30输出电信号。

该实施方式中的各组成部件除了要具备上述图1-11的实施方式中所限定的条件外，第一摩擦层101、第二摩擦层102和/或电极层201还需具备弹性弯曲形变的特性，以便在外力撤销后能够迅速恢复原状，使发电机正常工作。这种弹性的获得既可以通过材料的选择实现，例如使用本身具有弹性的橡胶或聚氨酯弹性体等，还可以通过结构调整实现，例如电极层使用金属薄片而非金属厚板等，这些方式都是本领域的常规选择，此处不予赘述。

如果摩擦层和电极层201本身不具备弹性弯曲形变的特性，则需要通过弹性基底的使用来保证发电机的正常工作，例如图12-b所示的实施方式，在第二摩擦层102和电极层201凸起方向的外侧面分别贴合有第一弹性基底70和第二弹性基底80。这两个基底由具有弹性弯曲性变特性的材料构成，可以是绝缘体或半导体。优选地，第一弹性基底70和第二弹性基底80选自聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚苯乙稀。弹性基底的厚度以满足对基底弹性的要求为准，可以为50μm-10mm，优选为100μm-5mm，更优选127μm-1mm。第一弹性基底70和第二弹性基底80也可以是与第二摩擦层102和电极层201热膨胀系数不同的材料，例如二氧化硅等，因为两种热膨胀系数不同，特别是相差较大的材料贴合在一起会导致这个整体呈现弯曲状态，即第一弹性基底70与第二摩擦层102贴合在一起后，整体会向第一弹性基底70一侧凸起；第二弹性基底80与电极层201贴合在一起后，整体向第二弹性基底80一侧凸起。

第一摩擦层101和第二摩擦层102边缘的连接可以用本领域中常规的连接方式，例如用绝缘胶水粘结、用双面胶黏贴、用夹紧件固定等等。

在这种典型实施方式中，两个摩擦层可以同时为曲面，优选两个曲面具有相同的尺寸和形状；也可以只有一个摩擦层为曲面，如图12-c所示。

上面给出了本发明所设计的多种摩擦纳米发电机的典型结构，本领域的技术人员可以在这些结构的基础上进行简单变形，从而获得适用于不同工作环境的发电机，但是这样的变形都是在本发明所公开的基本构思下完成，都属于本发明所保护的范围。

为了提高发电机对机械能的利用效率和增强电信号的输出强度，可以将2个以上本发明所公开的上述摩擦纳米发电机进行组合，形成发电机组，并且调整各发电机的连接方式，将各并联发电机输出的电信号单独监控或统一监控，以满足不同需要。需要说明的是，因为下述发电机组中所涉及的都是本发明前面给出的发电机，各部件在前面都已经有详细的描述，因此下面仅针对发电机组的整体结构、各发电机的连接关系和有特殊要求的部件进行说明，而对于发电机中其他没有特殊要求的部件，就不另做说明，均以前面的描述为准。

图13是本发明发电机组的一种典型实施方式，包括2个图9所示的纳米发电机，将二者简单的纵向叠加并在2个电极层201中间加入绝缘隔离层60，每个发电机单元的电信号单独收集。其中绝缘隔离层60只要是能起到绝缘隔离作用的材料即可，例如塑料板、橡胶片，其尺寸和形状都可以根据需要进行选择。

这种实施方式在外加压力F作用在发电机组上时，可以同时驱动2个发电机工作，明显的提高了对机械能的利用率。当然还可以根据外力的大小来调整叠加发电机的数量，外力越大，数量越多，以能够有效驱动所有发电机正常工作为准。叠加起来的各发电机单元可以相同也可以不同，特别是对于每个发电机单元所连接的外电路30具有不同供电要求的情况，采用不同的发电机单元能够更好的解决该问题：对于需要输出电信号更强的，则可以增加该发电机单元两个摩擦层之间的分离距离；对于需要灵敏度更高的，则可以对相应发电机单元的两个摩擦层的接触表面进行处理，例如形成纳米结构以增加接触表面等等。

为了达到同样的目的，还可以采用图14所示的组装方式。该实施方式中省略了绝缘隔离层60，上下两个发电机共用一个第一支撑元件50，在力的传导方面效率更高，也更节约成本，但是结构组合调整的灵活性稍差。

图15所示的是并联连接的发电机组，每个发电机单元由第一摩擦层101、贴合在第一摩擦层下表面的电极层201、与第一摩擦层101面对面分离放置的第二摩擦层102、贴合在第二摩擦层102上表面的第一支撑元件50和位于第一支撑元件50和电极层201之间的弹性部件40构成，其中弹性部件40的一端被固定在第一支撑元件50的表面，另一端被固定在电极层201的表面，多个弹性部件40围绕摩擦层均匀布置；上下两个相邻的发电机单元共用一个电极层201，并通过该电极层201和提供等电位的地向外电路30输出电信号。如果该发电机组的各发电机单元同时工作，应该确保共用电极层201的两个相邻的发电机满足如下条件：第一摩擦层101与第二摩擦层102相比，具有相同的电子得失倾向，即一个发电机中的第一摩擦层101与第二摩擦层102相比更容易失去电子，则与另一个发电机中的第一摩擦层101相比也具有容易失去电子的倾向。但是，如果发电机组中的两个发电机单元并不同时工作，而仅仅是制造的时候叠放在一起，共用了电极层201。那么对于发电机单元中两个摩擦层材料的选择则没有这样的限制。

为了节约成本和减轻重量，还可以将图15所示的发电机组进行如下改进：用轻质的板状材料作为第二支撑元件60，在其外表面贴合导电薄层作为共用的电极层20，具体结构参见图16。

图13-图16所示的都是纵向叠加的组合方式，通过这种方式形成的发电机组更容易实现同步工作，但是由于其接受外力的面积有限，所以对于外力的稳定性要求较强，如果外力的施加位置经常发生变化，则会影响其发电效果。为了适应外力的施加位置可能会发生变化的情况，可以采用横向并排放置的方式来形成发电机组，具体可以参见图17所示的结构：该发电机组由多个发电机单元排布在同一平面上形成，每个发电机单元的第二摩擦层102都是由具有弹性弯曲形变特性的材料形成的拱形，并通过两端固定在第一摩擦层101的表面，所有发电机单元共用一个电极层201，所有摩擦层10均位于该共用电极层201的同一侧，电极层201通过导线与一端接地的外电路30形成回路。

虽然该实施方式中第二摩擦层102是能发生弹性弯曲形变的拱形，但是这仅仅是一个示例，实际上本发明图1-11中所示的所有发电机也都可以按照类似的方法组合形成发电机组，并且达到相同的效果。组成该发电机组的各发电机单元中的第二摩擦层102可以相同，也可以不同。当所有第二摩擦层102都相同时，发电机组中的任何一个发电机单元受到相同外力的作用后，都会输出相同的电信号，当外力同时作用在多个发电机单元上时，输出的电信号会累加。由此可以推断出外力的作用范围，或者外力源与发电机的接触面积。利用这种特性，可以将该发电机组用于对接触面积的探测上。当各发电机单元中的第二摩擦层102不同时，相同的外力单独作用在不同的发电机单元上会输出不同的电信号，亦即，发电机组输出的电信号能够反映外力的坐标信息。基于这种特性可以对外力的作用路线进行追踪。而对于大小不同的外力，同一个发电机输出的电信号数值会有所变化，本发明人发现施加在发电机上的压力大小与电信号的输出具有正相关性，因此本发明的发电机组还能用于对压力分布的监测。

当然，对于不共用电极层201的多个发电机单元并排布置，也能够实现面积探测和路线追踪功能，但是需要对每个发电机单元单独监测，而且要实现路线追踪功能还需对每个监测仪器所反映的路线信息进行事先关联。这种实施方式的好处是可以同时对外力施加源与发电机的接触面积和移动路线进行很方便、直观的监测。

通过前面的描述，可以很清楚的了解到本发明其实还公开了一种全新的发电方法，其特征在于使用本发明中公开的任何发电机或发电机组，包括如下步骤：

（1）提供所述第一摩擦层，

（2）提供所述电极层使其贴合在所述第一摩擦层的下表面，

（3）提供所述第二摩擦层，

（4）施加外力使所述第一摩擦层和所述第二摩擦层的至少部分表面之间形成至少一个接触-分离周期，

（5）在步骤（4）的过程中，通过所述电极层和所述第一等电位源输出电信号。

优选地，步骤（4）中所述第一摩擦层和第二摩擦层完全接触；

优选地，步骤（4）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。

实施例1：摩擦纳米发电机的制备

利用激光切割2个长3cm×宽3cm×厚1.59mm的有机玻璃板，在相同面积的聚烯烃驻极体片材的背面沉积一层Al作为电极层，并通过导线引出经过一个监测元件后接地，然后将其贴合在一个有机玻璃板上使聚烯烃表面露出；在另一个有机玻璃板上贴合一片Al箔，使Al箔与聚烯烃表面相对。通过外力控制Al箔与聚烯烃表面的接触和分离，监测元件显示有电信号输出。图18-a为开路电压图，图18-b为短路电流密度信号。

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)

1.一种摩擦纳米发电机，包括发电单元，其特征在于所述发电单元由第一摩擦层、贴合于所述第一摩擦层下表面的一个电极层和第二摩擦层组成，所述第一摩擦层和第二摩擦层的至少部分表面在外力的作用下能够发生接触和分离，同时通过所述电极层和第一等电位源输出电信号；

所述摩擦纳米发电机还包括：一个第一支撑元件，所述第一支撑元件固定在所述电极层的下表面上，以及一个第二支撑元件，所述第二支撑元件固定在所述第二摩擦层背离所述第一摩擦层一侧的表面上；

其中，所述第一支撑元件和所述第二支撑元件的放置关系包括：

所述第一支撑元件和所述第二支撑元件平行放置；或

所述第一支撑元件和所述第二支撑元件成设定角度放置。

2.如权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于所述第一摩擦层和所述第二摩擦层之间存在摩擦电极序差异。

3.如权利要求2所述的摩擦纳米发电机，其特征在于所述第一摩擦层与第二摩擦层材料不同，并且均选自聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯醚、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、聚乙烯醇缩丁醛、尼龙、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯和驻极体材料中的一种或多种。

4.如权利要求3所述的摩擦纳米发电机，其特征在于所述驻极体材料选自石蜡、硬质橡胶、碳氢化合物、固体酸、钛酸钡和钛酸钙中的一种或多种，并且经过充电处理使材料的上下表面带不同符号的电荷。

5.如权利要求1或2所述的摩擦纳米发电机，其特征在于所述第二摩擦层为导体，并且与第二等电位源之间有电性连接。

6.如权利要求1-4任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于所述电极层与所述第一摩擦层相贴合的表面为导电材料。

7.如权利要求6所述的摩擦纳米发电机，其特征在于所述电极层为导电材料，选自金属、铟锡氧化物、有机物导体或掺杂的半导体。

8.如权利要求7所述的摩擦纳米发电机，其特征在于所述电极层为金属薄膜，其中所述金属薄膜的厚度为10nm-5mm。

9.如权利要求7所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述电极层为金属体相材料。

10.如权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于所述第一摩擦层面向所述第二摩擦层的表面上，和/或，所述第二摩擦层面向所述第一摩擦层的表面上，全部或部分分布有微米或次微米量级的微结构。

11.如权利要求10所述的摩擦纳米发电机，其特征在于所述微结构选自纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构，以及由前述结构形成的阵列。

12.如权利要求10所述的摩擦纳米发电机，其特征在于所述第一摩擦层面向所述第二摩擦层的表面上，和/或，所述第二摩擦层面向所述第一摩擦层的表面上，有纳米材料的点缀或涂层。

13.如权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于所述第一摩擦层、第二摩擦层和/或电极层为硬质材料；或者，所述第一摩擦层、第二摩擦层和/或电极层为柔性材料。

14.如权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于在所述分离的过程中，所述第一摩擦层和第二摩擦层表面相互接触的部分能够达到的最大分离间距比所述第一摩擦层和第二摩擦层表面的接触面的长度和宽度尺寸更大。

15.如权利要求14所述的摩擦纳米发电机，其特征在于所述最大分离间距与所述接触面的长度的比值，以及，所述最大分离间距与所述接触面的宽度的比值均在1-100之间。

16.如权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于还包括负载，并且所述电极层通过所述负载连接至所述第一等电位源。

17.如权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于所述第一摩擦层和所述第二摩擦层的至少部分表面能够在外力作用下接触或分离，在没有外力作用时分离或接触。

18.如权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于还包括1个或2个以上弹性部件，并通过所述弹性部件使所述第一摩擦层和所述第二摩擦层的至少部分表面在没有外力的作用下保持分离或接触状态。

19.如权利要求18所述的摩擦纳米发电机，其特征在于所述弹性部件具有拉伸弹性或弯曲形变弹性。

20.如权利要求19所述的摩擦纳米发电机，其特征在于所述第一支撑元件和/或第二支撑元件为柔性或刚性材料。

21.如权利要求19或20所述的摩擦纳米发电机，其特征在于所述第一支撑元件和/或第二支撑元件为平板结构或曲面结构。

22.一种摩擦纳米发电机组，其特征在于由2个以上权利要求1-21任一项所述的发电机并联形成，各发电机输出的电信号单独监控或统一监控。

23.如权利要求22所述的摩擦纳米发电机组，其特征在于所述2个以上发电机通过纵向叠加形成所述发电机组。

24.如权利要求23所述的摩擦纳米发电机组，其特征在于相邻的2个所述发电机之间通过绝缘隔离层固定连接。

25.如权利要求23所述的摩擦纳米发电机组，其特征在于相邻的2个所述发电机共用一个所述电极层。

26.如权利要求25所述的摩擦纳米发电机组，其特征在于所述相邻的2个发电机中的所述第一摩擦层与第二摩擦层相比，具有相同的电子得失倾向。

27.如权利要求22所述的摩擦纳米发电机组，其特征在于所述2个以上发电机通过横向并排放置形成所述发电机组。

28.如权利要求27所述的摩擦纳米发电机组，其特征在于所有发电机共用一个电极层，并且所有所述第一摩擦层均位于所述共用电极层的同一侧。

29.如权利要求28所述的摩擦纳米发电机组，其特征在于所述2个以上发电机至少部分不同，或完全相同。

30.一种发电方法，其特征在于使用权利要求1-21任一项所述的发电机或权利要求22-29任一项所述发电机组，包括如下步骤：

1)提供所述第一摩擦层，

2)提供所述电极层使其贴合在所述第一摩擦层的下表面，

3)提供所述第二摩擦层，

4)施加外力使所述第一摩擦层和所述第二摩擦层的至少部分表面之间形成至少一个接触-分离周期，

5)在步骤4)的过程中，通过所述电极层和所述第一等电位源向外电路输出电信号。

31.如权利要求30所述的发电方法，其特征在于步骤4)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。