CN110995050B - 放电摩擦发电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种放电摩擦发电机，其工作模式可采用垂直接触‑分离模式或滑动模式，所述放电摩擦发电机包括：第一摩擦单元，包括第一电极；第二摩擦单元，包括第二摩擦层和第二电极，所述第二电极设置于所述第二摩擦层的远离所述第一摩擦单元的表面；其中，所述第二电极和所述第二摩擦层之间预留一第一预设间隔，所述第二摩擦层的材料与所述第一电极的材料在静电序列中的位置不同。本发明的放电摩擦发电机通过改变摩擦发电机中摩擦层与该摩擦层的电极之间的不同接触距离增强摩擦电荷感应效应，使其在运行时大量放电产生更多高密集电流，将摩擦起电与放电效应产生的电信号耦合协同输出。

Description

放电摩擦发电机

技术领域

本发明涉及功能器件技术领域，特别涉及一种放电摩擦发电机。

背景技术

目前，世界主要消耗能源为石油、煤炭等不可再生资源。面对人们日益增长的能源需求和世界能源储备有限的矛盾，清洁能源的开发和利用成为时代的共识。清洁能源包括风能、水能、潮汐能等无污染、可持续利用的能源。清洁可再生资源的有效利用成为关乎世界和平与经济发展的重要问题。

随着世界进入物联网(IoT)和人工智能时代，多功能阵列的传感系统将构成第四次工业革命的硬件基础，朝着功能和智能的方向发展。鉴于大量传感器需具备相当的移动性和便携性，物联网的成功需要分布式能源。分布式能源可来源于太阳能、热能、风能或者机械触发/振动，虽然其不足以为主电网提供持续稳定的电力，但非常适合为移动传感器和自供电系统提供能量。为此，王中林院士团队于2012年发明了一种新型机械能采集装置--摩擦纳米发电机(TENG)。摩擦纳米发电机是基于静电感应和摩擦起电的耦合作用而成的发电机，可以广泛利用各种能量，将机械能转化为电能。

虽然已有的研究已经非常好的展示出了摩擦发电机在不同工作环境中的超强适应性，以及较高的输出性能，然而距离摩擦发电机的实际应用仍存在很多不可忽略的障碍。第一，在将发电机的摩擦面从平面结构换成具有微纳结构的表面以后，我们对于摩擦发电机输出能力的进一步提升似乎就缺乏更有效的方法。如何进一步更高的提升摩擦电荷面密度和电荷存储能力是亟需解决的技术问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种新型的放电摩擦发电机，用于进一步提高摩擦发电机的输出性能和电荷存储能力。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种放电摩擦发电机，其工作模式可采用垂直接触-分离模式或滑动模式，所述放电摩擦发电机包括：

第一摩擦单元，包括第一电极；

第二摩擦单元，包括第二摩擦层和第二电极，所述第二电极设置于所述第二摩擦层的远离所述第一摩擦单元的表面；

其中，所述第二电极和所述第二摩擦层之间预留一第一预设间隔，所述第二摩擦层的材料与所述第一电极的材料在静电序列中的位置不同。

在一可选实施例中，所述第一摩擦单元还包括第一摩擦层，所述第一电极设置于所述第一摩擦层的远离所述第二摩擦单元的表面，其中，所述第一摩擦层层的材料与所述第二摩擦层的材料在静电序列中的位置不同。

在一可选实施例中，所述第一摩擦层的远离所述第一电极的表面具有微纳结构。

在一可选实施例中，所述第一摩擦层与所述第一电极之间预留一第二预设间隔。

在一可选实施例中，所述第一摩擦单元还包括一第一环形间隔层，所述第一环形间隔层设置于所述第一摩擦层和所述第一电极之间，以在所述第一摩擦层与所述第一电极之间形成所述第二预设间隔。

在一可选实施例中，所述第二预设间隔介于0-3mm之间。

在一可选实施例中，所述第一摩擦单元还包括一第一基板，设置于所述第一电极的远离所述第二摩擦单元的表面；所述第二摩擦单元还包括一第二基板，设置于所述第二电极的远离所述第一摩擦单元的表面。

在一可选实施例中，所述第二摩擦层的远离所述第二电极的表面具有微纳结构。

在一可选实施例中，所述第一预设间隔大于0而小于等于3mm。

在一可选实施例中，所述第二摩擦单元还包括一第二环形间隔层，所述第二环形间隔层设置于所述第二摩擦层和所述第二电极之间，以在所述第二摩擦层和所述第二电极之间形成所述第一预设间隔。

本发明的放电摩擦发电机通过改变摩擦发电机中摩擦层与该摩擦层的电极之间的不同接触距离(也即第一预设间隔和/或第二预设间隔)，增强摩擦电荷感应效应，使其在运行时大量放电产生更多高密集电流，将摩擦起电与放电效应产生的电信号耦合协同输出；

本发明克服了本领域技术人员普遍认为放电效应不利于摩擦发电机输出的技术偏见，利用基于放电效应来增强摩擦发电机输出性能，可以大量提高摩擦发电机的输出性能，推进摩擦发电机进一步向实用迈进，应具有创造性；

本发明的放电摩擦发电机结构简单，制备方便安全，材料合成环境绿色友好；

本发明的放电摩擦发电机使用的材料体系简单可控，制作成本低廉；并且该放电摩擦发电机具有普适性，适合多种结构的摩擦发电机；

本发明的放电摩擦发电机所内部阻抗低，产生电荷量大，存储效率高，适合大量推广，拥有重要实用意义。

附图说明

图1显示为本发明的一种放电摩擦发电机的结构示意图。

图2显示为图1所示的放电摩擦发电机的工作原理图。

图3显示为本发明制备的PVDF薄膜的结构示意图。

图4显示为本发明的不同第一预设间隔时放电摩擦发电机的短路电流放电情况对比。

图5显示为本发明的同第一预设间隔时放电摩擦发电机收集的最终带电量。

图6显示为本发明的另一种放电摩擦发电机的结构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1-6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

为了进一步提高摩擦发电机的输出性能，本发明公开了一种新型的放电摩擦发电机，利用本发明的放电摩擦发电机通过改变摩擦发电机中摩擦层与该摩擦层的电极之间的不同接触距离(也即下文将要介绍的第一预设间隔和/或第二预设间隔)，增强摩擦电荷感应效应，使其在运行时大量放电产生更多高密集电流，将摩擦起电与放电效应产生的电信号耦合协同输出。需要说明的是，本发明中，静电序列是指根据两种物质相互接触时产生静电的极性，将各种物质依次排成的序列，根据这个序列，前后两种物质接触时，前者带正电，后者带负电，也就是说不同物质的物体互相摩擦时，一定是一种物体带正电荷，另一种物体带负电荷。

下面将结合具体的实施例来说明本发明的技术方案。

实施例一

图1示出了本发明的一种放电摩擦发电机的结构示意图，请参阅图1，所述放电摩擦发电机包括第一摩擦单元100，包括第一电极4；第二摩擦单元200，包括第二摩擦层3和第二电极1，所述第二电极1设置于所述第二摩擦层3的远离所述第一摩擦单元100的表面；其中，所述第二电极1和所述第二摩擦层3之间预留一第一预设间隔H，所述第二摩擦层3与所述第一电极4分别位于静电序列的不同位置。

需要说明的是，图1所示的放电摩擦发电机采用垂直接触-分离模式工作，但是应该理解的是，本实施例的技术方案同样适用于滑动模式等其他工作模式的放电摩擦发电机。

请参阅图1，在本实施例中，所述第一摩擦单元100还包括一第一基板(未图示)，设置于所述第一电极4的远离所述第二摩擦单元200的表面；所述第二摩擦单元200还包括一第二基板，设置于所述第二电极1的远离所述第一摩擦单元100的表面。所述基板例如可以是玻璃板、陶瓷板、橡胶板等平板结构，可以理解的是，在其他实施例中，当放电摩擦发电机不在采用平板结构时，所述基板的形状也可以做相应的变换。需要说明的是，设置基板一方面是由于放电摩擦发电机一般采用薄膜电极，通过设置基板，并在基板上设置电极，也就是说，该基板能作为电极的附着基底；另一方面，后续放电摩擦发电机制备完成后的可使用基板来操作相应的摩擦单元运动，从而实现将机械能转换为电能输出。

需要说明的是，在本实施例中，为了进一步提高放电摩擦发电机的输出性能，所述第二摩擦层3的远离所述第二电极1的表面具有微纳结构，也即所述第二摩擦层3与所述第一电极4相对的表面设置有微纳结构。可以理解的是，在一些实施例中，所述第一电极4和所述第二摩擦层3相对的表面均可设置微纳结构。当然在另一些实施例中，也可以只在所述第一电极4与所述第二摩擦层3相对的表面设置微纳结构，而在第二摩擦层3上不设置。

在本实施例中，所述第二摩擦层3可以选择高分子聚合物薄膜，薄膜厚度介于1-15μm，第二摩擦层3的材料所用材料可选自聚偏氟乙烯、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、聚丙烯酸酯聚合物薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚异丁烯薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚缩聚物薄膜、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、丙烯腈氯乙烯共聚物薄膜和聚乙烯丙二酚碳酸盐中的任意一种。作为示例，为了制备方便，而且提高放电摩擦发电机的输出性能，所述第二摩擦层3的材料例如可选择含氟的高分子聚合物材料，譬如聚偏氟乙烯PVDF。

在本实施例中，所述第一电极4和所述第二电极1的材料是金属或合金，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。所述第一电极4和所述第二电极1材料可以相同也可以不同。作为示例，第一电极4和第二电极1例如可以采用沉积工艺(CVD，磁控溅射、机械包覆等手段形成在各自的基板表面。作为示例，所述第一电极4和所述第二电极1例如可以采用Al电极，例如采用铝箔，铝箔包覆在基板(例如亚克力板)的表面。

请参阅图1，为了在所述第二摩擦层3和所述第二电极1之间形成所述第一预设间隔H，例如可采用在所述第二摩擦层3和所述第二电极1之间设置第一环形间隔层2，所述第一环形间隔层2的高度H也即所述第一预设间隔H。需要说明的是，所述环形间隔层2可以是由若干间隔块间隔排列成环形形状，每个间隔块的上下表面分别与所述第二摩擦层3和所述第二电极1接触，也可以是一个完整环形结构，该完整的环形结构的上下表面分别与所述第二摩擦层3和所述第二电极1接触。

在本实施例中，为了提高放电摩擦发电机的输出，所述第二摩擦单元200的所述第一预设间隔H大于0而小于等于3mm；作为示例，所述第二摩擦单元200的所述第一预设间隔H介于2mm-3mm之间；在一具体的示例中，所述第二摩擦单元200的所述第一预设间隔H例如可以是1.5mm。

在本实施例中，可以通过在所述放电摩擦发电机的第一电极4和第二电极1之间接一个电流表300来研究放电摩擦发电机的短路电流，本实施例的所述放电摩擦发电机的工作原理图如图2所示。下面将结合图2来说明本实施例的放电摩擦发电机的工作原理。

请参阅图2，本实施例的放电摩擦发电机的工作过程可简单地描述为：当放电摩擦发电机的第一摩擦单元100(上摩擦单元)的第一电极4(上电极，例如可采用Al电极)电极与该放电摩擦发电机的第二摩擦单元200(下摩擦单元)的第二摩擦层3(下摩擦层，例如可采用PVDF薄膜)碰撞接触时，产生相对摩擦。由静电序列可知PVDF比Al更容易得电子，所以在这两种材料发生相互摩擦后(图2a)，电子会从Al上转移至PVDF表面，导致PVDF面上带有负的摩擦电荷，而Al摩擦面表面带有正的摩擦电荷。另外由于PVDF不导电，产生的摩擦电荷被束缚在薄膜的表面，选取放电摩擦发电机处于接触状态时为初始状态，此时作为第二摩擦层3的PVDF薄膜与作为第一电极4的Al电极紧密接触，由于等量的正负摩擦电荷相互屏蔽，所以在放电摩擦发电机的第二电极1(下电极，例如可采用Al电极)上没有感应出相应的异号电荷，当作为第一电极4的Al电极向上运动，与作为第二摩擦层3的PVDF薄膜逐渐分离，随着作为第二摩擦层3的PVDF薄膜与作为第一电极4的Al电极分开，正负摩擦电荷不能再相互屏蔽，从而在放电摩擦发电机的作为第二电极1的Al电极上感应出相应的异号电荷；

随着作为第二摩擦层3的PVDF薄膜和作为第一电极4的Al电极分开，作为第一电极4的Al电极的电势高于作为第二电极1的Al电极的电势，两者之间形成电势差，驱动自由电子从器件的作为第二电极1的Al电极经过外电路流向作为第一电极4的Al电极，以抵消所产生的电势差(图2b)，由于在这个过程中产生的感应电荷会瞬间抵消摩擦电荷产生的电势差，所以摩擦纳米发电机会迅速达到平衡状态；

当摩擦层到达最高点，放电摩擦发电机的作为第二电极1的Al电极上产生的感应电荷量达到最大值(图2c)；

当作为第一电极4的Al电极反向运动(也即向下运动)(图2d)，即向作为第二电极1的Al电极靠近，此时作为第二电摩擦层的PVDF薄膜与作为第一电极4的Al电极之间的间距不断变小，作为第一电极4的Al电极的电势低于作为第二电极1的Al电极的电势，这个电势差驱动自由电子从作为第一电极4的Al电极经过外电路流回作为第二电极1的Al电极，直至放电摩擦发电机的上下摩擦层再一次互相接触，作为第二摩擦层3的PVDF薄膜与作为第一电极4的Al电极上等量的正负摩擦电荷相互屏蔽，此时作为第二电极1的Al电极上的感应电荷完全消失(图2a)。随着放电摩擦发电机的来回周期性接触分离,在放电摩擦发电机的两个电极之间形成周期性变化的电场，从而驱动自由电子在外电路中不断地来回流动。

放电产生原理：在作为第二电极1的Al电极和作为第二摩擦层3的PVDF摩擦层之间垫高一定距离，也即形成上述的第一预设间隔H，在运行过程中，随着放电摩擦发电机本身的摩擦起电和静电感应，伴随着会出现放电现象，垫高距离越大，放电越剧烈，接触分离时，都会产生放电现象，这会极大的提升放电摩擦发电机的输出性能。

下面将以一个示例来说明本实施例的放电摩擦发电机的制备过程，具体包括：

步骤一、将PVDF粉末与DMF原溶液按1:6-1：10(例如1:8)比例进混合，配制15ml溶液，在30-40℃(例如35℃)、500-700rpm(例如600rpm)转速磁力搅拌器上搅拌10h，得到摩擦层的前驱溶液；

步骤二、将步骤一中所得前驱溶液用滴管取2-3滴于直径为10cm圆形硅片中心上(当然也可采用其他具有光滑表面的平板，例如玻璃板等)，放置匀胶机上进行高速旋转旋涂，转速参数从低速400-600rpm(例如500rpm)运行3-8s(例如5s)，再调2500-3500rpm(例如3000rpm)运行6-13s(例如10s)，之后取下硅片放置80-110℃(例如100℃)加热台烘干1-2min，得到PVDF旋涂薄膜作为放电摩擦发电机摩擦层，其中图3示出了制备的PVDF薄膜的SEM照片，可以看出其上存在微纳结构，这可以有效提高放电摩擦发电机的输出性能，制备的PVDF薄膜厚度介于1-15μm之间；之所以选择PVDF薄膜一方面是因为其含氟，能够有效提高放电摩擦发电机的输出性能；另一方面是其制备方便，而且具有一定的强度，不容易损坏；

步骤三、用亚克力板(当然也可以是其他基板)裁出两片长*宽*厚分别为5cm*5cm*2mm(该尺寸以及下文中的其他尺寸数据可以根据实际需要进行调整，不以此为限)的正方形板作为正负电极基板材料，用铝箔裁出两片约10cm*10cm的正方形片，用裁好的正方形铝箔紧贴第一块亚克力板将其一面包好，使其平整不留缝隙，得到Al电极作为摩擦纳米发电机下电极(第二电极1)；在第二块亚克力板上面做一个2.5cm*2.5cm*5mm大小的凸起正方形垫片(当然也可以是其他形状和厚度的垫片)，用AB胶固定在板上，再用铝箔将其完整包好不留缝隙，得到摩擦纳米发电机上电极(第一电极4)，设置该凸起垫片是为了保证包覆在其上的上电极能够伸入到步骤四第一环形间隔层2围成的凹槽中，能和覆盖在该凹槽端沿上的PVDF薄膜充分摩擦，提高输出性能；需要说明的是，采用铝箔是为了制作方便，降低工艺难度，在其他示例中，也可以采用沉积的方式在基板上形成电极材料；

步骤四、在下电极板四周用1cm宽度的双面胶均用贴满一周，贴至高度上升至需要的高度H，也即形成上述的第一环形间隔层2，H的高度1.5mm例如可以分别取0.5mm,1.0mm，1.5mm，2.0mm，2.5mm和3.0mm，使其中间留出长*宽*高为3cm*3cm*Hmm大小的正方体凹槽，当然也可以是其他合适形状的凹槽，不以此为限；

步骤五、将步骤二中制作的PVDF薄膜裁出约5cm*5cm大小，紧贴于步骤四中的第一环形间隔层2的远离下电极的表面，用双面胶固定好，使其表面平整不留缝隙，作为上述的第二摩擦层3。

图4和图5分别示出了该示例不同第一预设间隔H时放电摩擦发电机的短路电流放电情况对比及放电摩擦发电机收集的最终带电量，从图中可以看出，当第一预设间隔H从0增加到1.5mm时，放电摩擦发电机的短路电流峰值从0.2微安增加到0.8微安，放电摩擦发电机收集的最终带电量从150纳库提高到550纳库，也就是说，通过增大作为第二摩擦层3的PVDF摩擦层与作为第二电极1的下级板之间的距离，使其运行过程中产生放电效应，提高电荷输出性能。

需要说明的是，该示例的放电摩擦发电机的材料体系简单可控，制作成本低廉；并且该方法具有普适性，适合多种结构的摩擦纳米发电机；该摩擦纳米发电机效果优异，输出电荷量高，制造放电效应密集；在材料方面，提出了具有微纳结构的材料在放电摩擦发电机制备中的应用，为进一步提升放电摩擦发电机输出能力提供了新的思路；通过实验和仿真相结合，研究放电摩擦发电机的结构与性能之间的关系。揭示器件力、放电效应的过程与机制，依次优化器件的结构，为实现高性能可穿戴放电摩擦发电机的制备提供理论基础和实验指导。

实施例二

图6示出了本发明的第二种放电摩擦发电机的结构示意图。请参阅图6，所述放电摩擦发电机包括：第一摩擦单元100’，包括第一电极4’和第一摩擦层6’，所述第一电极4’设置于所述第一摩擦层6’的远离下文将要介绍的第二摩擦单元200’的表面；第二摩擦单元200’，包括第二摩擦层3’和第二电极1’，所述第二电极1’设置于所述第二摩擦层3’的远离所述第一摩擦单元100’的表面；其中，所述第一电极4’和所述第一摩擦层6’之间预留一第一预设间隔H1，所述第二摩擦层3’与所述第一电极4’分别位于静电序列的不同位置。

需要说明的是，图6所示的放电摩擦发电机采用垂直接触-分离模式工作，但是应该理解的是，本实施例的技术方案同样适用于滑动模式等其他工作模式的放电摩擦发电机。

需要说明的是，为了以示区分，在本实施例中，各结构单元的标号后都添加“’”。

本实施例中的所述第二摩擦单元200’和实施例一的第二摩擦单元200’结构相同，详情见上文相关部分描述，在此不做赘述。

请参阅图6，为了方便放电摩擦发电机的制备，所述第一摩擦单元100’还包括一第一基板(未图示)，设置于所述第一电极4’的远离所述第二摩擦单元200’的表面；所述第二摩擦单元200’还包括一第二基板(未图示)，设置于所述第二电极1’的远离所述第一摩擦单元100’的表面。所述基板例如可以是玻璃板、陶瓷板、橡胶板等平板结构，可以理解的是，在其他实施例中，当放电摩擦发电机不在采用平板结构时，所述基板的形状也可以做相应的变换。需要说明的是，设置基板一方面是由于放电摩擦发电机一般采用薄膜电极，通过设置基板，并在基板上设置电极，也就是说，该基板能作为电极的附着基底；另一方面，后续放电摩擦发电机制备完成后的可使用基板来操作相应的摩擦单元运动，从而实现将机械能转换为电能输出。

在本实施例中，为了进一步提高放电摩擦发电机的输出性能，所述第一摩擦层6’的远离所述第一电极4’的表面也可具有微纳结构，也即所述第一摩擦层6’与所述第二摩擦层3’相对的表面设置有微纳结构。需要说明的是，所述第一摩擦层6’和所述第二摩擦层3’的相对表面中也可择一设置所述微纳结构，也可两者均设置微纳结构。

在本实施例中，所述第一摩擦层6’和所述第二摩擦层3’可以选择高分子聚合物薄膜，薄膜厚度介于1-15μm；所述第一摩擦层6’和所述第二摩擦层3’的材料可分别选自聚偏氟乙烯、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、聚丙烯酸酯聚合物薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚异丁烯薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚缩聚物薄膜、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、丙烯腈氯乙烯共聚物薄膜和聚乙烯丙二酚碳酸盐中的任意一种，只需保证第一摩擦层6’和第二摩擦层3’所采用的材料在静电序列中处于不同的位置即可。作为示例，所述第一摩擦层6’和所述第二摩擦层3’的材料应在静电序列中相差较远的距离，以提高放电摩擦发电机的输出性能。作为示例，为了制备方便，而且提高放电摩擦发电机的输出性能，所述第一摩擦层6’例如可以选用聚乙烯醇PVA薄膜，所述第二摩擦层3’仍采用实施例一的聚偏氟乙烯PVDF。

在本实施例中，所述第一电极4’和所述第二电极1’的材料是金属或合金，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。所述第一电极4’和所述第二电极1’材料可以相同也可以不同。作为示例，所述第一电极4’和所述第二电极1’例如可以采用Al电极，例如采用铝箔，将铝箔包覆在基板(例如亚克力板)的表面。

请参阅图6，在本实施例中，为了在所述第二摩擦层3’和所述第二电极1’之间形成所述第一预设间隔H1，例如可采用在所述第二摩擦层3’和所述第二电极1’之间设置第一环形间隔层2’，所述第一环形间隔层2’的高度H1也即所述第一预设间隔H1。需要说明的是，所述第一环形间隔层2’可以是由若干间隔块间隔排列成环形形状，每个间隔块的上下表面分别与所述第二摩擦层3’和所述第二电极1’接触，也可以是一个完整环形结构，该完整的环形结构的上下表面分别与所述第二摩擦层3’和所述第二电极1’接触。作为示例，为了提高放电摩擦发电机的输出，所述第二摩擦单元200’的所述第一预设间隔H1大于0而小于等于3mm；作为示例，所述第二摩擦单元200’的所述第一预设间隔H1介于2mm-3mm之间；在一具体的示例中，所述第二摩擦单元200’的所述第一预设间隔H1例如可以是1.5mm。

请参阅图6，在一可选实施例中，为了提高放电摩擦发电机的输出，所述第一摩擦单元100’的所述第一摩擦层6’和所述第一电极4’之间也可和第二摩擦单元200’一样设置一第二预设间隔H2，为了在所述第一摩擦层6’和所述第一电极4’之间形成所述第二预设间隔H2，例如可采用在所述第一摩擦层6’和所述第一电极4’之间设置第二环形间隔层5’，所述第二环形间隔层5’的高度H2也即所述第二预设间隔H2。需要说明的是，所述第二环形间隔层5’可以是由若干间隔块间隔排列成环形形状，每个间隔块的上下表面分别与所述第一摩擦层6’和所述第一电极4’接触，也可以是一个完整环形结构，该完整的环形结构的上下表面分别与所述第一摩擦层6’和所述第一电极4’接触。作为示例，所述第一摩擦单元100’的所述第二预设间隔H2介于0-3mm(可以包括0，也即不设置第二预设间隔H2)；作为示例，所述第一摩擦单元100’的所述第二预设间隔H2介于2mm-3mm之间；在一具体的示例中，所述第一摩擦单元100’的所述第二预设间隔H2例如可以是1.5mm。

虽然在本实施例中，所述第二摩擦单元200’设置第一预设间隔H1，而第一摩擦单元100’可设置也可不设置第二预设间隔H2。但在其他实施例中，所述第二摩擦单元200’也可不设置第一预设间隔H1，而而只在所述第一摩擦单元100’中设置第二预设间隔H2。

图6所示的放电摩擦发电机的工作原理，和不设置预设间隔时的放电摩擦发电机的工作原理基本相同，均是基于摩擦起电和静电感应，所不同的是，会伴随放电现象。

放电产生原理：在作为第二电极1’的Al电极和作为第二摩擦层3’的PVDF摩擦层之间垫高一定距离，也即形成上述的第一预设间隔H1，作为第一电极4’的Al电极和作为第一摩擦层6’的PVA摩擦层之间垫高一定距离，也即形成上述的第二预设间隔H2，在运行过程中，随着放电摩擦发电机本身的摩擦起电和静电感应，伴随着会出现放电现象，垫高距离越大，放电越剧烈，接触分离时，都会产生放电现象，这会极大的提升放电摩擦发电机的输出性能。

综上所述，本发明的放电摩擦发电机通过改变摩擦发电机中摩擦层与该摩擦层的电极之间的不同接触距离(也即第一预设间隔和/或第二预设间隔)，增强摩擦电荷感应效应，使其在运行时大量放电产生更多高密集电流，将摩擦起电与放电效应产生的电信号耦合协同输出；本发明克服了本领域技术人员普遍认为放电效应不利于摩擦发电机输出的技术偏见，利用基于放电效应来增强摩擦发电机输出性能，可以大量提高摩擦发电机的输出性能，推进摩擦发电机进一步向实用迈进，应具有创造性；本发明的放电摩擦发电机结构简单，制备方便安全，材料合成环境绿色友好；本发明的放电摩擦发电机使用的材料体系简单可控，制作成本低廉；并且该放电摩擦发电机具有普适性，适合多种结构的放电摩擦发电机；本发明的放电摩擦发电机所内部阻抗低，产生电荷量大，存储效率高，适合大量推广，拥有重要实用意义。

在本文的描述中，提供了许多特定细节，诸如部件和/或方法的实例，以提供对本发明实施例的完全理解。然而，本领域技术人员将认识到可以在没有一项或多项具体细节的情况下或通过其他设备、系统、组件、方法、部件、材料、零件等等来实践本发明的实施例。在其他情况下，未具体示出或详细描述公知的结构、材料或操作，以避免使本发明实施例的方面变模糊。

在整篇说明书中提到“一个实施例(one embodiment)”、“实施例(anembodiment)”或“具体实施例(a specific embodiment)”意指与结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中，并且不一定在所有实施例中。因而，在整篇说明书中不同地方的短语“在一个实施例中(in one embodiment)”、“在实施例中(inan embodiment)”或“在具体实施例中(in a specific embodiment)”的各个表象不一定是指相同的实施例。此外，本发明的任何具体实施例的特定特征、结构或特性可以按任何合适的方式与一个或多个其他实施例结合。应当理解本文所述和所示的发明实施例的其他变型和修改可能是根据本文教导的，并将被视作本发明精神和范围的一部分。

还应当理解还可以以更分离或更整合的方式实施附图所示元件中的一个或多个，或者甚至因为在某些情况下不能操作而被移除或因为可以根据特定应用是有用的而被提供。

另外，除非另外明确指明，附图中的任何标志箭头应当仅被视为示例性的，而并非限制。此外，除非另外指明，本文所用的术语“或”一般意在表示“和/或”。在术语因提供分离或组合能力是不清楚的而被预见的情况下，部件或步骤的组合也将视为已被指明。

如在本文的描述和在下面整篇权利要求书中所用，除非另外指明，“一个(a)”、“一个(an)”和“该(the)”包括复数参考物。同样，如在本文的描述和在下面整篇权利要求书中所用，除非另外指明，“在…中(in)”的意思包括“在…中(in)”和“在…上(on)”。

本发明所示实施例的上述描述(包括在说明书摘要中所述的内容)并非意在详尽列举或将本发明限制到本文所公开的精确形式。尽管在本文仅为说明的目的而描述了本发明的具体实施例和本发明的实例，但是正如本领域技术人员将认识和理解的，各种等效修改是可以在本发明的精神和范围内的。如所指出的，可以按照本发明所述实施例的上述描述来对本发明进行这些修改，并且这些修改将在本发明的精神和范围内。

本文已经在总体上将系统和方法描述为有助于理解本发明的细节。此外，已经给出了各种具体细节以提供本发明实施例的总体理解。然而，相关领域的技术人员将会认识到，本发明的实施例可以在没有一个或多个具体细节的情况下进行实践，或者利用其它装置、系统、配件、方法、组件、材料、部分等进行实践。在其它情况下，并未特别示出或详细描述公知结构、材料和/或操作以避免对本发明实施例的各方面造成混淆。

因而，尽管本发明在本文已参照其具体实施例进行描述，但是修改自由、各种改变和替换意在上述公开内，并且应当理解，在某些情况下，在未背离所提出发明的范围和精神的前提下，在没有对应使用其他特征的情况下将采用本发明的一些特征。因此，可以进行许多修改，以使特定环境或材料适应本发明的实质范围和精神。本发明并非意在限制到在下面权利要求书中使用的特定术语和/或作为设想用以执行本发明的最佳方式公开的具体实施例，但是本发明将包括落入所附权利要求书范围内的任何和所有实施例及等同物。因而，本发明的范围将只由所附的权利要求书进行确定。

Claims (9)

1.一种放电摩擦发电机，其工作模式可采用垂直接触-分离模式或滑动模式，其特征在于，所述放电摩擦发电机包括：

第一摩擦单元，包括第一电极；

第二摩擦单元，包括第二摩擦层和第二电极，所述第二电极设置于所述第二摩擦层的远离所述第一摩擦单元的表面；

其中，所述第二电极和所述第二摩擦层之间预留一第一预设间隔，所述第二摩擦层的材料与所述第一电极的材料在静电序列中的位置不同，所述第一预设间隔大于0而小于等于3mm，所述第一预设间隔为间隙结构；

通过在所述第二电极和所述第二摩擦层之间形成所述第一预设间隔，在该放电摩擦发电机摩擦发电过程中，随该放电摩擦发电机自身的摩擦起电和静电感应外，会伴随着出现放电现象，从而提升放电摩擦发电机的输出性能。

2.根据权利要求1所述的放电摩擦发电机，其特征在于，所述第一摩擦单元还包括第一摩擦层，所述第一电极设置于所述第一摩擦层的远离所述第二摩擦单元的表面，其中，所述第一摩擦层层的材料与所述第二摩擦层的材料在静电序列中的位置不同。

3.根据权利要求2所述的放电摩擦发电机，其特征在于，所述第一摩擦层的远离所述第一电极的表面具有微纳结构。

4.根据权利要求2所述的放电摩擦发电机，其特征在于，所述第一摩擦层与所述第一电极之间预留一第二预设间隔。

5.根据权利要求4所述的放电摩擦发电机，其特征在于，所述第一摩擦单元还包括一第一环形间隔层，所述第一环形间隔层设置于所述第一摩擦层和所述第一电极之间，以在所述第一摩擦层与所述第一电极之间形成所述第二预设间隔。

6.根据权利要求4所述的放电摩擦发电机，其特征在于，所述第二预设间隔介于0-3mm之间。

7.根据权利要求1所述的放电摩擦发电机，其特征在于，所述第一摩擦单元还包括一第一基板，设置于所述第一电极的远离所述第二摩擦单元的表面；所述第二摩擦单元还包括一第二基板，设置于所述第二电极的远离所述第一摩擦单元的表面。

8.根据权利要求1所述的放电摩擦发电机，其特征在于，所述第二摩擦层的远离所述第二电极的表面具有微纳结构。

9.根据权利要求1所述的放电摩擦发电机，其特征在于，所述第二摩擦单元还包括一第二环形间隔层，所述第二环形间隔层设置于所述第二摩擦层和所述第二电极之间，以在所述第二摩擦层和所述第二电极之间形成所述第一预设间隔。

Images