CN111510015B - 一种具有摩擦层双面微结构的摩擦纳米发电机及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有摩擦层双面微结构的摩擦纳米发电机及制备方法，其特点是该摩擦纳米发电机的第一摩擦层或第二摩擦层表面具有微结构，第一电极层与第一摩擦层或第二电极层与第二摩擦层界面具有微结构；所述第一摩擦层与第二摩擦层面对面设置，在外力的作用下，其互相摩擦使第一电极层与第二电极层之间产生电能；所述摩擦纳米发电机的制备包括：电极、摩擦层及其贴合界面上刻蚀微结构。本发明与现有技术相比摩擦层表面以及电极层与摩擦层界面具有微结构，在外加机械力作用下，可以产生较高且较为稳定的电信号输出，制备工艺简单且可重复，尺寸可调控，设备要求和制作成本低。

Description

一种具有摩擦层双面微结构的摩擦纳米发电机及其制备方法

技术领域

本发明涉及摩擦纳米发电技术领域，尤其是一种具有摩擦层双面微结构的摩擦纳米发电机及其制备方法。

背景技术

目前，大多数电子设备都由电池供电，随着物联网技术的发展，电子设备正逐渐变得小型化，多功能化和移动化。使用电池存在着许多困难，例如环境污染以及难以回收利用。因此，迫切需要为电子设备找到合适的能源，从可再生的自然环境中收集能量是一种缓解能源危机的有效方法。摩擦纳米发电机（TENG）是一种可以将机械能转化为电能的能源装置，机械能包括但不限于风能，人体运动能，海洋能和机械能触发/振动等。它的基本工作机制是摩擦带电和静电感应的耦合作用，由于它具有低频率下的高能效，小体积和低成本，多种工作模式，多种材料可供选择以及广泛的应用领域等优点，已经可以应用于驱动可穿戴电子设备。

现有技术的摩擦纳米发电机，虽然在介质层掺入高介质常数的材料、做表面图形化、注入官能团或离子，来提高摩擦纳米发电机的电荷密度及转移效率。这些方法大多都是仅仅对摩擦层进行改善，虽然可以提高TENG的电学性能，但制造工艺复杂、成本高，不可大规模工业化生产，而且电学性能也稳定。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而设计的一种具有摩擦层双面微结构的摩擦纳米发电机及其制备方，采用电极层与摩擦层界面，以及摩擦层或电极层上设置微结构，大大提高了摩擦纳米发电机的电荷密度和转移效率，其输出电能有显著增加，不但制备工艺简单且可重复，尺寸可调控，而且设备要求和制备成本低，在外加机械力作用下，可以产生较高且较为稳定的电信号输出，可以更好的驱动微小电子器件工作，在微电子领域具有很好的应用前景。

本发明的目的是这样实现的：一种具有摩擦层双面微结构的摩擦纳米发电机，包括由第一电极层与第一摩擦层组成的第一发电部件，以及由第二电极层与第二摩擦层组成的第二发电部件，其特点是所述第二发电部件的第二摩擦层的上、下表面均设有微结构，第二电极层与第二摩擦层贴合的界面上设有微结构；所述第一发电部件的第一摩擦层的上、下表面或设有微结构，第一电极层与第一摩擦层贴合的界面上或设有微结构；所述第一发电部件或仅为第一电极层兼作的电极层和摩擦层；所述第一发电部件的第一摩擦层与第二发电部件的第二摩擦层按两摩擦层的接触设置可分为垂直接触-分离模式、水平滑动模式、单电极模式或独立层模式的摩擦纳米发电机。

所述垂直接触-分离模式的摩擦纳米发电机，其第一发电部件的第一摩擦层与第二发电部件的第二摩擦层为垂直且面对面的接触设置，当作用于摩擦面周期性的垂直外力，第一摩擦层与第二摩擦层周期性的接触与分离，使得第一电极层与第二电极层之间产生交流电信号。

所述水平滑动模式的摩擦纳米发电机，其第一发电部件的第一摩擦层与第二发电部件的第二摩擦层为面对面的接触设置，当作用于摩擦面周期性的水平外力，第一摩擦层与第二摩擦层发生相对滑动产生摩擦电荷，使得第一电极层与第二电极层之间产生交流电信号。

所述单电极模式的摩擦纳米发电机，其第一发电部件仅为第一摩擦层组成，第一发电部件的第一摩擦层与第二发电部件的第二摩擦层为垂直且面对面的接触设置，并将第二电极层通过外部负载接地，当作用于摩擦面周期性的垂直外力，使第一摩擦层与第二摩擦层周期性的接触与分离，电子通过外部负载在接地和第二电极层之间流动，从而产生交流电信号。

所述独立层模式的摩擦纳米发电机，第一发电部件仅为两个第一电极层组成，第二发电部件设置于第一发电部件上方，且第二摩擦层分别与两第一电极层为面对面的接触设置，当作用于摩擦面周期性的水平外力，使得左、右两第一电极层之间产生交流电信号。

所述微结构为化学刻蚀工艺制备的具有1～200微米、1纳米～1微米或其两者复合的粗糙结构。

一种具有摩擦层双面微结构的摩擦纳米发电机的制备方法，其特点是该摩擦纳米发电机的具体制备包括如下步骤：

步骤1：电极的制备

将厚度为100～1000um的铝、铜、银或铁的金属薄膜按设计要求裁剪为第一电极层，将其打磨后为制备第二发电部件的第二电极层。

步骤2：电极上的微结构制备

在第二电极层上表面进行1～200微米、1纳米～1微米或其两者复合的微结构化学刻蚀，刻蚀后用去离子水超声清洗1～2min，并用氮气干燥，制得表面具有微结构的电极层。

步骤3：保护层的制备

室温下，将上述步骤2制备的表面具有微结构的电极层，其下表面放在高分子聚合物与固化剂混合的预聚物上，然后在温度为60～80℃的烘箱中固化处理1～1.5h，得到电极保护层。

步骤4：摩擦层的设置

在上述步骤3的表面具有微结构的电极层上表面旋涂高分子聚合物与固化剂混合的预聚物，得到的涂层为摩擦层。

步骤5：摩擦层的预固化

将上述步骤4制备的摩擦层抽真空处理20～30min，并将其在温度为60～80℃的烘箱中处理20～25min，得到预固化的高分子聚合物涂层。

步骤6：摩擦层的制备

将上述步骤2制备的另一电极层的微结构贴合在上述步骤5预固化的摩擦层上，并压上质量为1.5～2KG的砝码，然后将其在温度为60～80℃的烘箱中固化处理1～1.5h，得到固化的摩擦层。

步骤7：摩擦层上的微结构制备

采用化学腐蚀对上述步骤6中的另一电极层进行刻蚀，直至该电极被完全腐蚀后用去离子水超声清洗1～2min，并用氮气干燥，制得表面具有微结构的摩擦层。

步骤8：第二发电部件的制备

将上述步骤7中的电极保护层从表面具有微结构的电极层上剥离，制得贴合界面具有微结构的第二发电部件或第一发电部件，其表面具有微结构的电极层为第二或第一电极层，表面具有微结构的摩擦层为第二或第一摩擦层。

步骤9：第一发电部件的制备

在第一电极层上贴合第一摩擦层为第一发电部件。

步骤10：摩擦纳米发电机的制备

利用导线及导电胶带对第一发电部件中的第一电极层及第二发电部件中的第二电极层进行引线，制得一种具有双层结构的摩擦纳米发电机。

所述化学刻蚀采用盐酸、硫酸、硝酸、氯化铁、铁氰化钾或草酸溶液。

所述高分子聚合物为聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚醋酸乙烯酯、聚丙烯酰胺或聚偏氟乙烯可固化的聚合物材料。

所述第一摩擦层与第二摩擦层为一切可以产生摩擦起电效应的金、银、铜、铁金属材料，或聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯高分子材料，以及木材、丝绸或纸张，但第一摩擦层与第二摩擦层应选取不同的材料，以保证摩擦层得失电子能力不同。

本发明与现有技术相比具有较高的电荷密度和转移效率，其输出电能有了成百倍的增加，不但制备工艺简单且可重复，尺寸可调控，而且设备要求和制备成本低，在外加机械力作用下，可以产生较高且较为稳定的电信号输出，可以更好的驱动微小电子器件工作，在微电子领域具有很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明工作模式示意图；

图3为本发明工作过程示意图；

图4为本发明的制备流程图；

图5为实施例1的结构示意图；

图6为实施例1的测试结果图；

图7为实施例2结构示意图；

图8为实施例2的测试结果图。

具体实施方式

参阅附图1～图2，本发明包括由第一电极层11与第一摩擦层16组成的第一发电部件I，以及由第二电极层13与第二摩擦层14组成的第二发电部件II，所述第二电极层13与第二摩擦层14贴合的界面上设有微结构15；所述第二摩擦层14表面设有微结构15；所述第一电极层11与第一摩擦层16贴合的界面上或设有微结构15；所述第一摩擦层16表面或设有微结构15；所述第一发电部件I的第一摩擦层16与第二发电部件II的第二摩擦层14可组合为分离模式、水平滑动模式、单电极模式或独立层模式的摩擦纳米发电机；第一摩擦层16与第二摩擦层14面对面设置，互相摩擦过程中，在第一电极层11或第二电极层13之间产生电信号；第一摩擦层16与第二摩擦层14面对面设置，互相摩擦过程中，在第一电极层11或第二电极层13之间产生电信号。

参阅附图1a，所述第二摩擦层14表面具有微结构15，以及第二电极层13和第二摩擦层14界面具有微结构15。

参阅附图1b，所述第一发电部件I中第一摩擦层16表面具有微结构15，并且第一电极层11和第一摩擦层16界面具有微结构15，且第二发电部件II中第二摩擦层14表面具有微结构15，以及第二电极层,13和第二摩擦层14界面具有微结构15。

本发明第一发电部件I的第一摩擦层16与第二发电部件II的第二摩擦层14可组合为垂直接触-分离模式、水平滑动模式、单电极模式或独立层模式的摩擦纳米发电机，其具体工作如下：

（一）垂直接触-分离模式

参阅附图2a，为具有摩擦层双面微结构的垂直接触-分离模式的摩擦纳米发电机，其第二摩擦层14表面具有微结构15，, 并且第二电极层13与第二摩擦层14界面具有微结构15。第一发电部件I中的导体材料可以同时作为第一电极层11和第一摩擦层16。第一摩擦层16与第二摩擦层14为垂直的面对面设置，通过施加周期性的机械力可以使第一摩擦层16与第二摩擦层14周期性地接触和分离产生电势差。在电势差的驱使下，电子流过外部负载R以抵消摩擦电荷的电势差，从而在第一电极层11和第二电极层13之间产生交流电信号。

（二）水平滑动模式

参阅附图2b，为具有摩擦层双面微结构的水平滑动模式的摩擦纳米发电机，其第二摩擦层14表面具有微结构15，并且第二电极层14与第二摩擦层13界面具有微结构15。第一发电部件I中的导体材料可以同时作为第一电极层11和第一摩擦层16。第一摩擦层16与第二摩擦层14为面对面设置，在与摩擦薄膜为水平方向平行的外力驱动下，第一摩擦层16与第二摩擦层14发生相对滑动，由于滑动摩擦起电产生摩擦电荷。两摩擦表面间接触面积的周期性变化导致电荷中心的横向分离，从而产生电势差。在电势差的驱使下，电子流过外部负载R以抵消摩擦电荷的电势差，从而在第一电极层11与第二电极层13之间产生交流电信号。

（三）单电极模式

参阅附图2c，为具有摩擦层双面微结构的单电极模式的摩擦纳米发电机，其第二摩擦层14表面具有微结构15，并且第二电极层13与第二摩擦层14界面具有微结构15。该工作模式中的第一发电部件I仅为第一摩擦层16（即没有第一电极层11）。第一摩擦层16和第二摩擦层14为垂直的面对面设置，第二发电部分II中第二发电层13通过外部负载R接地。当有外力作用在发电机上使两个摩擦层相互接触时，会使两个摩擦层带相反的电荷，当外力释放后，两个摩擦层分离时，为平衡第二摩擦层14表面上的电荷，电子会通过外部负载R从第二电极层13向地流动，使第二电极层13带有正电荷。当第二摩擦层14与第二电极层13电荷平衡后，电子不流动。当外力重新作用在发电机上，电荷平衡被破坏，电子通过外部负载R从地向第二电极层13流动，从而产生交流电信号。

（四）独立层模式

参阅附图2d，为具有摩擦层双面微结构的独立层模式的摩擦纳米发电机，其第二摩擦层14表面具有微结构15，并且第二电极层13与第二摩擦层14界面具有微结构15。该工作模式中的第一发电部件I仅为两个第一电极层11（即没有第一摩擦层16）。第二发电部件II置于第一发电部件I上方，且第二摩擦层14与第一电极层11为垂直的面对面设置，在与摩擦薄膜为水平方向平行的外力驱动下，第二摩擦层14与第一电极层11发生相对滑动，产生摩擦电荷。当第二摩擦层14与第一电极层11的左电极完全重合时，所有回路中的正电荷被吸引到左电极的上表面，当第二摩擦层14向右边滑动时，回路中的正电荷将通过负载R从第一电极层11的左电极向右电极流动。当第二摩擦层14与第一电极层11的右电极完全重合时，所有的正电荷将流入右电极。当第二摩擦层14重新向左电极移动时，右电极的正电荷会流入左电极，从而在第一电极层11的左右电极之间产生交流电信号。

下面对垂直接触-分离模式摩擦纳米发明机的工作过程作进一步详细说明：

参阅附图3 a，由于第一摩擦层16和第二摩擦层14的材料不同，二者之间存在得失电子能力的差异，因此，此处以第一摩擦层16比第二摩擦层14得电子能力更强为例。当有外力作用在发电机上时，两个摩擦层相互接触，电子会从第二摩擦层14流向第一摩擦层16，从而使第一摩擦层16带负电荷，第二摩擦层14带正电荷，且带电荷量相同，由于第一电极层11表面与第二电极层13表面没有产生电荷，所以在两个电极层之间没有电势。

参阅附图3 b，当外力释放后，由于摩擦材料自身的弹性，第一摩擦层16和第二摩擦层14倾向于恢复到其原始的位置，在分离过程中，第一电极层11表面与第二电极层13表面由于静电感应分别带有正电荷和负电荷，两个电极之间形成电势差，会驱动电子从第一电极层11流到第二电极层13，会产生一个正向的瞬时电流。

参阅附图3 c，当第一发电部件I和第二发电部件II完全分离时，电荷累积达到平衡状态，此时两电极层间没有电流流过。

参阅附图3 d，当外力重新加载时，由于两个发电部件互相靠近，第一电极层11的电势比第二电极层13高，使得电子从第二电极层13流到第一电极层11，从而产生一个反向的瞬时电流。当第一摩擦层16与第二摩擦层14完全接触时，所有的感应电荷都被中和，此时两电极层间没有电流流过（如图3a所示）。

参阅图4，本发明以第二摩擦层表面具有微结构，并且第二电极层和第二摩擦层界面具有微结构为例，对本发明的制备方法作进一步的详细说明，其具体步骤如下：

S1、将厚度为100～1000um的铝、铜、银或铁的金属薄膜按设计要求裁剪为电极11（或为第一电极层的电极），将其打磨后为打磨电极12。

S2、将S1步骤所得的打磨电极12采用化学腐蚀的刻蚀工艺；将所得到的电极用去离子水超声清洗1～2min，并用氮气干燥，得到了表面具有微结构15的电极13（即第二电极层）。

S3、在室温下，将高分子聚合物与固化剂混合，将S2步骤所得的表面具有微结构15的电极13放在高分子聚合物与固化剂混合的预聚物表面，放入温度为60～80℃的烘箱中1～1.5h进行完全固化处理，表面具有微结构15的电极 13下方这层高分子聚合物涂层为保护电极层14-1，该保护层在后续的化学刻蚀过程中可保护电极不被刻蚀。

S4、将高分子聚合物预聚物与固化剂混合的预聚物旋涂于S3步骤所得的表面具有微结构15的电极13表面。

S5、将S4步骤所得的表面具有微结构15的电极13表面附有高分子聚合物涂层进行抽真空处理20～30min，使得该涂层中没有气泡，随后将其一起放入温度为60～80℃的烘箱中20～25min，进行预固化处理。

S6、将S2步骤所得的表面具有微结构15的电极13盖在S5步骤所得预固化处理后的高分子聚合物涂层上，并用一个质量为1.5～2KG的砝码压在表面具有微结构15的电极13上方，随后将其一起放入温度为60～80℃的烘箱中1～1.5h，进行完全固化处理。

S7、将盖在完全固化的高分子聚合物涂层上的表面具有微结构15的电极13进行化学刻蚀，直到该电极被完全刻蚀掉，随后用去离子水超声清洗1～2min，并用氮气干燥，得到表面具有微结构15的高分子聚合物涂层为第二摩擦层14。

S8、将表面具有微结构15的电极13下方固化的保护电极层14-1剥离，得到第二摩擦层14表面具有微结构15，并且第二电极层13和第二摩擦层14界面具有微结构15的第二发电部件II。

S9、将另一电极11（即第一电极层）贴合第一摩擦层16为第一发电部件I，所述第一摩擦层16采用一切可以产生摩擦起电效应的材料，如：金、银、铜、铁金属材料，或聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯高分子材料，以及木材、丝绸、纸张。但第一摩擦层16与第二摩擦层14应选取不同的材料，以保证摩擦层得失电子能力不同。

S10、利用导线及导电胶带对第一发电部件I中的第一电极层11及第二发电部件II中的第二电极层13进行引线17，制得一种具有双层结构的摩擦纳米发电机18。

以下通过两种双层微结构的垂直接触-分离模式的具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

参阅图5，在第一发电部件I中，选用铝板既作为第一电极层11又作为第一摩擦层16；在第二发电部件II中，选用铝板作为第二电极层13，选用聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为第二摩擦层14。作为第二摩擦层14的PDMS与作为第二电极层13的铝板表面均具有微米结构15。将同时作为电极和摩擦层的铝板为第一电极层11与作为第二摩擦层14的PDMS面对面设置用以互相摩擦。电信号在两铝板电极层间产生，整个摩擦纳米发电机的面积为3cm×3cm，其具体制备如下：

S1、裁剪三块3cm×3cm×200um的铝板，将其中两块铝板先用800目的砂纸打磨，再用2000目的砂纸打磨，直至铝板表面没有金属光泽，另一块铝板为第一发电部件I中的第一电极层11，该电极层同时也作为第一发电部件I中的第一摩擦层16。

S2、将打磨后的两块铝板分别置于3M的盐酸溶液中于通风橱中，在室温下化学反应6min，直到铝板表面呈黑色但没有被刻蚀掉。将刻蚀后的铝板分别用去离子水超声清洗2min，并用氮气干燥，得到了表面具有微米结构15的铝板，其中一块为第二电极层13，另一块为制备第二摩擦层14表面微米结构所用。

S3、在室温下，将PDMS的预聚物与固化剂（SYLGARD 184）按质量比为10:1混合搅拌5min，使预聚物与固化剂充分混合后抽真空25min，使混合物中的气泡排尽。

S4、在塑料培养皿中倒入适量的PDMS，将S2步骤所制备具有微米结构15的铝板放置在PDMS表面，然后将其放入温度为60℃的烘箱中固化1h，使铝板下方的这层PDMS完全固化，以保护后续化学刻蚀过程中的电极不被刻蚀。

S5、利用甩胶机以700rpm旋转10s，然后以900rpm旋转30s，将S3步骤制备的PDMS与固化剂混合物旋涂于S4步骤中的铝板表面，得到一层厚度为100um且均匀的PDMS涂层。

S6、将S5步骤制备的PDMS涂层抽真空25min，使得铝板上方的PDMS涂层处于真空状态后放入温度为60℃的烘箱中固化20min，此时铝板上方的PDMS涂层处于半固化状态。

S7、将S2步骤所得的另一块具有微米结构15的铝板盖在S6步骤的半固化状态的PDMS涂层表面，并用一个质量为2KG的砝码压在该铝板上方，随后将其放入温度为60℃的烘箱中固化1h，此时两铝板中间的PDMS涂层处于完全固化状态。

S8、将S7步骤所得的产品放入4M的盐酸溶液中在通风橱中进行化学反应20min，使盖在PDMS涂层上方的铝板被完全刻蚀掉，而PDMS涂层下方的铝板没有被刻蚀。将上层被完全刻蚀掉铝板的PDMS涂层用去离子水超声清洗2min，并用氮气干燥，得到具有微米结构15的PDMS涂层为第二摩擦层14。

S9、将铝板下方充当保护层的PDMS涂层从铝板上剥离，此时得到的具有微米结构15的铝板为第二电极层13，且与第二摩擦层14构成第二发电部件II。

S10、利用导线及导电胶带对第一电极层11和第二电极层13的铝板进行引线，制得一种具有摩擦层双面微结构的摩擦纳米发电机，其中第二摩擦层14表面具有微米结构15，并且电极和摩擦层界面具有微米结构15。

参阅图6，将上述制备的摩擦纳米发电机进行了相关的性能测试和分析，在外加频率为4HZ、机械力为37N，该结构的摩擦纳米发电机可以输出300V~-160V且较为稳定的交流电压。

实施例2

参阅图7，在第一发电部件I中，选用铝板既作为第一电极层11又作为第一摩擦层16；在第二发电部件II中，选用铝板作为第二电极层13，选用聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为第二摩擦层14。作为第二摩擦层14的PDMS与作为第二电极层13的铝板表面均具有微米结构15。将同时作为电极和摩擦层的铝板为第一电极层11与作为第二摩擦层14的PDMS面对面设置用以互相摩擦。电信号在两铝板电极层间产生，整个摩擦纳米发电机的面积为3cm×3cm，其具体制备如下：

S1、裁剪三块3cm×3cm×200um的铝板，将其中两块铝板先用800目的砂纸打磨，再用2000目的砂纸打磨，直至铝板表面没有金属光泽，另一块铝板为第一发电部件I中的第一电极层11，该电极层同时也作为第一发电部件I中的第一摩擦层16。

S2、将打磨后的两块铝板分别置于3M的盐酸溶液中于通风橱中，在室温下化学反应6min，直到铝板表面呈黑色但没有被刻蚀掉。将刻蚀后的铝板分别用去离子水超声清洗2min，并用氮气干燥，然后将其中一块具有微米结构15的铝板放在一个盛有400ml去离子水的烧杯中，放入温度为100℃的烘箱中水煮1h，制得表面具有微纳复合结构15的铝板；另一块具有微米结构15的铝板为制备第二摩擦层14表面微米结构所用。

S3、在室温下，将PDMS的预聚物与固化剂（SYLGARD 184）按质量比为10:1混合搅拌5min，使预聚物与固化剂充分混合后抽真空25min，使混合物中的气泡排尽。

S4、在塑料培养皿中倒入适量的PDMS，将S2步骤所制备具有微米结构15的铝板放置在PDMS表面，然后将其放入温度为60℃的烘箱中固化1h，使铝板下方的这层PDMS完全固化，以保护后续化学刻蚀过程中的电极不被刻蚀。

S5、利用甩胶机以700rpm旋转10s，然后以900rpm旋转30s，将S3步骤制备的PDMS与固化剂混合物旋涂于S4步骤中的铝板表面，得到一层厚度为100um且均匀的PDMS涂层。

S6、将S5步骤制备的PDMS涂层抽真空25min，使得铝板上方的PDMS涂层处于真空状态后放入温度为60℃的烘箱中固化20min，此时铝板上方的PDMS涂层处于半固化状态。

S7、将S2步骤所得的另一块具有微米结构15的铝板盖在S6步骤的半固化状态的PDMS涂层表面，并用一个质量为2KG的砝码压在该铝板上方，随后将其放入温度为60℃的烘箱中固化1h，此时两铝板中间的PDMS涂层处于完全固化状态。

S8、将S7步骤所得的产品放入4M的盐酸溶液中在通风橱中进行化学反应20min，使盖在PDMS涂层上方的铝板被完全刻蚀掉，而PDMS涂层下方的铝板没有被刻蚀。将上层被完全刻蚀掉铝板的PDMS涂层用去离子水超声清洗2min，并用氮气干燥，得到具有微米结构15的PDMS涂层为第二摩擦层14。

S9、将铝板下方充当保护层的PDMS涂层从铝板上剥离，此时得到的具有微纳复合结构15的铝板为第二电极层13，且与第二摩擦层14构成第二发电部件II。

S10、利用导线及导电胶带对第一电极层11和第二电极层13的铝板进行引线，制得一种具有摩擦层双面微结构的摩擦纳米发电机，其中第二摩擦层14表面具有微米结构15，并且电极和摩擦层界面具有微纳复合结构15。

参阅图8，将上述制备的摩擦纳米发电机进行了相关的性能测试和分析，在外加频率为4HZ、机械力为37N，该结构的摩擦纳米发电机可以输出范围为380V~-200V且较为稳定的交流电压。

以上仅是本发明较佳实施例而已，并非对本专利作任何形式上的限制，凡是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，等同变化与修饰，均属于本专利的权利要求范围之内。

Claims (4)

1.一种具有摩擦层双面微结构的摩擦纳米发电机的制备方法，包括由第一电极层与第一摩擦层组成的第一发电部件，以及由第二电极层与第二摩擦层组成的第二发电部件，所述第二发电部件的第二摩擦层的上、下表面均设有微结构，第二电极层与第二摩擦层贴合的界面上设有微结构；所述第一发电部件的第一摩擦层的上、下表面设有或不设有微结构，第一电极层与第一摩擦层贴合的界面上设有或不设有微结构；所述第一发电部件或仅为第一电极层且兼作第一摩擦层；所述第一发电部件的第一摩擦层与第二发电部件的第二摩擦层按两摩擦层的接触设置可分为垂直接触-分离模式、水平滑动模式、单电极模式或独立层模式的摩擦纳米发电机；所述垂直接触-分离模式的摩擦纳米发电机，其第一发电部件的第一摩擦层与第二发电部件的第二摩擦层为垂直且面对面的接触设置，当作用于摩擦面周期性的垂直外力，第一摩擦层与第二摩擦层周期性的接触与分离，使得第一电极层与第二电极层之间产生交流电信号；所述水平滑动模式的摩擦纳米发电机，其第一发电部件的第一摩擦层与第二发电部件的第二摩擦层为面对面的接触设置，当作用于摩擦面周期性的水平外力，第一摩擦层与第二摩擦层发生相对滑动产生摩擦电荷，使得第一电极层与第二电极层之间产生交流电信号；所述单电极模式的摩擦纳米发电机，其第一发电部件仅为第一摩擦层组成，第一发电部件的第一摩擦层与第二发电部件的第二摩擦层为垂直且面对面的接触设置，并将第二电极层通过外部负载接地，当作用于摩擦面周期性的垂直外力，使第一摩擦层与第二摩擦层周期性的接触与分离，电子通过外部负载在接地和第二电极层之间流动，从而产生交流电信号；所述独立层模式的摩擦纳米发电机，第一发电部件仅为两个第一电极层组成，第二发电部件设置于第一发电部件上方，且第二摩擦层分别与两个第一电极层为面对面的接触设置，当作用于摩擦面周期性的水平外力，使得左、右两个第一电极层之间产生交流电信号；所述微结构为化学刻蚀工艺制备的具有1～200微米、1纳米～1微米或其两者复合的粗糙结构，其特征在于该摩擦纳米发电机的具体制备包括如下步骤：

步骤1：电极的制备

将厚度为100～1000um的铝、铜、银或铁的金属薄膜按设计要求裁剪为第一发电部件的第一电极层，将其打磨后为制备第二发电部件的第二电极层；

步骤2：电极上的微结构制备

在第二电极层上表面进行1～200微米、1纳米～1微米或其两者复合的微结构化学刻蚀，刻蚀后用去离子水超声清洗1～2min，并用氮气干燥，制得表面具有微结构的电极层；

步骤3：保护层的制备

室温下，将上述步骤2制备的表面具有微结构的电极层，其下表面放在高分子聚合物与固化剂混合的预聚物上，然后在温度为60～80℃的烘箱中固化处理1～1.5h，得到电极保护层；

步骤4：摩擦层的设置

在上述步骤3的表面具有微结构的电极层上表面旋涂高分子聚合物与固化剂混合的预聚物，得到的涂层为摩擦层；

步骤5：摩擦层的预固化

将上述步骤4制备的摩擦层抽真空处理20～30min，并将其在温度为60～80℃的烘箱中处理20～25min，得到预固化的高分子聚合物涂层；

步骤6：摩擦层的制备

将上述步骤2制备的另一电极层的微结构贴合在上述步骤5预固化的摩擦层上，并压上质量为1.5～2KG的砝码，然后将其在温度为60～80℃的烘箱中固化处理1～1.5h，得到固化的摩擦层；

步骤7：摩擦层上的微结构制备

采用化学腐蚀对上述步骤6中的另一电极层进行刻蚀，直至该另一电极层被完全腐蚀后用去离子水超声清洗1～2min，并用氮气干燥，制得表面具有微结构的摩擦层；

步骤8：第二发电部件的制备

将上述步骤7中的电极保护层从表面具有微结构的电极层上剥离，制得贴合界面具有微结构的第二发电部件，其表面具有微结构的电极层为第二电极层，表面具有微结构的摩擦层为第二摩擦层；

步骤9：第一发电部件的制备

在第一电极层上贴合第一摩擦层为第一发电部件；

步骤10：摩擦纳米发电机的制备

利用导线及导电胶带对第一发电部件中的第一电极层及第二发电部件中的第二电极层进行引线，制得一种具有双层结构的摩擦纳米发电机。

2.根据权利要求1所述具有摩擦层双面微结构的摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于所述化学刻蚀采用盐酸、硫酸、硝酸、氯化铁、铁氰化钾或草酸溶液。

3.根据权利要求1所述具有摩擦层双面微结构的摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于所述高分子聚合物为聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚醋酸乙烯酯、聚丙烯酰胺或聚偏氟乙烯可固化的聚合物。

4.根据权利要求1所述具有摩擦层双面微结构的摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于所述第一摩擦层、第二摩擦层为产生摩擦起电效应的金、银、铜、铁金属材料，或聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯高分子材料，且第一摩擦层与第二摩擦层应选取不同的材料，以保证摩擦层得失电子能力的不同。