CN104980060A - 采集液体机械能的摩擦电纳米发电机以及发电方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种采集液体机械能的摩擦电纳米发电机以及发电方法，该摩擦电纳米发电机包括制备在衬底上的发电部件和覆盖发电部件的摩擦层，其中，发电部件由两个电极层沿着液体波动方向分隔设置并且互相电连接构成。液体波动或流动时与摩擦层发生摩擦，使与液体接触的摩擦层表面带有电荷；随着液体的波动或流动，两个电极层所对应的摩擦层表面的电荷被液体中的离子先后屏蔽，使两个电极层之间产生感应电荷流动。本发明的发电部件中两个电极层不需要随着液体波动而运动，保证了发电机的使用寿命。而且具有重量轻、体积小、结构简单，造价低廉、易规模化生产和安装等特点。

Description

采集液体机械能的摩擦电纳米发电机以及发电方法

技术领域

本发明涉及一种摩擦电纳米发电机，具体地，涉及一种将液体的波动或者流动能转变为电能的摩擦电纳米发电机以及发电方法。

背景技术

环境中的液体波动或者流动能量普遍存在，目前利用液体波动或者流动能发电的主要途径是在液体中设置柔性压电材料，特别是低维碳纳米结构如碳纳米管和多层石墨烯，带状的压电材料在极性液体流动作用下波动产生电势。在现有的设计中，由于机械疲劳，这种鳗鱼式的往复运动对于器件长时间工作带来了困难，特别是电极的寿命，通过限定材料的性能和水中的离子浓度可以改善。但是，这些器件仅利用了可以与压电材料接触的水波动的能量，不能够利用水中可能存在的其他能量例如流动、波动等。

发明内容

要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是设计一种新型摩擦电纳米发电机，应用在波动液体或者流动液体中，可以采集液体波动或者流动的机械能转变为电能，而发电机的结构不会受到液体波动或者流动的破坏。

技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出一种能够采集波动或者流动液体机械能转变为电能的摩擦电纳米发电机。该发电机的发电部件包括两个分隔设置的电极层，和覆盖发电部件的摩擦层，液体波动或者流动时与摩擦层互相摩擦使摩擦层表面带有摩擦电荷，随着液体波动或者流动，两个电极层所对应的摩擦层表面的电荷被液体中的离子先后屏蔽，造成摩擦层表面带有的电荷对所述第一电极层和第二电极层中电子的静电作用不同，使两个电极层之间有感应电荷流动。这种结构的发电机工作时不需要器件结构的变化，使器件能够长时间稳定工作。两个电极层被摩擦层覆盖，使发电部件不会与使用环境中的液体接触，发电机可以广泛应用在多种液体环境中。

基于上述思路，本发明首先提供一种采集液体机械能的摩擦电纳米发电机，包括：

绝缘衬底；

发电部件，由一个第一电极层和一个第二电极层组成，所述第一电极层和第二电极层分隔设置在所述衬底上并且互相电连接；

摩擦层，覆盖所述发电部件，使所述发电部件的第一电极层与第二电极层与所述液体隔离；

所述液体波动或流动时与所述摩擦层发生摩擦，使与液体接触的摩擦层表面带有电荷；随着所述液体的波动或流动，两个电极层所对应的摩擦层表面的电荷被液体中的离子先后屏蔽，使摩擦层表面带有的电荷对所述第一电极层和第二电极层中电子的静电作用不同，使所述第一电极层与第二电极层之间有感应电荷流动。

优选的，所述摩擦层与所述液体接触的表面设置有微结构层，所述微结构层为纳米线、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，以及上述结构形成的阵列。

优选的，所述液体为极性液体时，所述摩擦层表面的微结构层为疏水结构；或者，所述液体为非极性液体时，所述摩擦层表面的微结构层为亲水结构。

优选的，所述第一电极层和第二电极层均为长条状，并且在所述衬底上沿着长度方向平行排列。

优选的，所述第一电极层和/或第二电极层的长宽比为1:1至1000:1。

优选的，所述第一电极层和第二电极层之间的间隔宽度为10nm-5cm。

优选的，所述摩擦层为薄膜，厚度为10nm-2cm；所述微结构层的厚度为2nm-200μm。

优选的，所述摩擦层能够与液体接触的表面经过化学改性，其中，

比较所述摩擦层和液体的材料极性，若摩擦层的极性为较正，在摩擦层材料表面引入更易失电子的官能团（即强给电子团）；若摩擦层的极性为负，在摩擦层的材料表面引入更易得电子的官能团（强吸电子团）；

或者，

比较所述摩擦层和液体的材料极性，若摩擦层的极性为正，在摩擦层材料表面引入正电荷；若摩擦层的极性为负，在变化层的材料表面引入负电荷。

优选的，所述摩擦层的材料为下列材料中的一种或者几种：聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯(FEP，四氟乙烯和六氟丙烯的共聚物)、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚酰亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、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、人造纤维、棉及其织物、木头、硬橡胶、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性体、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸盐，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、醋酸酯、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和派瑞林，包括派瑞林C、派瑞林N、派瑞林D、派瑞林HT或派瑞林AF4。

优选的，所述发电部件中第一电极层与第二电极层的形状和尺寸均相同。

优选的，所述衬底、发电部件和/或摩擦层为硬性或者柔性材料。

优选的，所述液体为水、去离子水、海水、NaCl水溶液、甲酸、甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、乙酸、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、乙腈、丙酮、己烷、苯、甲苯、二乙醚、氯仿、乙酸乙酯、四氢呋喃或二氯甲烷。

优选的，所述发电部件的第一电极层和第二电极层为插齿结构，每个所述插齿结构电极由若干个长条状子电极平行排列，并在一端互相连接形成；插齿状第一电极层和第二电极层互相之间留有间隔呈交叉状。

优选的，所述长条状子电极的长宽比为1:1至1000:1。

优选的，所述第一电极层和第二电极层之间的间隔的宽度为10nm-5cm。

优选的，所述发电机包括多个所述发电部件，其中，多个所述发电部件沿着所述液体波动或者流动的方向顺序排列，相邻两个发电部件共用一个电极层。

优选的，还包括与所述发电部件个数相同的整流部件，每个所述发电部件的两个电极层连接至一个整流部件。

优选的，全部所述整流部件的输出端并联形成发电机的输出端。

优选的，所述整流部件为桥式整流器。

相应的，本发明还提供一种采集液体机械能的发电方法，应用上述的发电机，

所述液体波动或者流动与发电机的摩擦层互相摩擦使摩擦层表面带有电荷，并且随着液体波动或者流动，所述发电部件的两个电极层所对应的摩擦层表面的电荷被液体中的离子先后屏蔽，所述摩擦层表面带有的电荷对所述第一电极层和第二电极层中电子的静电作用不同，在第一电极层与第二电极层之间通过外电路形成电荷流动。

有益效果

本发明提供的采集液体波动或者流动等形式机械能的摩擦电纳米发电机最突出的优点是，发电部件的两个电极层不需要随着液体波动而运动，保证了发电机的使用寿命。通过摩擦层将发电部件与液体环境隔离，这使得发电机可以应用在任何液体环境中，例如可以方便的应用在池塘、河流或海岸以收集水波的机械能，同时也可用于收集雨滴的机械能。

通过调整摩擦层与液体接触的表面结构，使其表面具有疏水结构，同时可以增大液体与摩擦层的接触面积，进一步提高发电机的性能。

发电部件中两个电极层的结构可以进行图案化设计，使发电机可以应用在液体微小波动的情况下，也可以应用在液滴发电的情况下。

本发明提供的发电机，具有重量轻、体积小、结构简单，造价低廉、易规模化生产和安装等特点，可以在池塘、河流或海岸进行大面积铺设，用来收集水流等波动或者流动的机械能。

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。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

图1为本发明采集液体机械能的摩擦电纳米发电机实施例一的结构示意图；

图2中a-c为液体与发电机的摩擦层互相接触摩擦和分离后，摩擦层表面电荷变化示意图；

图3中a-f为本发明采集液体机械能的摩擦电纳米发电机的工作过程示意图；

图4中（a）和（b）是具体发电机工作时的短路电流和感应电荷量曲线；

图5为本发明发电机的实施例二的结构示意图；

图6为本发明发电机的实施例三的结构示意图；

图7是实施例三中具体发电机工作时的短路电流曲线。

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。

实施例一：

图1为本发明摩擦电纳米发电机的一种典型结构，包括绝缘衬底10、发电部件和摩擦层30。其中，发电部件由一个第一电极层21和一个第二电极层22组成，第一电极层21和第二电极层22分隔设置在衬底10上并且互相电连接；摩擦层30覆盖所述发电部件，使所述发电部件的第一电极层21与第二电极层22与发电机工作的液体环境隔离。液体波动与摩擦层30发生摩擦，使与摩擦层30表面带有电荷；随着所述液体的波动，两个电极层所对应的摩擦层30表面的电荷被液体中的离子先后屏蔽，使摩擦层30表面带有的电荷对第一电极层21和第二电极层22中电子的静电作用不同，使第一电极层21与第二电极层22之间有感应电荷流动。在第一电极层21与第二电极层22之间连接检测装置或者负载40（如图2中a-c所示），可以有电流流过检测装置和负载40。

摩擦层30的材料可以为绝缘材料，优选为有机绝缘体材料，可以从下列材料中选择，聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯(FEP，四氟乙烯和六氟丙烯的共聚物)、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚酰亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、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、人造纤维、棉及其织物、木头、硬橡胶、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性体、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸盐，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、醋酸酯、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和派瑞林，包括派瑞林C、派瑞林N、派瑞林D、派瑞林HT或派瑞林AF4。

当液体波动或者流动与摩擦层30的外表面接触时，由于二者的得失电子能力不同，在二者表面会产生等量异号的表面电荷。以液体为水，摩擦层30的材料为FEP薄膜为例，参见图2中a-c，初始状态时摩擦层FEP表面未带有电荷（见图2中a图），水波动时水50与摩擦层FEP发生摩擦，由于摩擦电作用，使与摩擦层FEP接触的水50带有正电荷，摩擦层FEP表面带有等量的负电荷（见图2中b图）；随着水的波动，当水离开摩擦层FEP后，摩擦层上的负电荷仍然保留（见图2中c图）。当水再次波动与摩擦层FEP接触时，重复图中图2中b图和图2中c图的情况。

本实施例发电机的工作原理参见图3中a-f，发电部件的第一电极21与第二电极22之间存在间隔并且通过负载50电连接，摩擦层30的材料为FEP薄膜，第一电极层21和第二电极层22均为Cu薄膜，液体环境为水。发电部件的两个电极层在水波动方向上下分布（对应图3中a-f的两个电极层上下分布），发电机通过水波在摩擦层30材料表面上下波动发电，其发电过程可分为两个过程：第一过程，水面上升依次淹没第一电极层21和第二电极层22；第二过程，水面下降依次使第二电极层22和第一电极层21露出水面。第一过程中，水与摩擦层30接触而使其表面带有正电荷，当水面上升并部分淹没第一电极层21，由于静电感应，第二电极层22的电子将被吸引到第一电极层21从而导致第一电极层21的负电荷密度增加，在负载50中有电流流过（参见图3中a图）。当水面淹没至两个电极层之间的间隔处，第一电极层21的负电荷量将达到最大，这时负载50中没有电荷流过（参见图3中b图）。当水面继续上升并部分淹没第二电极层22时，由于水波表面正电荷的排斥作用，第一电极层21的电子将被吸引到第二电极层22从而使得第二电极层22的正电荷密度降低，在负载50中有电流流过（参见图3中c图）。到水面完全淹没第二电极层22时，第二电极层22的正电荷将完全被电子中和掉并使得上下电极均不带电（这里未画出，可以参见图2中b图）。第二过程中，当水面从最高点下落，第二电极层22逐渐露出水面，其负电荷将会再次被吸引到第一电极层21从而使得下电极的负电荷密度增加，在负载50中有电流流过（参见图3中d图）。当水面下落到两个电极的间隔处，第一电极层21上的负电荷密度将会达到最大，负载50上不会有电流流过（参见图3中e图）。当水面持续下落，第一电极层21开始逐渐露出水面，这时静电感应会排斥负电荷使其流回第二电极层22，在负载50中有电流流过（参见图3中f图）。直到水面低于第一电极层21并使其完全露出，上电极的正电荷被电子完全中和，两个电极将均不带电。水面上下起伏、不断淹没或露出第一电极层21和第二电极层22，这使得外电路中的负载50将会有交变的电流通过。

这里需要说明的是，这里所述的“水面上升并部分或者全部淹没第一电极层或第二电极层”，并不是指水面直接与第一电极层或第二电极层接触并且淹没，而是指在液体波动方向，第一电极层或者第二电极层对应的摩擦层（即覆盖在第一电极层或第二电极层上的摩擦层）被淹没，使电极层的部分或者全部在水面下。在本实施例的所有附图中，液体例如水的波动方向为上下波动，但是，本发明所有实施例提供的发电机均可以应用在液体波动方向在其他方向的液体环境中，例如海浪涨潮退潮的近似水平方向的波动。

该发电机在工作时，液体波动时与摩擦层30发生往复的滑动摩擦，导致液体表面和摩擦层30表面带有电性相反的电荷。随着液体波动先后淹没第一电极层21和第二电极层22，两个电极层所对应的摩擦层30表面的电荷被液体中的离子先后屏蔽，使摩擦层30表面带有的电荷对第一电极层21和第二电极层22中电子的静电作用不同，导致在外电路产生电流（参见图3中a、c、d和e图）。

摩擦层30为本发明摩擦电纳米发电机提供一个摩擦表面，其材料选择主要考虑与发电机使用的液体环境的摩擦电性质。在本实施例中，摩擦层30外表面的材料除了可以选择上述的有机物绝缘体材料外，还可以选择半导体材料，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。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，能够在与液体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。限于篇幅的原因，并不能对所有可能的材料进行穷举，此处仅列出一些具体的材料供人们参考，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，当摩擦层30和波动液体相互接触的表面材料之间的摩擦电性质相差越大时，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摩擦层的外表面，以获得更好的输出效果。具有负极性摩擦电性质的材料优选聚苯乙烯、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、聚三氟氯乙烯和聚四氟乙烯和派瑞林，包括派瑞林C、派瑞林N、派瑞林D、派瑞林HT或派瑞林AF4；具有正极性摩擦电性质的材料优选苯胺甲醛树脂、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、聚乙烯醇和聚酯。摩擦层材料并不限定为一种，可以为上述材料中的一种或者几种。

还可以对摩擦层30的表面进行物理改性，使其表面分布有微米或次微米量级的微结构层，以增加摩擦层30与波动液体之间的接触面积，从而增大液体带有的接触电荷量。还可以通过纳米材料的点缀或涂层的方式来实现该目的。微结构层优选为纳米线、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，以及上述结构形成的阵列，特别是由纳米线、纳米管或纳米棒组成的纳米阵列。微结构层阵列中每个这种单元的尺寸在纳米到微米量级，具体微纳米结构层中的单元尺寸、形状不应该限制本发明的范围。摩擦层30外表面的微结构层可以是通过光刻蚀、化学刻蚀和等离子刻蚀等方法在摩擦层的表面制备，也可以为在制备摩擦层材料时直接形成。

摩擦层30表面的微结构层的作用除了进一步增加摩擦层外表面与液体之间的接触面积外，还可以起到调节摩擦层30的疏水性，控制摩擦层与液体每次接触后的分离程度的作用。因此，优选的，摩擦层外表面的微结构层为超疏水纳米结构，例如氧化锌、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷等纳米线阵列结构，特别是荷叶表面或者是昆虫足等超疏水纳米结构层。

另外，可以根据发电机使用环境液体的极性，选择摩擦层30外表面的亲水或疏水结构，以改善液体波动液体与摩擦层外表面接触后的分离程度，保证发电机的正常工作。优选的，所述液体为极性液体时，摩擦层30表面的微结构层为疏水结构；或者，所述液体为非极性液体时，摩擦层30表面的微结构层为亲水结构。极性液体可以为水、甲酸、甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、乙酸、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、乙腈或丙酮等，非极性液体可以为己烷、苯、甲苯、二乙醚、氯仿、乙酸乙酯、四氢呋喃或二氯甲烷。

也可以对摩擦层30能够与液体接触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，比较相互接触的摩擦层30和液体的材料极性，若摩擦层的极性为较正，在摩擦层材料表面引入更易失电子的官能团（即强给电子团）；若摩擦层的极性为负，在摩擦层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，比较相互接触的摩擦层30和液体的材料极性，若摩擦层的极性为正，在摩擦层材料表面引入正电荷；若摩擦层的极性为负，在变化层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。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。

另外，本发明的发电机的输出性能与液体的导电性相关，较低的离子浓度有助于在液体与摩擦层互相接触时形成表面摩擦电荷。在具体应用时，还可以根据摩擦层材料的不同对液体的电荷量进行调整，以提高液体与摩擦层互相摩擦时产生的表面接触电荷量，从而提高发电机的输出性能。例如，可以在水中加入NaCl形成饱和水溶液，其他条件不变的情况下，产生感应电荷量会比在自然水中降低40%。

本发明的发电机可以应用的液体环境，除了水、NaCl水、溶液外，还可以应用在去离子水、海水、雨水中，以及上述的极性或者非极性液体环境中。

本发明中，本发明并不限定摩擦层30和/或摩擦层外表面包括的微结构层必须是硬质材料，也可以选择柔性材料，因为材料的硬度并不影响摩擦层30与液体二者之间的接触效果，本领域的技术人员可以根据实际情况进行选择。

摩擦层30的厚度对本发明的发电机的性能有显着影响，只是在制备的过程中需要综合考虑摩擦层强度与疏水效果及发电效率等因素。本发明优选摩擦层为薄层，厚度为10nm-2cm，优选100nm-1cm，更优选1μm-1mm，这些厚度对本发明中所有的技术方案都适用。摩擦层10的厚度越薄越好，但由于现有技术局限，最优选为1μm-100μm。优选的，微结构层的厚度介于2nm-200μm之间。

摩擦层的厚度没有特别要求，为了提高发电机的输出性能，优选的，摩擦层的厚度范围在纳米级至微米级。

本实施例中的发电部件由2个电极层组成，常用的导体材料均可用于制备导电部件，例如金属、有机物导体和导电的非金属材料等，其中金属可选金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金；导电的非金属材料可选自氧化铟锡ITO、掺杂的半导体或者导电高分子材料。

发电部件中的2个电极层尺寸和形状可以相同，也可以不同。通过实验发现，减小电极层的宽度，可以提高发电机的输出性能。优选的，第一电极层或者第二电极层为长条状，沿着长度方向平行排列，长宽比为1:1至1000:1。

发电部件中，第一电极层21和第二电极层22为分隔设置，即二者之间需要留有一定的空隙，该空隙的存在是电子能够通过负载或者检测装置等外接电路40在两个电极层之间流动的关键。理论研究和实验对比显示，电极层之间的间距越小，越有利于提高输出的电流密度和功率密度。因此，应该优先选用较小的电极层间距，但是考虑到放电的因素，该间距又不能过小。本发明认为该间距优选为10nm-5cm，更优选0.1μm-1cm。分隔的电极层可以通过选择性镀膜技术在衬底10上制备，也可以用导电的薄层或薄片直接切割而成。两个电极层的厚度对发电机的性能没有影响，可以为薄膜、薄片或者块状结构，根据发电机的使用范围和发电机的大小情况，可以进行适当的选择。

第一电极层21和第二电极层22的相对位置只要满足在液体波动方向上前后（或者上下）间隔设置外并没有其他特殊限定，二者既可以位于同一个平面上，也可以位于不同的平面上，二者可以相互平行，也可以形成一定角度。优选第一电极层21和第二电极层22位于同一个平面上，以减小二者之间的等效电容量，提高发电机的输出电压。

为了在提高电信号输出密度的同时，防止电极层之间的放电，还可以在两个电极层的空隙之间填有填充介质。该填充介质可以为与绝缘材料的摩擦层材料相同或者不同。填充介质既可以仅填充于两个电极层之间的空隙中，也可以如图1至3中所示在两个电极层的周围也设置一圈，用于作为电极层的支撑结构或保护结构。该填充介质也可以为与绝缘衬底的材料相同的材料。

发电机的衬底、发电部件和摩擦层既可以是硬质材料，也可以是柔性材料，材料的硬度对发电性能没有明显影响，但是却可以扩展本发明发电机的应用范围。衬底材料可以选择半导体器件常用的衬底材料，优选为绝缘材料，更优选为有机物绝缘体材料，例如丙烯酸塑料等。

另外发电机整体可以为平板结构，也可以为圆筒状等结构。例如可以将筒状的发电机附着在浮标上，发电部件的第一电极层和第二电极层均可以为环状，在浮标上呈上下排列，随着浮标的上下浮动，第一电极层和第二电极层在液体中上下浮动，将液体波动的机械能转变为电能。另外，发电机的衬底可以由浮标上的绝缘部分替代，将发电部件直接设置在浮标上。

下面以一个具体发电机结构展示在波动水中的发电机的输出性能。在厚度为75微米的FEP薄膜上，采用掩膜方法沉积两个尺寸为长为6cm宽为3cm平行排列的Cu薄膜作为第一电极层和第二电极层，两个Cu薄膜电极层之间的间隔为1mm，Cu薄膜的厚度为200nm。用导线将两个电极层引出后，将FEP薄膜制备有电极层的一面贴合在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）衬底上。在两个电极层的引出导线上连接检测装置，通过线性马达控制发电机的两个电极层依次没入水中和离开水面（参见图3中的两个过程），发电机的移动速度为0.5m/s，图4中（a）和图4中（b）显示了两个电极层之间的短路电流和感应电荷量，结果表明短路电流的最大值为3μA，感应电荷量为75nC。

实施例二：

本实施例中，发电部件的两个电极层为图形化的电极层，图5为本实施例发电机的另一种典型结构，导电部件中的第一电极层210和第二电极层220均为插齿结构，每个所述插齿结构电极由若干个长条状子电极平行排列，并在一端互相连接形成。两个插齿状电极互相之间留有间隔230呈交叉状，如图5所示，在箭头所示的液体波动方向上，两个电极的长条状子电极交替排列。摩擦层覆盖所述发电部件，使所述发电部件的第一电极层210与第二电极层220与发电机工作的液体环境隔离。在液体波动方向上，第一电极层210的一个子电极与第二电极层220的一个子电极相邻，互相之间通过间隔230隔开构成一个结构与实施例一中系统的发电子部件A1。这种结构的发电机可以应用在液体波动范围比较大的情况下，相当于发电部件包括多个结构与实施例一中相同的发电子部件，多个发电子部件之间进行并联，并且相邻的发电子部件之间共用同一个条状子电极，如相邻的发电子部件A1和A2共用第一电极层210的一个条状子电极。

插齿结构的第一电极层或者第二电极层中，优选的，长条状子电极长宽比为1:1至1000:1。第一电极层210和第二电极层220之间的间隔230的宽度优选为10nm-5cm，更优选0.1μm-1cm。

本实施例中，衬底和摩擦层的材料、结构等均可以与实施例一中的相同，第一电极层和第二电极层的材料也可以采用实施例一中的材料，在这里不再复述。

实施例三:

实施例一和二中的发电机适用在海浪波动等环境中，液体波动时与发电机的接触面积的改变有限，对于雨水等流动液体的机械能的吸收效率受到限制。为了适用流动水或者雨滴的液体环境，本实施例提供的发电机中包括多个实施例一中所述的发电部件和相同个数的整流部件，多个发电部件的电极层在液体流动或者波动方向平行排列，并且相邻两个发电部件共用一个电极层，一个发电部件输出电信号一个通过整流部件整流，所有整流部件的输出端进行并联连接作为发电机的输出端。以发电机包括5个发电部件为例说明本实施例的结构，参见图6，在绝缘衬底（图中未显示）上设置6个平行排列的条状电极层201、202、203、204、205和206，第一个发电部件的电极层201和201分别与整流部件A1的输入端连接，第二个发电部件的电极层202和203分别与整流部件A2的输入端连接，第三个发电部件的电极层203和204分别与整流部件A3的输入端连接，第四个发电部件的电极层204和205分别与整流部件A4的输入端连接，第五个发电部件的电极层205和206分别与整流部件A5的输入端连接，5个整流部件A1、A2、A3、A4和A5的输出端并联形成发电机的输出端，可以在改输出端连接负载401。在5个发电部件的6个电极层上覆盖摩擦层（图中未示出），将发电部件与工作时的液体环境隔离开。以连续水流从发电机的摩擦层上流过为例，当液体依次经过覆盖在电极层201、202、203、204、205和206上的摩擦层时，与摩擦层发生摩擦使液体和摩擦层表面带有电荷，随着液体的移动顺序经过每个发电部件的两个电极层时，液体中的离子依次屏蔽每个电极层对应的摩擦层表面的电荷，使摩擦层表面带有的电荷对两个电极层中电子的静电作用不同，导致发电部件的两个电极之间有感应电荷流动。由于在液体靠近和离开发电部件时，产生的电流方向相反，在每个发电部件上连接一个整流部件，将发电部件产生的交流电信号转变为直流电信号。流动的液体或者液滴滑过发电机的摩擦层，可以使发电机的多个发电部件同时或者不同时产生电信号。本实施例的发电机，将多个发电部件的输出信号各自通过整流部件整流为直流信号后并联作为发电机的输出信号，可以收集液体流动或者液滴滑动的机械能转变为电能，可以在河流、海岸等存在液体流动或者波动的地方大面积应用，也可以在雨水等液滴环境中应用。

本实施例中，在每个发电部件的电极层上连接整流部件，并且将整流部件的输出端进行并联是优选的实施方式，在其他实施方式中，也可以不包括整流部件，仅是多个发电部件顺序排列，这样的发电机，每个发电部件可以单独工作。也可以在每个发电部件连接一个整流部件，将每个发电部件的输出信号整流为直流信号单独输出，而不进行并联连接。

优选的，每个发电部件中电极层的宽度范围10um-10cm，两个电极层的间隔的宽度优选为10nm-5cm，更优选0.1μm-1cm。

下面以一个具体发电机的例子说明本发明的发电机可以收集流动液体的能量进行发电。

使用有机玻璃作为衬底，采用物理气相沉积（PVD）方法在有机玻璃衬底上沉积6个平行等距排列的长条状Cu薄膜层作为5个发电部件的电极层，每个电极层的长为20cm宽为6mm，厚度为200nm，相邻两个电极层的间隔为1mm。使用容易得到电子的高分子聚合物材料FEP制备摩擦层，将厚度为75微米的摩擦层材料FEP紧贴在6个平行的Cu薄膜层上，将6个Cu薄膜层分别用导线引出后用epoxy涂在摩擦层材料的边缘，使摩擦层材料和衬底将6个电极层密封，使电极层与液体环境隔离以提高发电机器件的水密性。并且采用等离子刻蚀方法在FEP薄膜与液体接触的表面上制备垂直表面的纳米线阵列，提高摩擦层FEP表面的疏水性。参照图5，将相邻两个电极层（一个发电部件）引出的导线连接至一个桥式整流器，将5个桥式整流器的输出端进行并联后连接一个电流表。水流沿着与发电机的摩擦层成30°角从发电机上流过，摩擦层与水流互相摩擦使摩擦层表面带有电荷，水流中的离子将依次屏蔽两个电极层对应的摩擦层表面的电荷，使摩擦层表面带有的电荷对两个电极层中电子的静电作用不同。图7为测量水流从靠近第一个电极层至完全离开电极层过程中发电机的短路电流，可以看出，发电机有两个发电过程，分别对应发电机和水的一次作用，发电机输出的短路电流约为8μA。

本发明各实施例提供的发电机结构简单，可以在湖泊、海岸等地方进行大面积铺设，用于收集利用水波动或者流动的机械能。另外，本发明提供的发电机也可以应用在小面积水域中，例如在水槽中的水，通过水槽的晃动使水波动或者发电机的移动，形成水相对发电机的波动，将水波动的机械能转变为电能。

实施例四：

本发明还提供一种应用在液体中的发电方法，应用上述任意一款发电机，结合图1说明上述的发电方法，液体波动或者流动与发电机的摩擦层30互相摩擦使液体带有电荷，并且随着液体波动或者流动，发电部件的两个电极层所对应的摩擦层表面的电荷被液体中的离子先后屏蔽，所述摩擦层表面带有的电荷对所述第一电极层和第二电极层中电子的静电作用不同，在第一电极层21与第二电极层22之间通过外电路形成电荷流动。

本发明提供的方法可以应用在波动液体中，也可以应用在湖泊、河流等环境中，可以方便的将液体中不同形式的机械能转变为电能进行利用。

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作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 (20)

1.一种采集液体机械能的摩擦电纳米发电机，其特征在于，包括：

绝缘衬底；

发电部件，由一个第一电极层和一个第二电极层组成，所述第一电极层和第二电极层分隔设置在所述衬底上并且互相电连接；

摩擦层，覆盖所述发电部件，使所述发电部件的第一电极层与第二电极层与所述液体隔离；

所述液体波动或流动时与所述摩擦层发生摩擦，使与液体接触的摩擦层表面带有电荷；随着所述液体的波动或流动，两个电极层所对应的摩擦层表面的电荷被液体中的离子先后屏蔽，使摩擦层表面带有的电荷对所述第一电极层和第二电极层中电子的静电作用不同，使所述第一电极层与第二电极层之间有感应电荷流动。

2.根据权利要求1所述的采集液体机械能的摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述摩擦层与所述液体接触的表面设置有微结构层，所述微结构层为纳米线、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，以及上述结构形成的阵列。

3.根据权利要求2所述的采集液体机械能的摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述液体为极性液体时，所述摩擦层表面的微结构层为疏水结构；或者，所述液体为非极性液体时，所述摩擦层表面的微结构层为亲水结构。

4.根据权利要求1-3任一项所述的采集液体机械能的摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述第一电极层和第二电极层均为长条状，并且在所述衬底上沿着长度方向平行排列。

5.根据权利要求4所述的采集液体机械能的摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述第一电极层和/或第二电极层的长宽比为1:1至1000:1。

6.根据权利要求4或5所述的采集液体机械能的摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述第一电极层和第二电极层之间的间隔宽度为10nm-5cm。

7.根据权利要求2所述的采集液体机械能的摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述摩擦层为薄膜，厚度为10nm-2cm；所述微结构层的厚度为2nm-200μm。

8.根据权利要求1-7任一项所述的采集液体机械能的摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述摩擦层能够与液体接触的表面经过化学改性，其中，

比较所述摩擦层和液体的材料极性，若摩擦层的极性为较正，在摩擦层材料表面引入更易失电子的官能团（即强给电子团）；若摩擦层的极性为负，在摩擦层的材料表面引入更易得电子的官能团（强吸电子团）；

或者，

比较所述摩擦层和液体的材料极性，若摩擦层的极性为正，在摩擦层材料表面引入正电荷；若摩擦层的极性为负，在变化层的材料表面引入负电荷。

9.根据权利要求1-8任一项所述的采集液体机械能的摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述摩擦层的材料为下列材料中的一种或者几种：聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯(FEP，四氟乙烯和六氟丙烯的共聚物)、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚酰亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、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、人造纤维、棉及其织物、木头、硬橡胶、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性体、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸盐，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、醋酸酯、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和派瑞林，包括派瑞林C、派瑞林N、派瑞林D、派瑞林HT或派瑞林AF4。

10.根据权利要求1-9任一项所述的采集液体机械能的摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述发电部件中第一电极层与第二电极层的形状和尺寸均相同。

11.根据权利要求1-10任一项所述的采集液体机械能的摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述衬底、发电部件和/或摩擦层为硬性或者柔性材料。

12.根据权利要求1-11任一项所述的采集液体机械能的摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述液体为水、去离子水、海水、NaCl水溶液、甲酸、甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、乙酸、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、乙腈、丙酮、己烷、苯、甲苯、二乙醚、氯仿、乙酸乙酯、四氢呋喃或二氯甲烷。

13.根据权利要求1-3、7-12任一项所述的采集液体机械能的摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述发电部件的第一电极层和第二电极层为插齿结构，每个所述插齿结构电极由若干个长条状子电极平行排列，并在一端互相连接形成；插齿状第一电极层和第二电极层互相之间留有间隔呈交叉状。

14.根据权利要求13所述的采集液体机械能的摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述长条状子电极的长宽比为1:1至1000:1。

15.根据权利要求13或14所述的采集液体机械能的摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述第一电极层和第二电极层之间的间隔的宽度为10nm-5cm。

16.根据权利要求1-12任一项所述的采集液体机械能的摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述发电机包括多个所述发电部件，其中，多个所述发电部件沿着所述液体波动或者流动的方向顺序排列，相邻两个发电部件共用一个电极层。

17.根据权利要求16所述的采集液体机械能的摩擦电纳米发电机，其特征在于，还包括与所述发电部件个数相同的整流部件，每个所述发电部件的两个电极层连接至一个整流部件。

18.根据权利要求17所述的采集液体机械能的摩擦电纳米发电机，其特征在于，全部所述整流部件的输出端并联形成发电机的输出端。

19.根据权利要求17或18所述的采集液体机械能的摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述整流部件为桥式整流器。

20.一种采集液体机械能的发电方法，其特征在于，应用权利要求1-19任一项所述的采集液体机械能的摩擦电纳米发电机，

所述液体波动或者流动与发电机的摩擦层互相摩擦使摩擦层表面带有电荷，并且随着液体波动或者流动，所述发电部件的两个电极层所对应的摩擦层表面的电荷被液体中的离子先后屏蔽，所述摩擦层表面带有的电荷对所述第一电极层和第二电极层中电子的静电作用不同，在第一电极层与第二电极层之间通过外电路形成电荷流动。