CN105099257B - 接触摩擦式纳米发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种接触摩擦式纳米发电机，包括：第一摩擦单元、第二摩擦单元以及移动部件；所述移动部件位于所述第一摩擦单元和所述第二摩擦单元之间；所述第一摩擦单元具有按照预设间隔排布的多个第一去除区域，所述第二摩擦单元具有按照所述预设间隔排布的多个第二去除区域，且所述多个第一去除区域和所述多个第二去除区域是交错分布的；当所述移动部件与所述第一摩擦单元和所述第二摩擦单元发生相对移动时，所述移动部件分别与所述第一摩擦单元、所述第二摩擦单元产生摩擦作用。该接触摩擦式纳米发电机能有效地收集周围环境中相对滑动的机械能，其发电效率优于现有技术中接触分离式结构的纳米发电机。

Description

接触摩擦式纳米发电机

技术领域

本发明涉及纳米技术领域，更具体地说，涉及一种接触摩擦式纳米发电机。

背景技术

能源短缺是当今人类社会面临的重大问题，发展新能源技术和节能技术已成为科学领域的重要课题，而采用纳米技术的能量收集和转换装置具有独特的自发电和自驱动性质，很可能在制造和驱动自供电纳米器件和纳米系统装置中起到关键性的作用。自从2006年美国佐治亚理工学院王中林教授研究组首次成功实现了利用氧化锌纳米线将机械能转化成电能的压电式纳米发电机以来，以压电效应为基础，人们相继研制出了基于不同材料和不同结构的各种纳米发电机。与此同时，从周围环境中收集机械能引起了科学界的极大兴趣。通常来讲，发电机是一种能够生成电荷，将正负电荷分开，并用电势产生的电荷驱动自由电子流的方法。目前，科学家们研制的发电机主要是利用电磁、压电、静电等原理收集机械能并转换电能运用，但很难利用相对滑动的原理收集机械能并转换电能运用。相对滑动是一种非常普遍的现象，存在于我们日常生活中各个层面。由于它很难被收集和利用，往往是被人们所忽略的一种能源形式。如果能够通过一种新的方法利用相对滑动的原理产生的电能或者利用该方法将日常生活中不规则的相对滑动的机械能转成能够利用的电能，将对人们的日常生活产生重要影响。

截止到目前为止，接触分离式结构的纳米发电机已被研制成功，这一类型的纳米发电机主要是利用摩擦原理产生电能。中国专利申请CN201220217634.9公开了一种摩擦发电机以及摩擦发电机机组，所述摩擦发电机包括两个电极，该电极包括高分子聚合物绝缘层，所述高分子聚合物绝缘层一侧表面为微纳凹凸结构，另一侧表面设置有金属薄膜，该绝缘层电极微纳凹凸结构的表面与另一个绝缘层电极微纳凹凸结构的表面正对贴合并通过外侧边缘固定连接；金属薄膜为摩擦发电机电压和电流输出电极。该专利申请依靠摩擦电发电机内部摩擦起电电势的变化以及两侧金属极板的诱导效应产生电能，通过串联多个摩擦电发电机能够组成发电机组，以提高单位面积的输出功率。该专利申请公开的方案虽然具有低成本和结构简单的优势，但是该方案并没有对周围环境中的相对滑动的机械能进行有效地收集。

中国专利申请CN201420045281.8公开了一种接触-分离式摩擦纳米发电机及发电机组。所述发电机包括由M×N个分立的发电机单元构成的发电机单元阵列，其中M和N为自然数；且每个发电机单元包括：第一摩擦件，其背面设置有第一导电层；硬质的上基板，其正面固定有导电的第二摩擦件；弹性连接件，其用于连接第一摩擦件和上基板，使得上基板和第一摩擦件之间具有一定间隙，且仅在上基板受到外力作用后，其正面固定的第二摩擦件和与其对应的第一摩擦件正面接触，并通过第一导电层和第二摩擦件向外输出交流脉冲信号。该专利申请采用M×N个与雨滴尺寸相匹配的发电机单元，保证充分利用雨滴动力，柔性防水薄膜在相邻的第二基板之间形成凹槽，便于水流的导出。该专利申请公开的方案虽然利用了雨滴动力，但是该方案公开的发电机结构复杂、发电效率不高，并且也没有提及对周围环境中的相对滑动的机械能进行有效地收集。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种接触摩擦式纳米发电机，能够有效地收集周围环境中相对滑动的机械能，并且进一步提高现有技术中接触分离式结构的纳米发电机的发电效率。

本发明提供一种接触摩擦式纳米发电机，包括：第一摩擦单元、第二摩擦单元以及移动部件；所述移动部件位于所述第一摩擦单元和所述第二摩擦单元之间；所述第一摩擦单元具有按照预设间隔排布的多个第一去除区域，所述第二摩擦单元具有按照所述预设间隔排布的多个第二去除区域，且所述多个第一去除区域和所述多个第二去除区域是交错分布的；当所述移动部件与所述第一摩擦单元和所述第二摩擦单元发生相对移动时，所述移动部件分别与所述第一摩擦单元、所述第二摩擦单元产生摩擦作用，且在移动过程中所述第一摩擦单元和所述第二摩擦单元中的一个摩擦单元因所述摩擦作用感应出电荷的区域面积递增，另一个摩擦单元因所述摩擦作用感应出电荷的区域面积递减。

进一步，所述多个第一去除区域和所述多个第二去除区域的排布方向与所述移动部件的相对移动方向一致。

进一步，所述第一摩擦单元和所述第二摩擦单元均为金属电极层，两个金属电极层为所述接触摩擦式纳米发电机的输出电极。

进一步，所述移动部件为高分子聚合物层，所述第一摩擦单元、所述高分子聚合物层和所述第二摩擦单元依次层叠设置；所述高分子聚合物层具有按照所述预设间隔排布的多个第三去除区域；所述多个第三去除区域的排布方向与所述移动部件的相对移动方向一致。

进一步，所述多个第一去除区域、多个第二去除区域和多个第三去除区域的形状和大小都相同，所述预设间隔的宽度与所述第一去除区域、第二去除区域和第三去除区域在排布方向上的宽度相同。

进一步，所述金属电极层为铝箔层，所述高分子聚合物层为聚四氟乙烯薄膜。

进一步，所述第一摩擦单元包括第一电极层和第一高分子聚合物层，所述第一电极层设置在所述第一高分子聚合物层的第一侧表面上，所述第一高分子聚合物层的第二侧表面具有多个第一凹槽；所述第一电极层具有按照所述预设间隔排布的多个第一去除区域；所述第二摩擦单元包括第二电极层和第二高分子聚合物层，所述第二电极层设置在所述第二高分子聚合物层的第一侧表面上，所述第二高分子聚合物层的第二侧表面具有多个第二凹槽；所述第二电极层具有按照所述预设间隔排布的多个第二去除区域；所述第一电极层和所述第二电极层为所述接触摩擦式纳米发电机的输出电极；所述第一高分子聚合物层和所述第二高分子聚合物层相对设置，使得每个相对的第一凹槽与第二凹槽组合为容纳所述移动部件的腔室。

进一步，所述移动部件为多个球体，所述每个腔室容纳一个球体。

进一步，第一凹槽和第二凹槽沿所述移动部件的相对移动方向的长度为所述球体直径的2倍；第一凹槽和第二凹槽的截面均为半圆形，所述腔室为圆柱型腔室，所述半圆形的半径与所述球体的半径相同。

进一步，所述第一高分子聚合物层和所述第二高分子聚合物层的材质为尼龙，所述球体的材质为聚四氟乙烯。

利用本发明提供的上述接触摩擦式纳米发电机，当周围环境中具有相对滑动的机械能时，可将该机械能施加在移动部件上，使移动部件沿相对移动方向移动，这样接触摩擦式纳米发电机的两个电极层之间就会产生电势差，进而促使摩擦单元之间的电子在外电路流动产生电流，实现了有效地收集周围环境中相对滑动的机械能，进一步还可为位移传感器提供能源，经实验验证该接触摩擦式纳米发电机的发电效率优于现有技术中接触分离式结构的纳米发电机。

附图说明

图1为本发明提供的接触摩擦式纳米发电机实施例一的截面结构示意图；

图2为本发明提供的接触摩擦式纳米发电机实施例一中的第一摩擦单元的多个第一去除区域分布平面结构示意图；

图3为本发明提供的接触摩擦式纳米发电机实施例一中的第二摩擦单元的多个第二去除区域分布平面结构示意图；

图4为本发明提供的接触摩擦式纳米发电机实施例一的发电原理示意图；

图5为本发明提供的接触摩擦式纳米发电机实施例二的截面结构示意图；

图6为本发明提供的接触摩擦式纳米发电机实施例二的立体结构示意图；

图7为本发明提供的接触摩擦式纳米发电机实施例二的立体结构截面示意图；

图8为本发明提供的接触摩擦式纳米发电机实施例二的发电原理示意图。

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，但本发明并不仅仅限于此。

为了能够有效地收集周围环境中相对滑动的机械能，本发明提供了一种接触摩擦式纳米发电机，这种接触摩擦式纳米发电机包括：第一摩擦单元、第二摩擦单元以及移动部件。其中移动部件位于第一摩擦单元和第二摩擦单元之间。第一摩擦单元和第二摩擦单元可以为平行于地面的平板状结构。具体地，第一摩擦单元具有按照预设间隔排布的多个第一去除区域，第二摩擦单元具有按照所述预设间隔排布的多个第二去除区域，且多个第一去除区域和多个第二去除区域是交错分布的。这里第一去除区域和第二去除区域是不能感应出电荷的区域。当移动部件与第一摩擦单元和第二摩擦单元发生相对移动时，移动部件分别与第一摩擦单元、第二摩擦单元产生摩擦作用，且在移动过程中第一摩擦单元和第二摩擦单元中的一个摩擦单元因摩擦作用感应出电荷的区域面积递增，另一个摩擦单元因所述摩擦作用感应出电荷的区域面积递减。摩擦单元感应出电荷的区域面积变化会促使电荷发生变化，这样两个摩擦单元之间就会产生电势差，进而促使摩擦单元之间的电子在外电路流动产生电流。

利用本发明提供的上述接触摩擦式纳米发电机，当周围环境中具有相对滑动的机械能时，可将该机械能施加在移动部件上，使移动部件与第一摩擦单元和第二摩擦单元发生相对移动，这样接触摩擦式纳米发电机的两个摩擦单元之间就会产生电势差，进而促使摩擦单元之间的电子在外电路流动产生电流，实现了有效地收集周围环境中相对滑动的机械能，进一步还可为位移传感器提供能源，经实验验证该接触摩擦式纳米发电机的发电效率优于现有技术中接触分离式结构的纳米发电机。

下面通过两个具体的实施例对本发明提供的接触摩擦式纳米发电机的结构和发电原理进行进一步介绍。

图1为本发明提供的接触摩擦式纳米发电机实施例一的截面结构示意图，如图1所示，该接触摩擦式纳米发电机包括：第一摩擦单元、第二摩擦单元以及移动部件；其中，第一摩擦单元和第二摩擦单元分别为金属电极层10和金属电极层12，移动部件为高分子聚合物层11。高分子聚合物层11位于金属电极层10和金属电极层12之间，由此形成三层结构的接触摩擦式纳米发电机。金属电极层10和金属电极层12与高分子聚合物层11均为平板状结构，高分子聚合物层11能沿图1中箭头所指的方向发生相对移动，这里箭头所指的方向即高分子聚合物层11的相对移动方向，当然，在接触摩擦式纳米发电机与地面放置的角度发生变化时，其相对移动方向也会发生改变，例如：接触摩擦式纳米发电机垂直于地面放置时，其相对移动方向变为垂直于地面方向的上下移动方向，本领域技术人员可以根据需要选择放置的角度，此处不做限定。另外，在下文中均以相对移动方向为水平左右移动为例进行描述。金属电极层10和金属电极层12为该接触摩擦式纳米发电机的输出电极。

金属电极层10具有按照预设间隔排布的多个第一去除区域13，金属电极层12具有按照所述预设间隔排布的多个第二去除区域14，高分子聚合物层11具有按照所述预设间隔排布的多个第三去除区域15。第一去除区域、第二去除区域和第三去除区域的排布方向与相对移动方向一致。下面对上述的多个第一去除区域13、多个第二去除区域14和多个第三去除区域15的具体大小设置和分布进行详细说明。

图2为本发明提供的接触摩擦式纳米发电机实施例一中的第一摩擦单元的多个第一去除区域分布平面结构示意图，如图2所示，第一摩擦单元为图1中的金属电极层10，在水平左右移动的方向上，在金属电极层10左边距为F的位置上依次纵向去除宽度为A，长度为C的面积而形成多个第一去除区域，相邻的两个第一去除区域之间的间距为B，优选地，间距B与第一去除区域的宽度A相等。左边距F为预留距离，F可与间距B相等。为了使金属电极层10在去除宽度为A，长度为C的面积后仍然能够保持平板状结构，设置第一去除区域距离金属电极层10的上边沿的上边距为D，第一去除区域距离金属电极层10的下边沿的下边距为E，第一去除区域距离金属电极层10的右边沿的右边距为G。其中，长度C、上边距D和下边距E的设置可以根据实际使用情况进行具体设置。当金属电极层10在去除宽度为A，长度为C的面积而形成上述多个第一去除区域之后，在上述多个第一去除区域所在位置处，金属电极层10是镂空的。

在水平左右移动的方向上，图1中的高分子聚合物层11的多个第三去除区域15的大小设置完全与金属电极层10的多个第一去除区域13大小设置一样，多个第三去除区域15的排布与多个第一去除区域13的排布一一对应。

图3为本发明提供的接触摩擦式纳米发电机实施例一中的第二摩擦单元的多个第二去除区域分布平面结构示意图，如图3所示，第二摩擦单元为图1中的金属电极层12，在水平左右移动的方向上，在金属电极层12左边距为F＇的位置上依次纵向去除宽度为A，长度为C的面积而形成多个第二去除区域，相邻的两个第二去除区域之间的间距为B，优选地，间距B等于第二去除区域的宽度A。左边距为F＇为预留间距，为了使金属电极层12的第二去除区域和金属电极层10的第一去除区域交错分布，左边距F＇可等于间距B的2倍。为了使金属电极层12在去除宽度为A，长度为C的面积之后仍然能够保持平板状结构，设置第二去除区域距离金属电极层12的上边沿的上边距为D，第二去除区域距离金属电极层12的下边沿的下边距为E。其中，长度C、上边距D和下边距E的设置可以根据实际使用情况进行具体设置。当金属电极层12上去除宽度为A，长度为C的面积而形成上述多个第二去除区域之后，在上述多个第二去除区域所在位置处，金属电极层12是镂空的。

金属电极层12的多个第二去除区域的宽度A、间距B、长度C、上边距D和下边距E的大小设置完全与金属电极层10的多个第一去除区域对应的大小设置一样，金属电极层10的第一去除区域的右边距G与金属电极层12的第二去除区域的左边距F＇相等，金属电极层10的多个第一去除区域和金属电极层12的多个第二去除区域是交错分布的，也就是金属电极层10的多个第一去除区域的位置对应于金属电极层12没有进行去除多个第二去除区域的位置。

上述多个第一去除区域、多个第二去除区域和多个第三去除区域的形状和大小都相同。其中，金属电极层10和金属电极层12没有被去除的区域为能感应出电荷的区域，金属电极层10和金属电极层12被去除的区域为不能感应出电荷的区域。

如图1所示，当高分子聚合物层11沿着箭头所指的水平方向左右移动时，高分子聚合物层11分别与金属电极层10、金属电极层12产生摩擦作用，且在水平左右移动的过程中金属电极层10和金属电极层12中的一个金属电极层因摩擦作用感应出电荷的区域面积递增，另一个金属电极层因所述摩擦作用感应出电荷的区域面积递减。根据电荷守恒定律，电极层感应出电荷的区域面积变化会促使电荷发生变化，这样两个电极层之间就会产生电势差，进而促使电极层之间的电子在外电路流动产生电流，即金属电极层10和金属电极层12之间形成了方向一致的电流。

可选地，高分子聚合物层11选自聚四氟乙烯薄膜、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜、聚二甲基硅氧烷薄膜、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、聚甲基薄膜、甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、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、甲醛苯酚薄膜、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、丙烯腈氯乙烯薄膜、聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜和聚偏氟乙烯薄膜中的一种。优选地，高分子聚合物层11为聚四氟乙烯薄膜。

金属电极层10和金属电极层12的材质可以选自铟锡氧化物、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。优选地，金属电极层10和金属电极层12为铝箔层。

为了更清楚地理解接触摩擦式纳米发电机实施例一的发电原理和测试方法，下面对实施例一的发电原理和实验测试方法进行详细说明。

图4为本发明提供的接触摩擦式纳米发电机实施例一的发电原理示意图。如图4中a状态所示，金属电极层10、金属电极层12和高分子聚合物层11保持相对静止。高分子聚合物层11从a状态沿着水平方向向右移动到b状态的过程中，金属电极层10和金属电极层12保持相对静止，高分子聚合物层11相对于金属电极层10和金属电极层12向右移动，金属电极层10和高分子聚合物层11的接触面积减少，金属电极层10能感应出电荷的区域面积减少，而金属电极层12与高分子聚合物层11的接触面积增加，金属电极层12能感应出电荷的区域面积增加，因此两个电极层之间就会产生电势差。由于此电势差的产生，金属电极层10和金属电极层12之间就会在外电路形成方向一致的电流，如图4中b状态所示。高分子聚合物层11从b状态沿着水平方向向左移动到c状态的过程中，高分子聚合物层11相对于金属电极层10和金属电极层12向左移动，金属电极层10和高分子聚合物层11的接触面积增加，金属电极层10能感应出电荷的区域面积增加，而金属电极层12和高分子聚合物层11的接触面积减少，金属电极层12能感应出电荷的区域面积减少，因此，金属电极层10和金属电极层12之间就会在外电路形成方向一致的电流，如图4中c状态所示。从a状态到b状态的过程中，金属电极层10和金属电极层12之间形成的电流方向与从b状态到c状态的过程中，金属电极层10和金属电极层12之间形成的电流方向相反。可将从a状态到b状态，再从b状态到c状态看作为一个周期，这整个周期产生了一个交流电。

以上述实施例一提供的接触摩擦式纳米发电机作为测试样品进行实验测试，该实验测试需要的测试工具包括驱动工装、示波器和电容为10μC的充电模块。将测试样品安装在驱动工装上，驱动工装带动测试样品中的高分子聚合物层水平左右来回移动，且测试样品中的上下两个金属电极层保持不动，这样高分子聚合物层就在上下两个金属电极层间产生相对运动。将两个金属电极层接入示波器测试输出电压；将两个金属电极层接入充电模块测试输出电流。

实验测试中，高分子聚合物层以48mm/s的速度来回运动，将两个金属电极层接入示波器测试出的峰值电压为6.4V。将两个金属电极层接入充电模块，给电容C为10μf的电容充电。该测试样品的面积为0.06m*0.025m²，当充电时间T为175s时，电容的电压V为3V，电量为Q，则电流I＝Q/T＝CV/T＝10*10^-6*3/175＝1.7*10^-7，即产生的平均电流为0.17μA，相当于接触摩擦式纳米发电机的面积是1m²的情况下，可产生约为113μA的平均电流。

利用图1所示的接触摩擦式纳米发电机，当周围环境中具有相对滑动的机械能时，可将该机械能施加在高分子聚合物层上，使高分子聚合物层沿水平左右方向移动，这样接触摩擦式纳米发电机的两个电极层之间产生交流电，实现了有效地收集周围环境中相对滑动的机械能，进一步还可为位移传感器提供能源，经实验验证该接触摩擦式纳米发电机的发电效率优于现有技术中接触分离式结构的纳米发电机。

图5为本发明提供的接触摩擦式纳米发电机实施例二的截面结构示意图，如图5所示，该接触摩擦式纳米发电机包括：第一摩擦单元、第二摩擦单元以及移动部件；其中，第一摩擦单元包括第一电极层20和第一高分子聚合物层21，第一电极层20设置在第一高分子聚合物层21的第一侧表面上，第一高分子聚合物层21的第二侧表面具有多个第一凹槽，第一电极层20具有按照所述预设间隔排布的多个第一去除区域25。第二摩擦单元包括第二电极层24和第二高分子聚合物层23，第二电极层24设置在第二高分子聚合物层23的第一侧表面上，第二高分子聚合物层23的第二侧表面具有多个第二凹槽，第二电极层24具有按照所述预设间隔排布的多个第二去除区域26。其中，第一电极层20和第二电极层24为该接触摩擦式纳米发电机的输出电极。

图6为本发明提供的接触摩擦式纳米发电机实施例二的立体结构示意图，图7为本发明提供的接触摩擦式纳米发电机实施例二的立体结构截面示意图，如图6和图7所示，第一电极层20为第一高分子聚合物层21的第一侧表面上设置的图案，该图案由多个纵向的电极单元组成，并且每个电极单元又被分隔线部分分割为多个电极块30，所谓部分分割指的是这些电极块30没有被完全分割开而是部分连通的。该图案可以通过沉积和刻蚀工艺形成，具体来说，在第一高分子聚合物层21的第一侧表面沉积金属电极材料后，通过刻蚀工艺按照预设间隔刻蚀形成多个第一去除区域和多个电极单元，并在每个电极单元上刻蚀多个分隔线形成多个电极块30。

图6和图7中未示出的第二电极层24与第一电极层20类似，也是由多个纵向的电极单元组成的图案，并且每个电极单元又被分隔线部分分割为多个电极块。从图5可以看出，第一电极层上的多个第一去除区域25和第二电极层上的多个第二去除区域26是交错分布的。第一电极层20和第二电极层24没有被去除的区域(即电极块区域)为能感应出电荷的区域，第一电极层20和第二电极层24被去除的区域为不能感应出电荷的区域。

第一高分子聚合物层21的第二侧表面具有多个第一凹槽，多个第一凹槽成列分布，每一列第一凹槽的位置对应于一个纵向的电极单元和与该电极单元相邻的第一去除区域的位置。一列第一凹槽中的每个第一凹槽又对应一个电极块和与该电极块相邻的部分第一去除区域的位置。

类似的，第二高分子聚合物层23的第二侧表面具有多个第二凹槽，多个第二凹槽成列分布，每一列第二凹槽的位置对应于第二高分子聚合物层23的第一侧表面的一个纵向的电极单元和与该电极单元相邻的第二去除区域的位置。一列第二凹槽中的每个第二凹槽又对应一个电极块和与该电极块相邻的部分第二去除区域的位置。

第一高分子聚合物层21和第二高分子聚合物层23相对设置，使得每个相对的第一凹槽与第二凹槽可以组合为容纳移动部件的腔室。移动部件为多个球体22，每个腔室容纳一个球体22。球体22能在第一高分子聚合物层21的第一凹槽与第二高分子聚合物层23的第二凹槽组合成的腔室内沿着水平方向左右移动。

如图5所示，第一凹槽和第二凹槽沿水平方向左右移动的长度为球体22直径的2倍，即上述腔室的长度为球体22直径的2倍。第一凹槽和第二凹槽的截面均为半圆形，腔室为圆柱型腔室，半圆形的半径与球体的半径相同，使球体22能够与第一高分子聚合物层21和第二高分子聚合物层23直接接触并在移动过程中因摩擦作用产生电荷。在球体22移动过程中，第一电极层20和第二电极层24中的一个电极层因摩擦作用感应出电荷的区域面积递增，另一个电极层因所述摩擦作用感应出电荷的区域面积递减。电极层感应出电荷的区域面积变化会促使电荷发生变化，这样两个电极层之间就会产生电势差，进而促使电极层之间的电子在外电路流动产生电流。

第一高分子聚合物层21的第一凹槽与第二高分子聚合物层23的第二凹槽组合的腔室也可以设置为长方体腔室，但是此时球体22与第一高分子聚合物层21和第二高分子聚合物层23的摩擦接触面积小于腔室为圆柱型腔室时球体22与第一高分子聚合物层21和第二高分子聚合物层23的摩擦接触面积。

可选地，第一高分子聚合物层21和第二高分子聚合物层23的材质可选自聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、尼龙、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、纤维再生海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纤维、聚甲基、甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、甲醛苯酚、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、丙烯腈氯乙烯、聚乙烯丙二酚碳酸盐和聚偏氟乙烯中的一种，球体22选择其中的另外一种。优选地，第一高分子聚合物层21和第二高分子聚合物层23的材质为尼龙，球体22的材质为聚四氟乙烯。

第一电极层20和第二电极层24的材质可选自铟锡氧化物、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。

为了更清楚地理解接触摩擦式纳米发电机实施例二的发电原理，下面对实施例二的发电原理进行详细说明。

图8为本发明提供的接触摩擦式纳米发电机实施例二的发电原理示意图。如图8中a状态所示，由于第一电极层20的多个第一去除区域25和第二电极层24的多个第二去除区域26交错分布，当球体22从a状态沿着水平方向向左滚动到b状态的过程中，球体22相对于第一电极层20和第二电极层24向左移动，球体22逐步离开第一电极层20上的电极块，球体22与第一电极层20能感应出电荷的区域面积减少，而与此同时，球体22逐步接近第二电极层24上的电极块，球体22与第二电极层24能感应出电荷的区域面积增加，因此两个电极层之间就会产生电势差，这样第一电极层20和第二电极层24之间形成了方向一致的电流，如图8中b状态所示。当球体从b状态沿着水平方向向右滚动到c状态的过程中，球体22与第一电极层20能感应出电荷的区域面积增加，而球体22与第二电极层24能感应出电荷的区域面积减少，这样第一电极层20和第二电极层24之间又形成了方向一致的电流，如图8中c状态所示。从a状态到b状态的过程中，第一电极层20和第二电极层24之间形成的电流方向与从b状态到c状态的过程中，第一电极层20和第二电极层24之间形成的电流方向相反。可将从a状态到b状态，再从b状态到c状态看作为一个周期，这整个周期产生了一个交流电。

利用图5所示的接触摩擦式纳米发电机，当周围环境中具有相对滑动的机械能时，可将该机械能施加在球体上，使球体沿水平方向左右移动，这样接触摩擦式纳米发电机的两个电极层之间就会产生电势差，进而促使摩擦单元之间的电子在外电路流动产生电流，实现了有效地收集周围环境中相对滑动的机械能，进一步还可为位移传感器提供能源，经实验验证该接触摩擦式纳米发电机的发电效率优于现有技术中接触分离式结构的纳米发电机。

最后，需要注意的是：以上列举的仅是本发明的具体实施例子，当然本领域的技术人员可以对本发明进行改动和变型，倘若这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种接触摩擦式纳米发电机，其特征在于，包括：第一摩擦单元、第二摩擦单元以及移动部件；

所述移动部件位于所述第一摩擦单元和所述第二摩擦单元之间；

所述第一摩擦单元具有按照预设间隔排布的多个第一去除区域，所述第二摩擦单元具有按照所述预设间隔排布的多个第二去除区域，且所述多个第一去除区域和所述多个第二去除区域是交错分布的；

当所述移动部件与所述第一摩擦单元和所述第二摩擦单元发生相对移动时，所述移动部件分别与所述第一摩擦单元、所述第二摩擦单元产生摩擦作用，且在移动过程中所述第一摩擦单元和所述第二摩擦单元中的一个摩擦单元因所述摩擦作用感应出电荷的区域面积递增，另一个摩擦单元因所述摩擦作用感应出电荷的区域面积递减。

2.根据权利要求1所述的接触摩擦式纳米发电机，其特征在于，所述多个第一去除区域和所述多个第二去除区域的排布方向与所述移动部件的相对移动方向一致。

3.根据权利要求1所述的接触摩擦式纳米发电机，其特征在于，所述第一摩擦单元和所述第二摩擦单元均为金属电极层，两个金属电极层为所述接触摩擦式纳米发电机的输出电极。

4.根据权利要求1所述的接触摩擦式纳米发电机，其特征在于，所述移动部件为高分子聚合物层，所述第一摩擦单元、所述高分子聚合物层和所述第二摩擦单元依次层叠设置；所述高分子聚合物层具有按照所述预设间隔排布的多个第三去除区域；所述多个第三去除区域的排布方向与所述移动部件的相对移动方向一致。

5.根据权利要求4所述的接触摩擦式纳米发电机，其特征在于，所述多个第一去除区域、多个第二去除区域和多个第三去除区域的形状和大小都相同，所述预设间隔的宽度与所述第一去除区域、第二去除区域和第三去除区域在排布方向上的宽度相同。

6.根据权利要求3所述的接触摩擦式纳米发电机，其特征在于，所述金属电极层为铝箔层。

7.根据权利要求4所述的接触摩擦式纳米发电机，其特征在于，所述高分子聚合物层为聚四氟乙烯薄膜。

8.根据权利要求1所述的接触摩擦式纳米发电机，其特征在于，所述第一摩擦单元包括第一电极层和第一高分子聚合物层，所述第一电极层设置在所述第一高分子聚合物层的第一侧表面上，所述第一高分子聚合物层的第二侧表面具有多个第一凹槽；所述第一电极层具有按照所述预设间隔排布的多个第一去除区域；

所述第二摩擦单元包括第二电极层和第二高分子聚合物层，所述第二电极层设置在所述第二高分子聚合物层的第一侧表面上，所述第二高分子聚合物层的第二侧表面具有多个第二凹槽；所述第二电极层具有按照所述预设间隔排布的多个第二去除区域；

所述第一电极层和所述第二电极层为所述接触摩擦式纳米发电机的输出电极；

所述第一高分子聚合物层和所述第二高分子聚合物层相对设置，使得每个相对的第一凹槽与第二凹槽组合为容纳所述移动部件的腔室。

9.根据权利要求8所述的接触摩擦式纳米发电机，其特征在于，所述移动部件为多个球体，所述每个腔室容纳一个球体。

10.根据权利要求9所述的接触摩擦式纳米发电机，其特征在于，第一凹槽和第二凹槽沿所述移动部件的相对移动方向的长度为所述球体直径的2倍；

第一凹槽和第二凹槽的截面均为半圆形，所述腔室为圆柱型腔室，所述半圆形的半径与所述球体的半径相同。

11.根据权利要求9所述的接触摩擦式纳米发电机，其特征在于，所述第一高分子聚合物层和所述第二高分子聚合物层的材质为尼龙，所述球体的材质为聚四氟乙烯。