WO2014139348A1

WO2014139348A1 - 一种滑动式摩擦纳米发电机组

Info

Publication number: WO2014139348A1
Application number: PCT/CN2014/071489
Authority: WO
Inventors: 王中林; 朱光
Original assignee: 国家纳米科学中心
Priority date: 2013-03-12
Filing date: 2014-01-26
Publication date: 2014-09-18
Also published as: CN103780124A; CN103780124B

Abstract

一种滑动摩擦纳米发电机组，包括第一导电元件（11）、与第一导电元件上表面接触放置的第一摩擦层（10）、第二导电元件（21）、与第二导电元件下表面接触放置的第二摩擦层（20），其中，第一摩擦层中包含若干第一摩擦单元（101），第二摩擦层包含若干第二摩擦单元（201）。第一摩擦单元的上表面与第二摩擦单元的下表面在外力作用下发生相对滑动摩擦的同时，摩擦面积发生变化，并通过第一导电元件和第二导电元件向外电路输出电信号。该摩擦纳米发电机组中，对发电机的摩擦层施加周期性的外力时，可以在第一导电元件和第二导电元件之间形成交流脉冲信号输出，以用作新能源技术或传感技术。

Description

一种滑动式摩擦纳米发电机组

技术领域本发明涉及一种发电机组，特别涉及一种将施加外力的机械能转化为电能的滑动式摩擦纳米发电机组。

背景技术在微电子和材料技术高速发展的今日，大量新型具有多种功能和高度集成化的微型电子器件不断被开发出来，并在人们日常生活的各个领域展现出前所未有的应用前景。然而，和这些微型电子器件所匹配的电源系统的研究却相对滞后，一般说来，这些微型电子器件的电源都是直接或者间接来自于电池。电池不仅体积较大、质量较重，而且含有的有毒化学物质对环境和人体存在潜在的危害。因此，开发出能将运动、振动等自然存在的机械能转化为电能的技术具有极其重要的意义。

但是，目前能将上述机械能有效地转化为电能的发电机均是以电磁感应为基础的，由水轮机、汽轮机、柴油机或其它动力机械驱动，将水流，气流，燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转化为机械能传给发电机，再由发电机转换为电能加以利用。这些发电机都需要相对集中、大强度的能量输入，而对于人们日常活动中产生的以及自然界存在的强度较小的动能，基本都无法将其有效的转化为电能。同时，传统发电机的体积较大、结构复杂，根本不能作为微型电子器件的供电元件使用。

发明内容为了克服现有技术中的上述问题，本发明提供一种滑动摩擦纳米发电机组，能够将施加在摩擦纳米发电机上的切向外力的机械能转化为电能。

为实现上述目的，本发明提供一种摩擦纳米发电机组，包括：第一导电元件、与第一导电元件上表面接触放置的第一摩擦层、第二导电元件、与第二导电元件下表面接触放置的第二摩擦层，其中，第一摩擦层中包含若干第一摩擦单元，第二摩擦层中包含若干第二摩擦单元；所述第一摩擦单元的上表面与第二摩擦单元的下表面在外力作用下发生相对滑动摩擦、同时摩擦面积发生变化，并通过第一导电元件和第二导电元件向外电路输出电信号；

优选地，所述第一摩擦单元的上表面材料和所述第二摩擦单元的下表面材料之间存在摩擦电极序差异；

优选地，所述第一摩擦单元的上表面和所述第二摩擦单元的下表面接触放置；

优选地，在没有外力作用时，所述第一摩擦单元的上表面和所述第二摩擦单元的下表面分离，在外力作用下，所述第一摩擦单元的上表面和所述第二摩擦单元的下表面接触并发生与接触面相切的相对滑动摩擦；

优选地，所述第一摩擦单元上表面材料和 /或所述第二摩擦单元下表面材料为绝缘材料或半导体材料；

优选地，所述绝缘材料选自苯胺甲醛树脂、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、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯 -丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚 (偏氯乙烯 -co-丙烯腈：)、聚双酚 A碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚（2,6-二甲基聚亚苯基氧化物）、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙垸碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧垸、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯和派瑞林；

优选地，所述半导体材料选自硅、锗、第 III和第 V族化合物、第 II 和第 VI族化合物、由 III- V族化合物和 π -νι族化合物组成的固溶体、非晶态的玻璃半导体和有机半导体；

优选地，所述第 III和第 V族化合物选自砷化镓和磷化镓；所述第 II 和第 VI族化合物选自硫化镉和硫化锌；所述由 III- V族化合物和 II -VI族化合物组成的固溶体选自镓铝砷和镓砷磷；

优选地，所述第一摩擦单元上表面材料和 /或所述第二摩擦单元下表面材料为非导电氧化物、半导体氧化物或复杂氧化物，包括氧化硅、氧化铝，氧化锰、氧化铬、氧化铁、氧化钛、氧化铜、氧化锌、 Β )₂和 Υ₂0₃;

优选地，所述第一摩擦单元的上表面为具有负极性的摩擦电极序材料，选自聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙垸碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧垸、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯和派瑞林。

优选地，所述第二摩擦单元的下表面为具有正极性的摩擦电极序材料，选自苯胺甲醛树脂、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、聚酯、铜、铝、金、银、钢和硅。

优选地，所述第一摩擦单元的上表面和 /或第二摩擦单元的下表面分布有微米或次微米量级的微结构；

优选地，所述微结构选自纳米线，纳米管，纳米颗粒，纳米沟槽、微米沟槽，纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构；

优选地，所述第一摩擦单元的上表面和 /或第二摩擦单元的下表面有纳米材料的点缀或涂层；

优选地，所述第一摩擦单元的上表面和 /或第二摩擦单元的下表面经过化学改性，使得在所述第一摩擦单元的上表面材料引入容易得到电子的官能团和 /或在所述第二摩擦单元的下表面材料引入容易失去电子的官能团；

优选地，所述容易失去电子的官能团包括氨基、羟基或垸氧基；优选地，所述容易得到电子的官能团包括酰基、羧基、硝基或磺酸基；

优选地，所述第一摩擦单元上表面和 /或第二摩擦单元下表面经过化学改性，使得在所述第一摩擦单元的上表面材料引入负电荷和 /或在所述第二摩擦单元的下表面材料引入正电荷；

优选地，所述化学改性通过化学键合引入带电荷基团的方式实现; 优选地，用导电材料替换绝缘材料或半导体材料制备所述第一摩擦单元或第二摩擦单元；

优选地，构成所述第一摩擦单元或第二摩擦单元的所述导电材料选自金属、导电氧化物和导电高分子；

优选地，其所述金属选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金；

优选地，所述第一摩擦层中包含至少 2个所述第一摩擦单元和 /或所述第二摩擦层中包含至少 2个所述第二摩擦单元；

优选地，所有所述第一摩擦单元的材料和尺寸相同和 /或所有所述第二摩擦单元的材料和尺寸相同；

优选地，所述第一摩擦单元在第一摩擦层中的排列图案与第二摩擦单元在第二摩擦层中的排列图案相呼应，使得第一摩擦层与第二摩擦层相对放置时，在外力的作用下每个第一摩擦单元的上表面至少能与一个第二摩擦单元的下表面部分接触；

优选地，所述第一摩擦单元与第二摩擦单元的形状、尺寸和排列方式相同，使得第一摩擦层与第二摩擦层相对放置时，在外力的作用下每个第一摩擦单元的上表面都能与一个第二摩擦单元的下表面基本完全接触；

优选地，所述第一摩擦单元和第二摩擦单元为阵列式离散排列；优选地，所述第一摩擦单元和第二摩擦单元为棋盘状排列，使第一摩擦层和第二摩擦层中存在孔洞结构；优选地，所述第一摩擦单元和第二摩擦单元的排列图案为间隔的条状排列，所述条状的长度方向与所述第一摩擦单元和第二摩擦单元的相对摩擦方向垂直；

优选地，所述第一导电元件和第二导电元件选自金属、导电氧化物导电高分子；

优选地，所述第一导电元件和第二导电元件选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金；

优选地，所述第一导电元件和 /或第二导电元件为薄膜或薄片；优选地，所述第一摩擦层、第二摩擦层、第一导电元件和 /或第二导电元件为硬质的；

优选地，所述第一摩擦层、第二摩擦层、第一导电元件和 /或第二导电元件为柔性的；

优选地，所述第一摩擦层中还包含第一填充介质用于填充除第一摩擦单元以外的空间和 /或所述第二摩擦层中还包含第二填充介质用于填充除第二摩擦单元以外的空间；

优选地，所述第一填充介质和第二填充介质由具有相对于第一摩擦单元和第二摩擦单元显中性摩擦电极序的材料构成；

优选地，所述具有中性摩擦电极序的材料选自聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯 -丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚 (偏氯乙烯 -co-丙烯腈：)、聚双酚 A碳酸酯聚氯醚、聚偏二氯乙烯和聚（2,6-二甲基聚亚苯基氧化物）；优选地，所述第一填充介质的厚度小于或等于第一摩擦单元的厚度，第二填充介质的厚度小于或等于第二摩擦单元的厚度；

优选地，所述第一填充介质和 /或第二填充介质为不导电的固体、不导电的液体、不导电的气体或真空环境；

优选地，所述第一摩擦层和 /或第二摩擦层为薄膜或薄片；

优选地，所述第一导电元件的外表面和所述第二导电元件的内表面为同轴曲面，使得分布于所述第一导电元件外表面的所述第一摩擦单元与分布于所述第二导电元件内表面的所述第二摩擦单元接触，并且在有外力施加的情况下，发生相对滑动摩擦，同时摩擦面积能够发生变化；优选地，所述闭合曲面为圆柱面；

优选地，所述第一导电元件为实心圆柱；

优选地，所有所述第一摩擦单元的上表面同属于与所述第一导电元件同轴的一个圆柱面，所有所述第二摩擦单元的下表面同属于与所述第一导电元件同轴的另一个圆柱面，并且在力的作用下，每个所述第一摩擦单元的上表面均与一个所述第二单元的下表面至少部分接触。

对本发明的滑动摩擦纳米发电机组施加周期性的切向外力时，可以在第一导电元件和第二导电元件之间形成交流脉冲信号输出。与现有技术相比，本发明的滑动摩擦纳米发电机具有下列优点：

1、原理和应用上的新突破。本发明的发电机在工作过程中两摩擦层之间不需要间隙，与两摩擦层周期性全接触和全分离的器件在发电原理上不同，给社会提供了一个全新的设计思路。而且无间隙的设计省略了弹性距离保持件的安装，也为封装技术提供了方便，使其能够应用在更为广阔的领域。

2、能量的高效利用。本发明的发电机无需大规模、高强度的能量输入，仅需输入的机械能能够驱动第一摩擦单元和第二摩擦单元之间的相对滑动即可，因此可有效收集自然界和人们日常生活中产生的各种强度的机械能，并将其转化为电能，实现能量的高效利用；而且，本摩擦纳米发电机同时包含多个发电基元，可以大大提高输出功率，并且所施加的外力不管来自那个方向，它都可以有功率输出，这大大提高了发电机的效率。

3、结构简单、轻巧便携和高度兼容。本发明的发电机无需磁铁、线圈、转子等部件，结构简单，体积很小，制作方便、成本低廉、能够安装在各种可以使第一摩擦层和第二摩擦层产生相对滑动的器件上，无需特殊的工作环境，因此具有很高的兼容性。

4、用途广泛。通过对发电机中第一摩擦层的上表面和第二摩擦层的下表面进行物理改性或化学改性，引入纳米结构图案或涂纳米材料等，还可以进一歩提高摩擦纳米发电机在切向外力作用下两摩擦层接触并相对滑动时产生的接触电荷密度，从而提高发电机的输出能力。因此，本发明的发电机不仅能作为小型功率源，同时也可用于大功率发电。此外，本发明的摩擦纳米发电机可以通过桥式整流电路，提供直流电流输出，以供需要直流电的设备使用。

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为本发明的摩擦纳米发电机的典型结构示意图；

图 2为本发明的摩擦纳米发电机的发电原理的剖面示意图；图 3为本发明第一摩擦单元和第二摩擦单元的条形设计方案；图 4为本发明第一摩擦单元和第二摩擦单元的棋盘形设计方案；图 5为本发明第一摩擦单元和第二摩擦单元的阵列式分散排列设计方案；

图 6为本发明包含填充介质的第一摩擦单元和第二摩擦单元的条形设计方案；

图 7为本发明包含填充介质的第一摩擦单元和第二摩擦单元的棋盘形设计方案；

图 8为本发明发电机的另一种典型结构示意图；

图 9为本发明发电机的另一种典型结构示意图；

图 10为本发明发电机的另一种典型结构示意图；

图 11为本发明发电机的另一种典型结构示意图；

图 12为本发明发电机的另一种典型结构示意图；

图 13为本发明实施例中摩擦纳米发电机在相对平均滑动速率为 0.3 米 /秒下的短路电流输出图。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。

本发明提供一种将运动、振动等自然存在的机械能转化为电能的结构简单的摩擦纳米发电机，能够为微型电子器件提供匹配的电源。本发明的摩擦纳米发电机利用了在摩擦电极序中的极性存在差异的材料接触时产生表面电荷转移的现象，将外力的机械能转化为电能。

本发明中所述的 "摩擦电极序"，是指根据材料对电荷的吸引程度将其进行的排序，两种材料在相互接触摩擦的瞬间，在摩擦面上负电荷从摩擦电极序中极性较正的材料表面转移至摩擦电极序中极性较负的材料表面。迄今为止，还没有一种统一的理论能够完整的解释电荷转移的机制，一般认为，这种电荷转移和材料的表面功函数相关，通过电子或者离子在摩擦面上的转移而实现电荷转移。需要说明的是，摩擦电极序只是一种基于经验的统计结果，即两种材料在该序列中相差越远，接触后所产生电荷的正负性和该序列相符合的几率就越大，而且实际的结果受到多种因素的影响，比如材料表面粗糙度、环境湿度和是否有相对摩擦等。

本发明中所述的 "接触电荷"，是指在两种摩擦电极序极性存在差异的材料在接触摩擦并分离后其表面所带有的电荷，一般认为，该电荷只分布在材料的表面，分布最大深度不过约为 10纳米。需要说明的是，接触电荷的符号是净电荷的符号，即在带有正接触电荷的材料表面的局部地区可能存在负电荷的聚集区域，但整个表面净电荷的符号为正。

本发明中所述的摩擦单元的厚度是指由摩擦单元下表面到上表面的垂直距离；填充介质的厚度是指由填充介质下表面到上表面的垂直距本发明的摩擦纳米发电机的一种典型基本结构，参见图 1，包括：第一导电元件 11、所述第一导电原件 11上表面上设置的若干第一摩擦单元 101，这些摩擦单元构成了第一摩擦层 10; 第二导电元件 21、所述第二导电元件 21下表面设置的若干第二摩擦单元 201，这些摩擦单元构成了第二摩擦层 20; 第一摩擦单元 101和第二摩擦单元 201相对放置，当施加的外力使所述第一摩擦单元 101的上表面与第二摩擦单元 201的下表面发生相对滑动摩擦、并且导致二者的摩擦面积发生变化时，由于第一摩擦单元 101的材料和第二摩擦单元 201的材料之间有摩擦电极序差异，能够通过第一导电元件 11和第二导电元件 21向外电路输出电信号。

为了方便说明，以下将结合图 1 的典型结构来描述本发明的原理、各部件的选择原则以及材料范围，但是很显然这些内容并不仅局限于图 1所示的实施例，而是可以用于本发明所公开的所有技术方案。

本发明的摩擦纳米发电机的工作原理，参见图 2。在图 2 (a) , 通过施加外力使所述第一摩擦层 10中的第一摩擦单元 101与所述第二摩擦层 20中的第二摩擦单元 201之间发生滑动摩擦，由于构成第一摩擦单元 101与第二摩擦单元 201的材料在摩擦电极序中存在差异，因此该摩擦过程弓 I发二者的表面电荷转移。

参见图 2 (b)，为了屏蔽由于错位而残留在第一摩擦单元 101和第二摩擦单元 201中因摩擦产生的表面电荷所形成的电场，第一导电元件 11中的自由电子就会通过外电路流到第二导电元件 21，产生一瞬时电流。

参见图 2 (c)，当外力反方向时，第一摩擦单元 101和第二摩擦单元 201 的相对滑动错位消失，两导电元件恢复原状，第二导电元件 21 中的电子流回第一导电元件 11，从而给出一相反方向的电流。

虽然摩擦起电的现象早已被人们所认识，本领域对能够发生摩擦起电的材料种类也有共识，往往我们知道的是摩擦可以起静电，但是对于利用滑动摩擦进行发电并将其器件化则是本发明首次提出的。通过本发明上面提供的工作原理，本领域的技术人员能够清楚地认识到滑动摩擦纳米发电机的工作方式，从而能够了解各部件材料的选择原则。以下给出适用本发明中所有技术方案的各部件材料的可选择范围，在实际应用时可以根据实际需要来做具体选择，从而达到调控发电机输出性能的目的：

本实施例中，第一摩擦单元 101和第二摩擦单元 201接触放置，无论是否有外力施加于其上，二者始终保持面接触。这是本发明发电机的最典型结构，通过控制第一摩擦单元 101和第二摩擦单元 201 的尺寸、以及相对位移量，很容易实现在相对滑动摩擦的过程中摩擦面积发生变化。

但是本发明并不限定第一摩擦单元 101和第二导电单元 201 自始至终一直保持面接触，只要在外力作用下，二者能够接触并发生与接触面相切的相对滑动摩擦即可，而在没有外力作用时，第一摩擦单元 101和第二摩擦单元 201可以完全分离。这样的设计能够满足需要间隔式发电的情况。而且摩擦过程可以同时有接触摩擦，也可以有滑动摩擦。实现这一目的的技术手段有很多，可以采用本领域中控制距离的常规部件，例如在第一导电元件 11的下表面和第二导电元件 21的上表面分别连接绝缘弹簧，使得在没有外力作用下，第一摩擦单元 101和第二摩擦单元 201 之间保持一定间距，但是需要注意使用的弹簧不应限制第一摩擦层 10和第二摩擦层 20之间的相对滑动。另外，该实施方式对于与其他产品结合使用的发电机比较有利，可以将第一摩擦层 10和第二摩擦层 20 分别连接到其他产品中 2个互相分隔的部件上，利用这 2个部件的间歇性接触和相对滑动来带动发电机工作，从而实现间隔式发电。

第一摩擦单元 101和第二摩擦单元 201分别由具有不同摩擦电特性的材料组成，所述的不同摩擦电特性意味着二者在摩擦电极序中处于不同的位置，从而使得二者在发生摩擦的过程中能够在表面产生接触电荷。常规的绝缘材料都具有摩擦电特性，均可以作为制备本发明第一摩擦单元 101和第二摩擦单元 201的材料，此处列举一些常用的绝缘材料：苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺 11、聚酰胺 6-6、羊毛及其编织物、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、聚酯（涤纶）、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚 (偏氯乙烯 -co-丙烯腈)、聚双酚 A碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚（2,6 - 二甲基聚亚苯基氧化物）、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙垸碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧垸、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯、派瑞林，包括派瑞林 C, 派瑞林 N，派瑞林 D，派瑞林 HT，和派瑞林 AF4。限于篇幅的原因，并不能对所有可能的材料进行穷举，此处仅列出几种具体的材料从人们参考，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。

相对于绝缘体，半导体和金属均具有容易失去电子的摩擦电特性，在摩擦电极序的列表中常位于末尾处。因此，半导体和金属也可以作为制备第一摩擦单元 101或第二摩擦单元 201的原料。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、 Βι0₂和 Υ₂0_{3 ;} 常用的金属包括金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金。当然，还可以使用其他具有导电特性的材料充当容易失去电子的摩擦层材料，例如铟锡氧化物 ΙΤΟ。

通过实验发现，当第一摩擦单元 101和第二摩擦单元 201材料的得电子能力相差越大（即在摩擦电极序中的位置相差越远）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第一摩擦单元 101和第二摩擦单元 201，以获得更好的输出效果。具有负极性摩擦电极序的材料优选聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙垸碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧垸、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; 具有正极性的摩擦电极序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、聚酯、铜、铝、金、银、钢和硅。

还可以对第一摩擦单元 101上表面和 /或第二摩擦单元 201下表面进行物理改性，使其表面分布有微米或次微米量级的微结构阵列，以增加第一摩擦单元 101与第二摩擦单元 201之间的接触面积，从而增大接触电荷量。具体的改性方法包括光刻蚀、化学刻蚀和离子体刻蚀等。也可以通过纳米材料的点缀或涂层的方式来实现该目的。

也可以对相互接触的第一摩擦单元 101和 /或第二摩擦单元 201的表面进行化学改性，能够进一歩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：一种方法是对于相互接触的第一摩擦单元 101和第二摩擦单元 201 材料，在极性为正的材料表面引入更易失电子的官能团（即强给电子基团），或者在极性为负的材料表面引入更易得电子的官能团（强吸电子基团），都能够进一歩提高电荷在相互滑动时的转移量，从而提高摩擦电荷密度和发电机的输出功率。强给电子基团包括：氨基、羟基、垸氧基等；强吸电子基团包括：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。另外一种方法是在极性为正的摩擦层材料表面引入正电荷，而在极性为负的摩擦层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，可以在聚二甲基硅氧垸（英文简写为 PDMS) 摩擦层表面利用水解 -缩合（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。也可以在金属金薄膜层上利用金-硫的键结修饰上表面含十六垸基三甲基溴化铵（CTAB ) 的金纳米粒子，由于十六垸基三甲基溴化铵为阳离子，故会使整个摩擦层变成带正电性。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。

本发明并不限定第一摩擦单元 101和第二摩擦单元 201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二者之间的滑动摩擦效果，本领域的技术人员可以根据实际情况进行选择。而且柔性材料制成的发电机的优势在于柔软轻薄的摩擦层受到轻微的外力作用就会发生形变，而这种形变会引起两个摩擦层的相对位移，从而通过滑动摩擦向外输出电信号。柔性材料的使用使本发明的纳米发电机在生物和医学中领域中也有非常广泛的应用。在使用的过程中还可以用具有超薄、柔软、具有弹性和 /或透明的高分子材料做基底，进行封装以方便使用并提高强度。显然，本发明公开的所有结构都可以用相应的超软并具有弹性的材料做成，从而形成柔性纳米发电机，在这里就不一一赘述，但是由此衍生出的各种设计应该都包括在本专利的保护范围内。

第一摩擦单元 101和第二摩擦单元 201的厚度对本发明的实施没有显著影响，只是在设置的过程中需要综合考虑摩擦单元强度与发电效率等因素。本发明优选摩擦层为薄层，厚度为 50nm-2cm，优选 100nm-lcm，更优选 1μπι-5πιπι，更优选 10μπι-2πιπι，这些厚度对本发明中所有的技术方案都适用。

图 3给出了一种第一摩擦单元 101和第二摩擦单元 201的典型排布情况。第一摩擦单元 101呈细条状间隔排列在第一导电原件 11 的上表面，构成了不连续的第一摩擦层 10; 第二摩擦单元 201在第二导电元件 21的下表面也呈相同的细条状间隔排列，构成了同样不连续的第二摩擦层 20; 由此，当第一摩擦层 10和第二摩擦层 20相对放置时，能保证每个第一摩擦单元 101都至少与一个第二摩擦单元 201部分接触。当对发电机施加能使第一摩擦单元 101和第二摩擦单元 201之间发生相对滑动、并且二者的接触面积发生改变的力时，发电机能够工作，向外电路输出信号。如果能精确控制每个第一摩擦单元 101和第二摩擦单元 201的形状、尺寸和排布位置，则可以使这些摩擦单元实现完全接触，滑动摩擦引起的错位 /失配的面积达到最大，这样在摩擦过程中产生的电荷密度和总电量最大。优选所述条状的长度方向与所述第一摩擦单元和第二摩擦单元的相对摩擦方向垂直。当然，如果不能完全精确的控制每个摩擦单元的形状、尺寸和位置，则尽量保证大部分的第一摩擦单元 101都能与一个第二摩擦单元 201至少部分接触，这样也能够使二者在滑动摩擦的过程中发生电荷转移，实现本发明的目的。

图 4给出了另一种第一摩擦单元 101和第二摩擦单元 201的典型排布情况。在该例子中，第一摩擦单元 101和第二摩擦单元 201均以棋盘的形式分布在两个导电元件的表面，使得第一摩擦层 10 和第二摩擦层 20中存在孔洞结构，该孔洞结构保证了第一摩擦层 10和第二摩擦层 20 在发生相对滑动摩擦时，摩擦面积能够发生变化，从而能够产生电信号向外输出。通过调整布局使得第一摩擦层 10和第二摩擦层 20相对放置时，每个第一摩擦单元 101至少和一个第二摩擦单元 201部分接触，如果能精确控制每个第一摩擦单元 101和第二摩擦单元 201的形状和尺寸，则可以使这些摩擦单元实现完全接触，这样在摩擦过程中产生的电荷密度最大。当然，如果不能完全精确的控制每个摩擦单元的形状、尺寸和位置，则尽量保证大部分的第一摩擦单元 101都能与一个第二摩擦单元 201 至少部分接触，这样就能够使二者在发生滑动摩擦的过程中接触面积发生变化，同时发生电荷转移，从而实现本发明的目的。这种棋盘式的排布方式给本发明带来一个非常显著的优势，即无论任何方向的外力，只要能使第一摩擦层 10和第二摩擦层 20之间发生较小的相对滑动，都能引起第一摩擦单元 101和第二摩擦单元 201接触面积的变化，亦即本发明的发电机对驱动源的适应范围有很大扩展。

与棋盘式布局类似的是阵列式分散布局，具体参见图 5。该布局方式与棋盘式布局的区别在于相邻的第一摩擦单元 101之间没有任何接触，同样，相邻的第二摩擦单元 201之间也没有任何接触。阵列单元（即第一或第二摩擦单元）的横截面形状可以为长方形、正方形、圆形、三角形等，也可以为不规则的图形；阵列单元的排列方式也可以按照长方形、正方形、圆形、三角形等图形排列。除了具有棋盘式布局的上述优势外，该布局方式更为方便制备，有利于工业推广和应用。

虽然图 3至图 5所示的实施例中，第一摩擦单元 101和第二摩擦单元 201的形状、尺寸和排布方式都相同，但是本领域的技术人员应该认识到这些并不是本发明的发电机能够正常工作的必要条件，因为只要能够使一些第一摩擦单元 101和第二摩擦单元 201在滑动摩擦的过程中摩擦面积发生变化，就能够使本发明的发电机输出电信号。也就是说，各第一摩擦单元 101的材料和尺寸可以相同也可以不同，各第二摩擦单元 201 的材料和尺寸可以相同也可以不同，只要互相接触的第一摩擦单元和第二摩擦单元在材料上满足摩擦电极序特性存在差异、并且每个第一摩擦单元相对于与其接触的第二摩擦单元的得失电子倾向相同，同时在尺寸上满足能够在滑动的过程中摩擦面积发生变化即可。因此，本领域的技术人员完全可以根据实际需要来设计第一摩擦单元 101和第二摩擦单元 201的材料、形状、尺寸和排布方式，而这些设计都是在本发明所公开的原理下指导完成的，应属于本发明的保护范围。。第一摩擦单元 101和第二摩擦单元 201在与二者相对摩擦方向垂直的方向上的几何尺寸一般没有限制，优选为 1μπι-50«η，更有选为 10μπι-10«η，更优选为 20 m-5cm。

第一导电元件 11和第二导电元件 21作为发电机的两个电极，只要具备能够导电的特性即可，可选自金属或导电氧化物，常用的金属包括金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金，更优选金属薄膜，例如铝膜、金膜、铜膜；常用的导电氧化物包括铟锡氧化物 ITO和离子掺杂型的半导体。电极层最好与相应的摩擦单元表面紧密接触，以保证电荷的传输效率；导电材料具体的沉积方法可以为电子束蒸发、等离子体溅射、磁控溅射或蒸镀，也可以直接利用金属板作为导电元件。导电元件并不必须限定是硬质的，也可以是柔性的，因为柔性导电元件同样可以起到对摩擦层的支撑和导电作用。

导电元件可以是薄膜、薄层或薄板，优选薄膜和薄层，厚度的可选范围为 10nm-5mm，优选为 50nm-lmm，优选为 100ηπι-500μπι。

第一导电元件 11和第二导电元件 21与外电路连接的方式可以是通过导线或金属薄膜与外电路连接。

为了保证本发电机组的机械强度，可以在第一导电元件的下表面和 /或第二导电元件的上表面接触设置支撑层，优选为绝缘材料或半导体材料，例如塑料板或硅片等。

图 6和图 7是本发明摩擦纳米发电机的另一种典型结构示意图，其主要结构分别与图 3和图 4所示的实施例相同，区别仅在于：第一摩擦层 10中除第一摩擦单元 101之外的空间填充有第一填充介质 102，第二摩擦层 20中除第二摩擦单元 201之外的空间填充有第二填充介质 202，第一填充介质 102和第二填充介质 202为相对于摩擦单元材料而言具有中性摩擦电极序的材料，在摩擦过程中不易发生电荷转移。第一填充介质 102和第二填充介质 202的加入使得第一摩擦层 10和第二摩擦层 20 的机械强度大大增强，从而使本发明的发电机能够用于更为广泛的领域，并具有更长的寿命。

第一填充介质 102和第二填充介质 202的材料并不必须相同，二者均可从下述范围中选择：聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚 (偏氯乙烯 -co-丙烯腈)、聚双酚 A碳酸酯聚氯醚、聚偏二氯乙烯和聚（2,6-二甲基聚亚苯基氧化物）。

显然，如果发电机在使用的过程中需要液体、气体或真空环境，上述第一填充介质 102和第二填充介质 202也可以是液体或气体，在必要的情况下也可以是真空。需要注意的是，填充介质的材料应该在摩擦过程中不容易发生电荷转移。第一填充介质 102和第二填充介质 202的形状以满足对摩擦层强度的要求为基本原则，具体可以根据实际情况进行调整。图 8是第一摩擦层 10和第二摩擦层 20中均设有填充介质的情况，并且所述填充介质的高度均低于相应的摩擦单元，这种设置方式能够在保证发电机工作效率的同时，有效改善摩擦层的强度。也可以只在一个摩擦层中设置填充层，例如图 9和图 10所示的情况。其中图 10所示的第二填充介质 202与第二摩擦单元 201的高度基本相同，这种情况适用于构成第二摩擦单元 201 的材料本身强度较小的情况。由于第二填充介质 202是由具有相对中性摩擦电特性的材料构成的，因此即便在滑动的过程中与第一摩擦单元 101 之间发生摩擦，但是由于其不易发生电荷的特性，使得这种摩擦不会对发电机的整体效率产生明显影响。

图 11 是本发明另一种典型的发电机结构示意图。在该实施例中第一导电元件 11和第二导电元件 21为薄片，将二者做成同轴的圆柱曲面，使得第一摩擦单元 101位于第一导电元件 11 的外表面，而第二摩擦单元 201位于第二导电元件 21的内表面，并且与第一摩擦单元 101相对接触布置。当施加的外力 F使第二导电元件 21 带动第二摩擦单元 201 与第一摩擦单元 101发生相对转动时，第一摩擦单元 101与第二摩擦单元 201之间能够发生滑动摩擦，从而使发电机工作。

图 12是在图 11所示实施例的基础上将第一导电元件 11改为实心圆柱，这种结构进一歩提高了发电机的整体强度，扩展了其应用范围。

对于图 11和图 12所示的发电机，进一歩控制第一摩擦单元 101和第二摩擦单元 201尺寸以及分布，使得所有第一摩擦单元 101的上表面均属于与第一导电元件 11同轴的一个圆柱面，而所有第二摩擦单元 201 的下表面均属于与第一导电元件 11 同轴的另一个圆柱面，并且在力的作用下每一个第一摩擦单元 101的上表面均与一个第二摩擦单元 201的下表面至少部分接触。该设计使得第一摩擦单元 101和第二摩擦单元 201 只要沿一个方向相对滑动，而不必改变力的方向，就可以使发电机连续工作。

图 1-10中的设计都可以做出封闭的圆筒形结构来根据图 11和图 12 中的设计做成圆柱形旋转摩擦发电机。为了提高发电机的机械强度、延长其使用寿命，可以在图 11和 12所示的发电机中使用填充介质，具体的填充方式可参照图 8-10所示的实施方式，即在第一摩擦层 10和 /或第二摩擦层 20中填充第一填充介质 102和第二填充介质 202，并且所述填充介质的厚度可以小于或等于相应摩擦单元的厚度。填充介质材料的选择与前述的具有相对中性摩擦电极序的材料相同。这种设计和由此衍生出的各种设计都包括在该专利的保护范围。实施例 1

第一导电元件采用厚度为 lmm，尺寸为 5cmX 6cm的金属铜薄片，第二导电元件采用相同尺寸的金属铝片，第一摩擦单元的材料采用特富龙（聚四氟乙烯）薄膜，第二摩擦单元的材料为聚对苯二甲酸乙二酯 (PET)。聚四氟乙烯和聚对苯二甲酸乙二酯在摩擦电极序中分别具有极负和极正的极性。特富龙被制作成长宽高分别为 5cm、 0.5cm和 0.2cm 的条状薄膜结构，并且按照图 3的方式以 0.5 cm 间隔分布在铜片上。聚对苯二甲酸乙二酯制作成长宽高分别为 5cm、 0.5cm和 0.2cm的条状薄膜结构，同样以 0.5cm的间隔分布在铝片上。

在金属铝薄片和金属铜薄片上引出导线后，将聚对苯二甲酸乙二酯条和聚四氟乙烯条相对放置，使二者尽量完全正对接触。在聚对苯二甲酸乙二酯层以 0.3米 /秒的平均速率、垂直于条形结构的纵向方向进行往复滑动时，聚对苯二甲酸乙二酯条和聚四氟乙烯条之间产生滑动摩擦，并且摩擦面积发生周期性变化，从而促使摩擦纳米发电机工作，所产生的短路电流输出图见图 13。

实施例 2

本实施例与实施例 1基本相同，区别仅在于：以厚度为 600μπι的硅片为第一摩擦单元材料，在硅片表面旋转涂覆上一层光刻胶，利用光刻的方法在光刻胶上形成边长在微米或次微米量级的正方形窗口阵列，将光刻完成后的硅片经过热氢氧化钾的化学刻蚀，在窗口处形成金字塔形的凹陷结构阵列。然后将其分割成长 2cm、宽 2cm的小块，并按照棋盘状布置在第一导电元件的表面；以聚二甲基硅氧垸（PDMS) 为第二摩擦单元，也分割成 2cmX 2cm的小块，按照与硅片相呼应的方式布置在第二导电元件的表面。当硅片与 PDMS两种材料在外力作用下接触并发生相对滑动时，由于 PDMS具有较好的弹性，其能够进入并填充硅片表面的凹陷结构，较水平面接触增大了接触面积，因此能够改善发电机的输出性能。

实施例 3

本实施例与实施例 2基本相同，区别仅在于在 PDMS表面进一歩采用电感耦合等离子体刻蚀方法制备纳米线阵列，具体歩骤为：在 PDMS 表面用溅射仪沉积约 10纳米厚的金，之后将 PDMS薄膜放入电感耦合等离子体刻蚀机中，对沉积有金的一面进行刻蚀，通入 0₂、 Ar和 CF₄ 气体，流量分别控制在 10sccm、 15sccm和 30sccm，压强控制在 15mTorr，工作温度控制在 55°C，用 400瓦的功率来产生等离子体， 100瓦的功率来加速等离子体，进行约 5分钟的刻蚀，得到基本垂直于膜层的长度约为 1.5微米的 PDMS纳米棒阵列。表面具有微结构的 PDMS薄膜与硅片的接触面积进一歩增加，发电机的输出性能被进一歩改善。

实施例 4

第一导电元件采用厚度为 2mm 的金属铜薄膜层，第二导电元件采用厚度为 1mm的金属铝薄膜层，第一摩擦单元使用厚度为 lmm、直径为 lcm的聚酰亚胺圆片，用导电胶固定在金属铜薄膜表面；第二摩擦单元使用厚度为 lmm、直径为 lcm的金属铝圆片，用导电胶按照与第一摩擦单元相同的图案固定布置在金属铝薄膜上，在金属铝薄膜和金属铜薄膜上引出导线连入外电路，将聚酰亚胺圆片与铝片相对放置，并尽量保持聚酰亚胺圆片与铝片完全正对接触。通过向发电机反复施加不同方向的力使聚酰亚胺圆片与铝片发生周期性相对滑动，本发明的发电机均有电信号输出。

由于聚酰亚胺在摩擦电极序中具有极负的极性，而金属铝在电极序中的极性较正，本实施例的材料组合有利于提高摩擦纳米发电机的输出。

实施例 5 以厚度为 ΙΟΟμπι金属铜薄膜为第一导电元件，通过光刻掩膜的方法在其表面形成预设的、直径约 2μπι孔洞图案，金属铜表层通过孔洞底部露出，再通过气相沉积的方法在图案处选择性沉积出长度约 ΙΟμπι的氧化锌棒。接着，利用半导体加工工艺中的甩膜技术在上述制得的器件上均匀甩上一层聚丙烯腈进行填充，然后对填充材料进行如加热或曝光等处理，待其机械强度达到要求范围后，利用等离子体干法刻蚀技术将填充材料顶部均匀除去合适厚度，使氧化锌顶部露出适当的高度即可形成所需第一摩擦层。以厚度为 ΙΟΟμπι的金属铝片为第二导电元件，利用光刻掩膜的方法在其表面形成与金属铜片上相应的类似图案，并通过溅射的方法在图案处沉积出长度约 ΙΟμπι的金属铝柱，然后按照与第一摩擦层类似的制备方式，经甩膜、刻蚀等过程用聚丙烯腈对其进行填充，从而形成连续的第二摩擦层。最后，在金属铜层和金属铝层上引出导线连入外电路，并将氧化锌柱与铝柱面对面正对放置，即完成本发明的发电机制备。在外力的作用下，第一摩擦层和第二摩擦层发生相对滑动，并向外电路输出电信号。

本实施例中使用了填充层对发电机的摩擦层进行封装，能够显著增强摩擦单元的机械强度、延长发电机的工作寿命。

本发明的摩擦纳米发电机可以利用平动动能使发电机产生电能，为小型用电器提供电源，而不需要电池等电源供电，是一种使用方便的发电机。另外，本发明的摩擦纳米发电机制备方法简便、制备成本低廉，是一种应用范围广泛的摩擦纳米发电机和发电机组。

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

权利要求

1、一种滑动式摩擦纳米发电机组，其特征在于，包括：

第一导电元件，

与第一导电元件上表面接触放置的第一摩擦层，

第二导电元件，

与第二导电元件下表面接触放置的第二摩擦层，

其中，第一摩擦层中包含若干第一摩擦单元，第二摩擦层中包含若干第二摩擦单元；

所述第一摩擦单元的上表面与第二摩擦单元的下表面在外力作用下发生相对滑动摩擦、同时摩擦面积发生变化，并通过第一导电元件和第二导电元件向外电路输出电信号。

2、如权利要求 1 所述的发电机组，其特征在于，所述第一摩擦单元上表面的材料和所述第二摩擦单元下表面的材料之间存在摩擦电极序差异。

3、如权利要求 1或 2所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦单元的上表面和所述第二摩擦单元的下表面接触放置。

4、如权利要求 1或 2所述的发电机，其特征在于，在没有外力作用时，所述第一摩擦单元的上表面和所述第二摩擦单元的下表面分离，在外力作用下，所述第一摩擦单元的上表面和所述第二摩擦单元的下表面接触并发生与接触面相切的相对滑动摩擦。

5、如权利要求 1-4任一项所述的发电机组，其特征在于，所述第一摩擦单元的上表面材料和 /或所述第二摩擦单元的下表面材料为绝缘材料或半导体材料。 6、如权利要求 5所述的发电机组，其特征在于，所述绝缘材料选自苯胺甲醛树脂、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、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚 (偏氯乙烯 -co-丙烯腈)、聚双酚 A碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚（2,

6-二甲基聚亚苯基氧化物）、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙垸碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧垸、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯和派瑞林。

7、如权利要求 5所述的发电机组，其特征在于，所述半导体材料选自硅、锗、第 III和第 V族化合物、第 II和第 VI族化合物、由 III-V族化合物和 II -VI族化合物组成的固溶体、非晶态的玻璃半导体和有机半导体。

8、如权利要求 7所述的发电机组，其特征在于，所述第 III和第 V 族化合物选自砷化镓和磷化镓；所述第 II和第 VI族化合物选自硫化镉和硫化锌 ·，所述由 III- V族化合物和 II -VI族化合物组成的固溶体选自镓铝砷和镓砷磷。

9、如权利要求 1-4任一项所述的发电机组，其特征在于，所述第一摩擦单元上表面材料和 /或所述第二摩擦单元下表面材料为非导电氧化物、半导体氧化物或复杂氧化物，包括氧化硅、氧化铝，氧化锰、氧化铬、氧化铁、氧化钛、氧化铜、氧化锌、 Bi0₂和 Υ₂0₃。

10、如权利要求 1-4任一项所述的发电机组，其特征在于，所述第一摩擦单元的上表面为具有负极性的摩擦电极序材料，选自聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙垸碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧垸、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯和派瑞

11、如权利要求 1-4任一项或 10所述的发电机组，其特征在于，所述第二摩擦单元的下表面为具有正极性的摩擦电极序材料，选自苯胺甲醛树脂、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、聚酯、铜、铝、金、银、钢和硅。

12、如权利要求 1-11任一项所述的发电机组，其特征在于，所述第一摩擦单元的上表面和 /或第二摩擦单元的下表面分布有微米或次微米量级的微结构。

13、如权利要求 12所述的发电机组，其特征在于，所述微结构选自纳米线，纳米管，纳米颗粒，纳米沟槽、微米沟槽，纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构。

14、如权利要求 1-12任一项所述的发电机组，其特征在于，所述第一摩擦单元的上表面和 /或第二摩擦单元的下表面有纳米材料的点缀或涂层。

15、如权利要求 1-14任一项所述的发电机组，其特征在于，所述第一摩擦单元的上表面和 /或第二摩擦单元的下表面经过化学改性，使得在所述第一摩擦单元的上表面材料引入容易得到电子的官能团和 /或在所述第二摩擦单元的下表面材料引入容易失去电子的官能团。

16、如权利要求 15所述的发电机组，其特征在于，所述容易失去电子的官能团包括氨基、羟基或垸氧基，所述容易得到电子的官能团包括酰基、羧基、硝基或磺酸基。

17、如权利要求 1-16任一项所述的发电机组，其特征在于，所述第一摩擦单元的上表面和 /或第二摩擦单元的下表面经过化学改性，使得在所述第一摩擦单元的上表面材料引入负电荷和 /或在所述第二摩擦单元的下表面材料引入正电荷。

18、如权利要求 17所述的发电机组，其特征在于，所述化学改性通过化学键合引入带电荷基团的方式实现。

19、如权利要求 1-18任一项所述的发电机组，其特征在于，用导电材料代替绝缘材料或半导体材料制备所述第一摩擦单元或第二摩擦单元。

20、如权利要求 19所述的发电机组，其特征在于，构成所述第一摩擦单元或第二摩擦单元的所述导电材料选自金属、导电氧化物和导电高分子。

21、如权利要求 20所述的发电机组，其特征在于，所述金属选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金。

22、如权利要求 1-21任一项所述的发电机组，其特征在于，所述第一摩擦层中包含至少 2 个所述第一摩擦单元和 /或所述第二摩擦层中包含至少 2个所述第二摩擦单元。

23、如权利要求 22所述的发电机组，其特征在于，所有所述第一摩擦单元的材料和尺寸相同和 /或所有所述第二摩擦单元的材料和尺寸相同。

24、如权利要求 22或 23所述的发电机组，其特征在于，所述第一摩擦单元在第一摩擦层中的排列图案与第二摩擦单元在第二摩擦层中的排列图案相呼应，使得第一摩擦层与第二摩擦层相对放置时，在外力的作用下每个第一摩擦单元的上表面至少与一个第二摩擦单元的下表面部分接触。

25、如权利要求 24所述的发电机组，其特征在于，所述第一摩擦单元与第二摩擦单元的形状、尺寸和排列方式相同，使得第一摩擦层与第二摩擦层相对放置时，在外力的作用下每个第一摩擦单元的上表面都能与一个第二摩擦单元的下表面基本完全接触。

26、如权利要求 22-25任一项所述的发电机组，其特征在于，所述第一摩擦单元和第二摩擦单元为阵列式离散排列。

27、如权利要求 22-25任一项所述的发电机组，其特征在于，所述第一摩擦单元和第二摩擦单元为棋盘状排列，使第一摩擦层和第二摩擦层中存在孔洞结构。

28、如权利要求 22-25任一项所述的发电机组，其特征在于，所述第一摩擦单元和第二摩擦单元的排列图案为间隔的条状排列，所述条状的长度方向与所述第一摩擦单元和第二摩擦单元的相对摩擦方向垂直。

29、如权利要求 1-28任一项所述的发电机组，其特征在于，所述第一导电元件和第二导电元件选自金属、导电氧化物和导电高分子。

30、如权利要求 29所述的发电机组，其特征在于，所述第一导电元件和第二导电元件选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金。

31、如权利要求 1-30任一项所述的发电机组，其特征在于，所述第一导电元件和 /或第二导电元件为薄膜或薄片。

32、如权利要求 1-31任一项所述的发电机组，其特征在于，所述第一摩擦层、第二摩擦层、第一导电元件和 /或第二导电元件为硬质的。

33、如权利要求 1-32任一项所述的发电机组，其特征在于，所述第一摩擦层、第二摩擦层、第一导电元件和 /或第二导电元件为柔性的。

34、如权利要求 1-33任一项所述的发电机组，其特征在于，所述第一摩擦层中还包含第一填充介质用于填充除第一摩擦单元以外的空间和 /或所述第二摩擦层中还包含第二填充介质用于填充除第二摩擦单元以外的空间。

35、如权利要求 34所述的发电机组，其特征在于，所述第一填充介质和第二填充介质由具有相对于第一摩擦单元和第二摩擦单元显中性摩擦电极序的材料构成。

36、如权利要求 35所述的发电机组，其特征在于，所述具有中性摩擦电极序的材料选自聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚 (偏氯乙烯 -co-丙烯腈)、聚双酚 A碳酸酯聚氯醚、聚偏二氯乙烯和聚（2,6-二甲基聚亚苯基氧化物）。

37、如权利要求 34-36任一项所述的发电机组，其特征在于，所述第一填充介质的厚度小于或等于第一摩擦单元的厚度，第二填充介质的厚度小于或等于第二摩擦单元的厚度。

38、如权利要求 34-37任一项所述的发电机组，其特征在于，所述第一填充介质和 /或第二填充介质为不导电的固体、不导电的液体、不导电的气体或真空环境。

39、如权利要求 1-38任一项所述的发电机组，其特征在于，所述第一摩擦层和 /或第二摩擦层为薄膜或薄片。

40、如权利要求 1-39任一项所述的发电机组，其特征在于，所述第一导电元件的外表面和所述第二导电元件的内表面为同轴曲面，使得分布于所述第一导电元件外表面的所述第一摩擦单元与分布于所述第二导电元件内表面的所述第二摩擦单元接触，并且在有外力施加的情况下，发生与接触面相切的相对滑动摩擦，同时摩擦面积发生变化。

41、如权利要求 40所述的发电机组，其特征在于，所述曲面为圆柱面。

42、如权利要求 41 所述的发电机组，其特征在于，所述第一导电元件为实心圆柱。

43、如权利要求 40-42任一项所述的发电机组，其特征在于，所有所述第一摩擦单元的上表面同属于与所述第一导电元件同轴的一个圆柱面，所有所述第二摩擦单元的下表面同属于与所述第一导电元件同轴的另一个圆柱面，并且在力的作用下，每个所述第一摩擦单元的上表面均与一个所述第二单元的下表面至少部分接触。