CN106685257B - 一种自驱动开关式摩擦纳米发电机和摩擦发电方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自驱动开关式摩擦纳米发电机，包括：摩擦纳米发电单元和电压驱动开关，其中，所述摩擦纳米发电单元包括至少一对相应的摩擦层通过物理接触产生相反的摩擦电荷，以及分别与两个所述摩擦层接触设置且相互绝缘的电极；所述摩擦纳米发电单元的一个电极连接所述电压驱动开关作为摩擦纳米发电机的一个输出端，所述摩擦纳米发电单元的另一个电极作为摩擦纳米发电机的另一个输出端。电压驱动开关的闭合与断开由摩擦纳米发电单元驱动，可以调控摩擦纳米发电机的电学输出特性，扩展了摩擦纳米发电机的应用范围。

Description

一种自驱动开关式摩擦纳米发电机和摩擦发电方法

技术领域

本发明涉及发电领域，特别是涉及将机械能转化为瞬时电信号的摩擦纳米发电机以及发电方法。

背景技术

摩擦纳米发电机是最近发明的一种新型的将机械能转化为电能的方式，利用得失电子能力不同的两种材料之间的互相摩擦，发生表面电荷转移。摩擦纳米发电机能够将广泛存在的机械能，如海浪、风能、各种运动物体的动能、以及人体活动如步行、跑动、跳动等形式的能量转变为电能，为小型电子器件如便携设备等提供电源。

但是，目前，工业和家用电器适用的电源普遍需要的供电频率是50-60Hz，而现有摩擦纳米发电机的输出频率受外部作用力变化频率的控制，在低频外力的作用下，无法获得高频的电学输出，不能满足电子器件高频电源的需要。另外，现有摩擦纳米发电机还存在输出电流和输出功率小的缺点。

发明内容

本发明提供一种利用电压驱动开关与摩擦纳米发电单元相结合的方式，改善了现有摩擦纳米发电机的输出性能。能够自驱动的控制摩擦纳米发电单元两电极之间的导通与断开，可以实现对摩擦纳米发电单元电学输出特性的调控，为电子器件提供高频或高功率的电源。

为实现上述目的，本方法提供一种自驱动开关式摩擦纳米发电机，包括：摩擦纳米发电单元和电压驱动开关，其中，

所述摩擦纳米发电单元包括至少一对相应的摩擦层通过物理接触产生相反的摩擦电荷，以及分别与两个所述摩擦层接触设置且相互绝缘的电极；

所述摩擦纳米发电单元的一个电极连接所述电压驱动开关作为摩擦纳米发电机的一个输出端，所述摩擦纳米发电单元的另一个电极作为摩擦纳米发电机的另一个输出端。

优选的，所述电压驱动开关为静电振动式开关。

优选的，所述静电振动式开关包括弹性振子和接触端。

优选的，所述弹性振子采用导电材料的丝状或者片状导体；接触端采用导电材料的片状导体。

优选的，所述弹性振子的长度范围为4cm-8cm。

优选的，所述电压驱动开关为电离开关。

优选的，所述电离开关为空气电离开关；

所述空气电离开关包括导电材料的放电针和集电板，所述放电针与集电板之间存在空气间隙；所述放电针与集电板之间的距离可调。

优选的，所述放电针与集电板之间的距离小于1mm时；

或者，所述放电针与集电板之间的距离的范围为1mm-20mm。

优选的，所述放电针的针尖曲率半径为1μm-500μm。

优选的，所述发电机的针尖曲率半径为5μm-200μm。

优选的，所述发电机的针尖曲率半径为10μm-100μm。

优选的，所述导电材料为金属或者金属合金。

优选的，所述摩擦纳米发电单元的基本运动模式为：垂直接触分离模式(CS)、平行滑动模式(LS)、单电极模式主要包括单电极接触结构(SEC)、摩擦层自由移动模式包括滑动式摩擦层自由移动结构(SFT)或接触式摩擦层自由移动结构(CFT)。

优选的，所述摩擦纳米发电单元为柔性结构发电单元。

优选的，在两个所述输出端之间连接整流元件。

相应的，本发明还提供一种摩擦发电方法，采用上述任一项中所述的摩擦纳米发电机进行发电。

与现有技术相比，本发明具有下列有益效果：

1、在使用相同的摩擦纳米发电单元的情况下，由于电压驱动开关，例如静电振动式开关的接入，可以提高发电机的输出频率，扩展了摩擦纳米发电机在较高频率范围的应用。例如空气电离式开关的接入，发电机可以形成脉冲电学输出，可以极大地提高输出电流和输出功率，扩展了摩擦纳米发电机在大电流、大功率方面的应用。

2、本发明的发电机通过摩擦纳米发电单元两个部件之间的相对运动产生高压静电，诱使电压驱动开关闭合与断开，实现开关的自驱动模式，开关闭合无需外界机械力的触发。

3、通过调节电压驱动开关的参数，可以调控发电机的输出特性，有助于实现摩擦发电与各种用电器件的结合。

4、与全桥整流器结合可以将输出的交流电信号转变为单向脉冲信号，不仅可以作为脉冲电源直接应用于电化学等领域，还可以为电容器或者锂离子电池充电，也可以为各种小型便携式电子器件提供所需的高频电源。

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为本发明摩擦纳米发电机的结构示意图；

图2a至图2e为5种结构摩擦纳米发电机的结构示意图；

图3为实施例一发电机的结构示意图；

图4为实施例一中静电振动开关闭合与断开，产生脉冲电学输出的原理示意图；

图5为实施例一中发电机中电量随弹性振子长度的变化曲线；

图6为实施例一中发电机的输出电压随弹性振子长度的变化曲线；

图7为实施例一中发电机的输出电压-电流曲线；

图8为实施例一中输出频率随弹性振子长度的变化曲线；

图9为实施例二的发电机的空气电离开关以空气击穿的方式实现开关闭合的示意图；

图10为实施例二中发电机通过空气击穿产生脉冲输出的发电原理示意图；

图11为实施例二中本发明发电机的空气电离开关以电晕放电的方式实现开关闭合的示意图；

图12为实施例二中发电机通过电晕放电产生交流输出的发电原理示意图；

图13为实施例二中发电机在空气击穿方式下的输出电流随时间的变化曲线；

图14为实施例二中发电机在电晕放电方式下的输出电流随时间的变化曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施示例中的附图，对本发明实施示例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施示例仅是本发明一部分实施示例，而不是全部的实施示例。基于本发明中的实施示例，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示例，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，在详述本发明实施示例时，为便于说明，所述示意图只是示例，不应限制本发明保护的范围。

本发明基于由摩擦纳米发电机自身产生的电压驱动的电压驱动开关，使两个电极层形成电学连通，改善摩擦纳米发电机的输出性能。例如产生高频的交变电流或者提供大功率脉冲电源。

下面结合附图详细介绍本发明自驱动开关式摩擦纳米发电机的具体结构。

现有摩擦纳米发电机的基本原理是摩擦发电和静电感应的耦合。一个基本的摩擦纳米发电单元包括至少一对相应的摩擦层来通过物理接触产生相反的摩擦电荷。摩擦纳米发电单元一般还有两个相互绝缘的电极使得自由电子只能从外电路流过。在外部机械作用力的驱动下，摩擦层之间周期性的相对运动使得静电荷的原有平衡被打破，自由电子会通过外电路来建立新的平衡，形成对外输出。本发明中，在现有摩擦纳米发电单元的基础上连接一个电压驱动开关，参见附图1，摩擦纳米发电单元的一个电极连接一个电压驱动开关作为本发明的摩擦纳米发电机的一个输出端，摩擦纳米发电单元的另一个电极作为摩擦纳米发电机的另一个输出端。当摩擦纳米发电单元的两个电极之间的电压达到电压驱动开关的开启电压时，电压驱动开关产生相应的动作，使摩擦纳米发电机的输出较摩擦纳米发电单元的输出性能有所改善。

电压驱动开关可以为已知的任何结构的右电压控制其“断开”和“闭合”两个不同的状态的开关，例如，电压驱动开关可以为静电振动式开关，可以将驱动摩擦纳米发电单元产生的低频机械能转化为高频电学输出，能够为电子器件提供高频电源。电压驱动开关可以为空气电离开关，将机械能转化为瞬时大功率的电学脉冲，能够为电子器件提供大功率脉冲电源。

本发明提供的摩擦纳米发电机中，已有的摩擦纳米发电结构均可以作为摩擦纳米发电单元，这里列出5种基本结构的摩擦纳米发电单元，

五种基本的结构为垂直接触分离模式(CS)、平行滑动模式(LS)、单电极接触结构(SEC)、滑动式摩擦层自由移动结构(SFT)和接触式摩擦层自由移动结构(CFT)。下面参照附图具体介绍每种模式摩擦纳米发电单元的典型结构：

垂直接触分离模式(CS)摩擦纳米发电单元的结构参见图2a，两个相对运动部件中，第一部件包括摩擦层a2和设置在摩擦层a2上的第一电极层a1，第二部件包括第二电极层a3，在第一部件与第二部件互相垂直接触分离相对运动时，第二电极层a3同时充当另一个摩擦层，与摩擦层a2互相接触和分离，摩擦层a2的材料与第二电极层a3的材料不同，第一电极层a1和第二电极层a3为摩擦纳米发电单元的输出端，连接电压驱动开关K，在摩擦层a2与第二电极层a3互相分离使第一电极层a1和第二电极层a3之间的电压超过电压驱动开关的启动电压时，输出脉冲电信号。

平行滑动模式(LS)摩擦纳米发电单元的结构参见图2b，两个相对运动部件中，第一部件包括摩擦层b2和设置在摩擦层b2上的第一电极层b1，第二部件包括第二电极层b3，在第一部件与第二部件互相平行滑动时，第二电极层b3同时充当另一个摩擦层，与摩擦层b2互相滑动摩擦，摩擦层b2的材料与第二电极层b3的材料不同，第一电极层b1和第二电极层b2为摩擦纳米发电单元的输出端，连接电压驱动开关K，在摩擦层b2与第二电极层b3互相滑动摩擦错位使第一电极层b1和第二电极层b3之间的电压超过电压驱动开关的启动电压时，输出脉冲电信号。

单电极接触结构(SEC)摩擦纳米发电单元的结构参见图2c，两个相对运动部件中，第一部件包括摩擦层c2，第二部件包括第一电极层c1和第二电极层或等电位c3，在摩擦层c2与第二部件的第一电极层c1互相垂直接触分离或者相对滑动运动时，摩擦层c2的材料与第一电极层c1的材料不同，第一电极层c1和第二电极层c3为摩擦纳米发电单元的输出端，连接电压驱动开关K，在摩擦层c2与第二电极层c3互相滑动摩擦错位使第一电极层c1和第二电极层c3之间的电压超过电压驱动开关的启动电压时，输出脉冲电信号。

滑动式摩擦层自由移动结构(SFT)摩擦纳米发电单元的结构参见图2d，两个相对运动部件中，第一部件包括摩擦层d2，第二部件包括互相分隔的第一电极层d1和第二电极层d3，在第一部件与第二部件互相滑动时，摩擦层d2从第一电极层d1滑动到第二电极层d3，第一电极层d1和第二电极层d3充当另一个摩擦层，摩擦层d2的材料与第一电极层d1和第二电极层d3的材料不同，第一电极层d1和第二电极层d2为摩擦纳米发电单元的输出端，连接电压驱动开关K，在摩擦层d2在第一电极层d1和第二电极层d3之间滑动时，使第一电极层d1和第二电极层d3之间的电压超过电压驱动开关的启动电压时，输出脉冲电信号。

接触式摩擦层自由移动结构(CFT)摩擦纳米发电单元的结构参见图2e，两个相对运动部件中，第一部件包括摩擦层e2，第二部件包括互相分隔的第一电极层e1和第二电极层e3，摩擦层e2设置在第一电极层e1和第二电极层e3之间，摩擦层e2在两个电极层之间运动分别与两个电极层互相接触分离，第一电极层d1或第二电极层d3充当另一个摩擦层，摩擦层e2的材料与第一电极层e1和第二电极层e3的材料不同，第一电极层e1和第二电极层e3为摩擦纳米发电单元的输出端，连接电压驱动开关K，在摩擦层e2在两个电极层之间运动分别与两个电极层互相接触分离,使第一电极层e1和第二电极层e3之间的电压超过电压驱动开关的启动电压时，输出脉冲电信号。

滑动式摩擦层自由移动结构(SFT)和接触式摩擦层自由移动结构(CFT)均为摩擦层自由移动模式的摩擦纳米发电单元。

摩擦纳米发电单元的四种工作模式已经被证实，每种模式有不同的结构设计和材料选择，以适应相应的机械触发条件。

图2中所示的5种结构的摩擦纳米发电单元均可以与静电振动开关、空气电离开关结合产生电信号输出，下面以滑动式摩擦层自由移动结构(SFT)摩擦纳米发电单元为例分别介绍摩擦纳米发电机的结构和工作原理，另外4种结构的摩擦纳米发电单元可以参考。

实施例一：

图3是本发明摩擦纳米发电机的一个实施例，其中，摩擦纳米发电单元采用滑动式摩擦层自由移动结构(SFT)摩擦纳米发电单元，电压驱动开关K采用静电振动开关，以下称为自驱动静电振动开关式摩擦纳米发电机。具体结构为：摩擦纳米发电单元包括：第一基板101；摩擦层102；第一电极层103，第二电极层104；第一电极层103与第二电极层104下表面接触设置有第二基板105。静电振动式开关，包括一个弹性振子501、一个接触端502，其中，弹性振子501通过导线与第一电极层103相连，接触端502通过导线与第二电极层104相连。

静电振动式开关的长度应适当，一般而言，振动开关的长度越长，其振动频率越低，所述发电机的输出电压也就相应增加。本领域技术人员可以根据实际需要的发电机输出功率，选择不同的静电振动开关长度，开关长度的不同不应限定本发明的保护范围。

静电振动式开关的弹性振子501、接触端502的固定有多种方式，在这里不做特别限定，只需要满足弹性振子与接触端通过静电作用能够接触，并且弹性振子在振动的过程中能够保持相对稳定即可。导电材料的弹性振子501和接触端502的材料可以选自金属或合金；所述金属选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或锡；所述合金选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或锡形成的合金、不锈钢。本领域的技术人员可以根据实际使用情况进行合适的选择，具体材料的选择不应限定本发明的保护范围。

本发明的摩擦纳米发电机可以在第一电极层103与静电振动式开关之间(或者在第二电极层104与静电振动式开关之间)作为发电机的输出端连接整流元件(整流桥)及需要供电的负载(在本申请的所有附图中均未画出所述负载)，在摩擦纳米发电单元的往复运动过程中，摩擦纳米发电单元的电学输出受到静电振动开关的控制。当静电振动式开关断开时，摩擦纳米发电机处于断路状态，负载上没有电流产生；当摩擦纳米发电单元驱动静电振动式开关闭合的瞬间，摩擦纳米发电机处于闭路状态，并产生瞬时的大功率输出。

本发明的发电机中，第一基板101和第二基板105主要起支撑和保护摩擦层和电极层的作用，其材料和结构可以参考摩擦层和电极层的结构和尺寸，对发电机的发电过程无影响。只需满足第二基板105采用绝缘材料即可，如有机玻璃等。

下面以图3所示的摩擦纳米发电机结构为例，介绍发电机的工作原理。图4是自驱动静电振动开关式摩擦纳米发电机的发电工作原理示意图。设置在第二基板105上表面的第一电极层103和第二电极层104既是电极层也是第二摩擦层。发电机在未经摩擦的自然状态时，第一摩擦层置于第一电极层之上，在本发明的示例中，第一摩擦层的材料处于摩擦序列表的更负的位置，电极层的材料处于摩擦序列表的更正的位置。因此，当第一摩擦层102下表面与第一电极层103上表面接触时，第一摩擦层102的下表面产生负的接触电荷，第一电极层103的上表面产生正的接触电荷。此时，由于正、负接触电荷在垂直方向上没有分离，因此在第一摩擦层未曾横向摩擦运动的初始状态，正负电荷所产生的电场相互抵消，第一电极层103和第二电极层104之间没有产生电势差。此时，静电振动式开关未受到静电力的作用，处于断开状态，在第一电极层103和第二电极层104之间没有电流流过，如图4a所示。当第一摩擦层在外力的作用下沿着水平方向由第一电极层向第二电极层的方向滑动时，第一摩擦层102与第一电极层103部分分离，第一电极层103中有部分的正电荷不能被屏蔽。因此，在第一电极层103与第二电极层104之间产生电势差，由于静电振动式开关中的弹性振子501和接触端502通过导线分别与第一电极层103及第二电极层104连接，因此，弹性振子501与接触端502之间也存在电势差，因此弹性振子与接触端之间产生静电引力。但是由于此时电势差较小，静电振动开关中产生的静电引力不足以诱使弹性振子振动，静电振动开关仍处于断开状态，如图4b所示。当第一摩擦层继续由第一电极层向第二电极层滑动，两电极层之间的电势差不断加大，相应的，弹性振子501与接触端502之间的静电引力也不断加大，当二者之间产生的静电引力大到足以克服弹性振子501的弹性应力时，弹性振子501与接触端502相接触，静电振动开关处于闭合状态，如图4c所示。随着振动开关的闭合，第一电极层103与第二电极层104相连，发电机处于联通的状态，产生由第一电极层103流向第二电极层104的电流，使两个电极层之间的电势差逐渐减少直至消失。此时，静电振动式开关中的弹性振子501与接触端502之间不存在静电吸引作用，弹性振子在其自身弹性回复力的作用下向其平衡位置进行回复运动，与接触端相分离，使两个电极层处于断开的状态，如图4d所示。之后，当第一摩擦层继续向右运动时，电极层中的正电荷无法被完全中和，第一电极层103与第二电极层104之间再次产生电势差，静电振动式开关由于受到静电吸引的作用，再次闭合，如图4e所示。随后，自驱动静电振动开关沿着图4a-4e所示的循环过程交替发生闭合和断开，产生周期性的振动，使摩擦纳米发电机产生高频交变电流输出。

本实施例提供的自驱动静电振动开关式摩擦纳米发电机中，静电振动式开关使两个电极层相连形成电学连通，静电振动开关的振动由发电机自身的摩擦纳米发电单元来驱动。在两个摩擦层周期性的滑动过程中，两个电极层上产生电势差，当静电振动式开关闭合时，两个电极层得以连接，产生交变电流。发电机输出电流的频率由静电振动开关的频率决定，提高静电振动开关的振动频率可以提高发电机的输出频率。

弹性振子501的振动频率由其长度来调节，长度越小，振子的振动频率越大。实验中发现，在一定的长度范围内，发电机的输出电量与弹性振子501的长度没有明显关系，而输出电压随弹性振子的加长而增大。在实验中，本发明人基于上述发电机的基本结构，在4cm-8cm的范围内调节弹性振子的长度，并分别对其输出特性进行测试。如图5所示，本发明中所述自驱动静电振动式开关摩擦纳米发电机的输出电量(Charge)与弹性振子的长度(Length)无明显关系。而对于输出电压(Voltage)与弹性振子长度(L)的关系如图6所示，当弹性振子的长度为4.3cm时，示例中所述发电机的最大输出电压约为200V，当弹性振子的长度为5.4cm时，该发电机的最大输出电压约为400V，而当弹性振子的长度增加至7.5cm时，发电机的最大输出电压可达600V。经过多次测量，均得到与上述实验数据相近的结果，说明本实施例中所述发电机的输出电压与静电振动开关中弹性振子的长度有关，且在适当范围内，该发电机的输出电压随弹性振子长度的增加而增加。虽然弹性振子长度的增加有利于发电机电压的增加，但随着弹性振子长度的增加，将会降低发电机的输出频率。因此，选取合适的弹性振子长度，对于发电机的应用具有重要作用。

摩擦纳米发电单元中各部分均可以采用柔性材料，使的摩擦纳米发电机可以在柔性器件领域应用。摩擦纳米发电单元中第一部件与第二部件互相接触或者滑动摩擦的表面可以为不同的形状或者互补的形状。例如，第一摩擦层的下表面与电极层的上表面均为平面，有利于摩擦层与电极层之间的滑动摩擦，增加其有效摩擦面积，进而使发电机的输出功率得到提高。

第一电极层103、第二电极层104的材料可以选择常用的电极材料，在这里不座特别限定。

摩擦层与第一基板之间，以及第一电极层、第二电极层与第二基板之间的固定可以采用常规的粘贴等固定方式。

对于只起支撑和固定作用的振动开关支架，其材料选择无特别要求，优选为绝缘材料，可以选自玻璃，有机玻璃，聚乙烯板材或聚氯乙烯等绝缘材料。

上述实施例中，静电振动式开关中，弹性振子可以采用丝状金属，接触端可以采用片状金属。当作为弹性振子的丝状金属与作为接触端的片状金属接触时，静电振动式开关闭合。除了使用上述的静电振动式开关外，还可以使用其他形式的静电振动式开关。例如，可以采用具有较大弹性且宽度较窄的片状金属作为弹性振子。

下面以一个实际示例为例，说明自驱动静电振动开关式摩擦纳米发电机的制备过程和输出特性。

首先，以亚克力板为材料，通过激光切割的方法加工第一基板101、第二基板105以及开关支架(在本申请的所有附图中均未画出所述开关支架)。其中第一基板的大小约为第二基板的二分之一。然后利用磁控溅射的方法分别在第二基板上表面的两端平行蒸镀厚度为100纳米的Cu薄膜作为第一电极层103、第二电极层104，并同时利用第一电极层、第二电极层作为第二摩擦层。其中，第一电极层103与第二电极层104之间间隔约1-2mm。以聚四氟乙烯(PTFE)薄膜为材料，将PTFE薄膜均匀、平展的粘贴在第一基板101上，作为第一摩擦层101。切割直径为0.2mm的Cu丝作为弹性振子501，利用金属铜片作为接触端502，利用开关支架将接触端502固定于弹性振子501一侧，弹性振子与接触端之间的初始距离为1mm。弹性振子和接触端分别和两个电极层通过导线电连接。在第一摩擦层在两个电极层上滑动摩擦的过程中，两个电极层上产生电势差，驱动静电振动式开关闭合，产生交变电流。

当发电机在周期性的滑动摩擦过程中，可以在第一电极层及第二电极层之间输出交流脉冲信号。图7展示自驱动静电振动开关式摩擦纳米发电机的输出特性电压-电流输出特性曲线，两个电极层的电压和电流具有相反的极性和相近的绝对值。曲线表明，多个发电周期内发电机的正电流和负电流交替出现，两个同方向的电流峰之间的时间间隔是16.6ms，对应的输出电流频率为60Hz。图8是发电机的输出频率和L之间的关系曲线，其中L是弹性振子的长度。曲线表明，输出频率随着L的增大而减小，输出频率的变化范围是10-60Hz。

本实施例的发电机输出的电信号为交流脉冲电信号，可以在发电机的输出端连接全桥整流器，将发电机的输出信号整流为单向脉冲电信号。发电机输出的单向脉冲电信号，不仅可以作为脉冲电源直接应用于电化学等领域，还可以用来给储能元件充电，比如电容器或者锂离子电池等，而储存的电能能够用来为便携式小型电子设备提供电力，具有广泛的应用前景。

实施例二：

本实施例中，电压驱动开关采用空气电离开关，摩擦纳米发电机可以称为自驱动空气电离开关式摩擦纳米发电机，具体结构参见图9，是自驱动空气电离开关式摩擦纳米发电机的典型结构，包括：第一基板101，第一基板101下表面设置的第一摩擦层102；第二基板105的上表面接触设置有第一电极层103及第二电极层104；导线401，使第一电极层103与放电针201连接；导线402，使第二电极层104与集电板202连接；空气电离式开关，包括放电针201、集电板202，放电针201与集电板202之间存在空气间隙。当放电针201与集电板202发生空气击穿时，两个电极层103和104联通，摩擦纳米发电机产生脉冲输出，在负载301上产生输出功率。

基于摩擦纳米发电单元自身的运动使空气电离式开关产生“断开”和“闭合”两个不同的状态，对电流的产生起到控制所用；空气电离式开关闭合时，在两个电极层之间产生一个瞬时的大电流、大功率的电学脉冲；空气开关断开时，摩擦纳米发电机没有电学输出。

本实施例中，摩擦纳米发电单元同样采用滑动式摩擦层自由移动结构(SFT)摩擦纳米发电单元，其各部分结构与实施例一中相同，这里不再重复。

空气电离式开关的放电针201、集电板202的固定有多种方式，在这里不做特别限定，只需要满足可以调节放电针201和集电板202之间的距离的条件。导电材料的放电针201和集电板202的材料可以选自金属或金属合金；所述金属选自金、银、铂、钨、铝、镍、铜、钛、铬或锡等；所述合金选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或锡等形成的合金、不锈钢。

空气电离开关的电离方式和起始电压受多种因素的影响，例如放电针201的尖端曲率半径，放电针201和集电板202之间的距离，空气的湿度等。通常，当金属探针201与集电板202之间的距离小于1mm时，空气电离开关将以空气击穿的方式发生电离。当金属探针201与集电板202之间的距离较大，在1mm-20mm范围时，空气电离开关将以电晕放电的方式发生电离。下边将分别讨论两种电离方式的电离开关摩擦纳米发电机的工作原理。

图9所示是空气击穿式电离开关摩擦纳米发电机的结构示意图，其工作原理示意图如图10所示。设置在第二基板105上表面的导电层103、104，既是两个电极层也是第二摩擦层。第一摩擦层的材料(例如聚合物材料PTFE)处于摩擦序列表的更负的位置，电极层的材料(例如Cu)处于摩擦序列表的更正的位置。因此，当第一摩擦层102下表面与第一电极层103上表面接触时，第一摩擦层102的下表面产生负的接触电荷，第一电极层103的上表面产生正的接触电荷。初始状态，第一摩擦层尚未滑动时，由于第一摩擦层与第一电极层完全接触尚未分离，此时，正负电荷所产生的电场相互抵消，第一、二电极层之间没有产生电势差。空气电离开关处于断开状态，回路中没有电流，如图10a所示。在第一摩擦层101向右滑动的过程中，两个电极层103和104之间的电势差逐渐增大。当电势差达到电离开关发生空气击穿的起始电压时，放电针201和集电板202之间的空气发生电离，电离产生的正负离子将放电针201和集电板202直接联通，使空气开关处于闭合状态，如图10b所示。随着空气电离开关的闭合，第一电极103上的正电荷向第二电极102流动，产生瞬时脉冲电流。随着电流的流动，两个电极之间的电势差降为零，空气电离开关重新回到断开状态，如图10c所示。当第一摩擦层102继续向右运动时，两个电极层103和104之间的电势差逐渐增大。当电势差达到电离开关发生空气击穿的起始电压时，放电针201和集电板202之间再次发生空气击穿，使空气电离开关处于闭合状态，如图10d所示。此后，随着第一摩擦层102的往返周期运动，摩擦纳米发电机将沿着10a-10d所示的循环过程产生脉冲电学输出。

当金属探针201与集电板202之间的距离较大，在2-20mm范围内时，空气电离开关将以电晕放电的方式发生电离。电晕放电式空气电离开关摩擦纳米发电机的示意图如图11所示。摩擦纳米发电机的结构与图1所示的空气击穿式空气电离开关摩擦纳米发电机的结构基本相同，唯一的差别是金属探针201与集电板202之间的距离较大，此时仅在放电针201的附近产生的正负电离离子。电晕放电式空气电离开关摩擦纳米发电机的工作原理如图12所示。图12a是摩擦纳米发电机的初始工作状态，与图10a所示相同，这里不再复述。当第一摩擦层102向右运动时，两个电极层103和104之间的电势差逐渐增大。当电势差达到电离开关发生电晕放电的起始电压时，放电针201附近的空气发生电离，产生正负电离离子，如图12b所示。所产生的正负离子在电场的驱动下移动，使放电针201和集电板202之间联通，使电离开关处于闭合状态。随着第一摩擦层102继续向右运动，电荷在两个电极层之间发生流动，产生电流，在此过程中，空气电离开关在电压的维持下一直处于电晕放电状态，如图12c所示。

本发明提供的自驱动空气电离开关式摩擦纳米发电机中，空气电离式开关使两个电极层形成电学连通，空气电离开关的电离由发电机的机械运动所产生的电势差来触发。在两个摩擦层周期性的滑动过程中，两个电极层上产生电势差，当两个电极层通过空气电离开关连通时，产生交变电流。发电机输出特性由空气电离开关的空气间隙距离决定，调控空气电离开关中的空气间隙距离可以调控空气电离开关的电离类型和起始电离电压，进而调控摩擦纳米发电机的电学输出特性。

本发明的第一摩擦层102、第一、等二电极层103、104的厚度无特别要求，本发明优选摩擦层为薄膜，厚度为10nm-5mm，优选50nm-1mm，更优选100nm-500μm。放电针201的针尖曲率半径为1μm-500μm，优选5μm-200μm，更优选10μm-100μm。

本发明的发电机结构简单，制备方法简单，对材料无特殊要求，在实际使用中，只需进行简单的固定和封装，即可应用在收集海浪、风能、机械和人体的运动等产生的机械能，具有广泛的实际用途。

下面以一个实际示例为例，说明空气电离开关式摩擦纳米发电机的制备过程及摩擦层的表面修饰过程。

首先，以有机玻璃(PMMA)为材料，通过激光切割的方法加工第一基板101和第二基板105，并且第二基板的大小约为第一基板的二倍。然后截尺寸为6cm×6cm、厚度为100μm的PTFE薄膜，均匀平整的粘贴在第一基板101的上表面，作为第一摩擦层。然后截两块尺寸为6cm×6cm、厚度为100μm的Cu薄膜，利用双面胶粘贴在第二基板105的上表面，作为第一、二电极层103、104。其中，第一电极层103与第二电极层104之间间隔约1-3mm。以曲率半径为20μm的钨放电针作为放电针201，放电针201的长度是20mm。以2cm×2cm的不锈钢片作为集电板202。放电针201和集电板202固定在移动平台上，通过引动平台调控放电针201和集电板202之间的距离。第一摩擦层的下表面与第一、二电极层的上表面形状大小相同。对自驱动空气电离开关式摩擦纳米发电机的输出特性进行了测试，图13为空气击穿式空气电离摩擦纳米发电机的输出电流随时间(Time)的变化曲线，空气间隙为30μm，摩擦纳米发电单元的运动频率是200Hz，产生电流(Current)约为4微安的电学输出。图14为电晕放电式空气电离摩擦纳米发电机的输出电流(Current)随时间(Time)的变化曲线，空气间隙为5mm，产生约为1微安正负交替的电学输出。

本示例的发电机输出的电信号为交流脉冲电信号，可以在发电机的输出端(空气电离开关和两电极之间)连接全桥整流器，将发电机的输出信号整流为单向脉冲电信号。发电机输出的单向脉冲电信号，不仅可以作为脉冲电源直接应用于电化学等领域，还可以用来给储能元件充电，比如电容器或者锂离子电池等，而储存的电能能够用来为便携式小型电子设备提供电力，具有广泛的应用前景。

本实施例中电压驱动开关采用的是空气电离开关，在其他实施例中，也可以采用其他结构的电离开关，以适应不同的使用环境，现有的电离开关均可以适用于本发明。

以上所述，仅是本发明的较佳实施示例而已，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示例。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示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 (10)

1.一种自驱动开关式摩擦纳米发电机，其特征在于，包括：摩擦纳米发电单元和电压驱动开关，其中，

所述摩擦纳米发电单元包括至少一对相应的摩擦层通过物理接触产生相反的摩擦电荷，以及分别与两个所述摩擦层接触设置且相互绝缘的电极；

所述摩擦纳米发电单元的一个电极连接所述电压驱动开关作为摩擦纳米发电机的一个输出端，所述摩擦纳米发电单元的另一个电极作为摩擦纳米发电机的另一个输出端；

所述电压驱动开关为空气电离开关；

所述空气电离开关包括导电材料的放电针和集电板，所述放电针与集电板之间存在空气间隙；所述放电针与集电板之间的距离可调。

2.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述放电针与集电板之间的距离小于1mm；

或者，所述放电针与集电板之间的距离的范围为1mm-20mm。

3.根据权利要求2所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述放电针的针尖曲率半径为1μm-500μm。

4.根据权利要求3所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述发电机的针尖曲率半径为5μm-200μm。

5.根据权利要求4所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述发电机的针尖曲率半径为10μm-100μm。

6.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述导电材料为金属或者金属合金。

7.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦纳米发电单元的基本运动模式为：垂直接触分离模式(CS)、平行滑动模式(LS)、单电极模式主要包括单电极接触结构(SEC)、摩擦层自由移动模式包括滑动式摩擦层自由移动结构(SFT)或接触式摩擦层自由移动结构(CFT)。

8.根据权利要求7所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦纳米发电单元为柔性结构发电单元。

9.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，在两个所述输出端之间连接整流元件。

10.一种摩擦发电方法，其特征在于，采用权利要求1-9中任一项所述的摩擦纳米发电机进行发电。