WO2015010419A1 - 一种基于滑动摩擦的脉冲发电机和发电方法 - Google Patents

一种基于滑动摩擦的脉冲发电机和发电方法 Download PDF

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WO2015010419A1
WO2015010419A1 PCT/CN2013/089232 CN2013089232W WO2015010419A1 WO 2015010419 A1 WO2015010419 A1 WO 2015010419A1 CN 2013089232 W CN2013089232 W CN 2013089232W WO 2015010419 A1 WO2015010419 A1 WO 2015010419A1
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WO
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friction
friction layer
layer
electrode layer
striker
Prior art date
Application number
PCT/CN2013/089232
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English (en)
French (fr)
Inventor
程纲
林宗宏
王中林
Original Assignee
国家纳米科学中心
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Publication date
Application filed by 国家纳米科学中心 filed Critical 国家纳米科学中心
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/04—Friction generators

Definitions

  • the present invention relates to a generator, and more particularly to a sliding friction based pulse generator and a power generation method for converting mechanical energy into instantaneous high power electric pulses.
  • BACKGROUND OF THE INVENTION Mechanical energy such as sliding, vibration, and rotation is a widely existing form of energy.
  • the principles used by generators that convert mechanical energy into electrical energy are mainly electrostatic induction, electromagnetic induction and piezoelectric properties of special materials.
  • the electrostatic induction generator that has been invented has the disadvantages of large volume and narrow applicability, and electromagnetic induction generators and piezoelectric generators generally have defects such as complicated structure, special requirements for materials, and high cost.
  • Friction generators are a new type of recently invented method of converting mechanical energy into electrical energy.
  • friction generators have the disadvantage of low output current and low output power, and cannot convert mechanical energy ubiquitous in the environment into electrically usable energy.
  • the present invention is directed to an apparatus for generating electricity using sliding friction.
  • the generator is capable of converting mechanical energy such as rotation and vibration into an instantaneous high-power electrical pulse, and is capable of providing a high-power pulse power source for the electronic device.
  • the method provides a rotary pulse friction generator, comprising: a first friction layer; a first electrode layer disposed on an upper surface of the first friction layer; a second friction layer; a lower surface of the layer is in contact with the second electrode layer; a lower surface of the first friction layer is disposed opposite to an upper surface of the second friction layer;
  • a contact switch comprising a striker and a plurality of fixed striker pins, wherein the striker is in communication with the first electrode layer and is capable of following the movement of the first electrode layer; all of the striker pins All communicating with the second electrode layer and capable of following the movement of the second electrode layer; when the striker is in contact with any one of the pair of strikers, the contact type The switch is closed;
  • the upper surface of the first friction layer and the lower surface of the second friction layer undergo relative sliding friction under the action of an external force, and the friction area changes, and when the striker is brought into contact with the striker, the A pulse electrical signal is output between an electrode layer and a second electrode layer.
  • the sliding direction of the first friction layer relative to the second friction layer slides along the tangential direction of the contact surface under the external force.
  • the maximum sliding distance of the lower surface of the first friction layer and the upper surface of the second friction layer in the sliding direction is not less than the contact of the striker with the two pairs of the striker. The distance the striker moves.
  • one of the striker pins is fixed to the first electrode layer; and a plurality of the striker pins are fixed on the second electrode layer.
  • the first friction layer is rotated relative to the second friction layer by the external force.
  • the striker is respectively in contact with one of the pair of strikers.
  • the lower surface of the first friction layer is fan-shaped; and/or the upper surface of the second friction layer is fan-shaped, and the lower surface of the first friction layer and the upper surface area of the second friction layer Same shape as shape.
  • the central angle of the first sector and/or the second sector is no more than 180 degrees.
  • the lower surface of the first friction layer and/or the upper surface of the second friction layer are composed of a plurality of sector-shaped friction units spaced apart by a blank area.
  • the plurality of sector-shaped friction units constituting the lower surface of the first friction layer and/or the upper surface of the second friction layer have the same central angle and communicate with each other through a common apex; the plurality of sector-shaped friction units and the blank Areas are alternately evenly distributed within a plane or surface.
  • the first electrode layer further includes a first turntable, the striker of the contact switch is fixed on an edge of the first turntable, and the position of the striker on the first turntable is first
  • the friction layer corresponds to the middle position of a sector arc.
  • a second turntable is further included under the second electrode layer, and a plurality of pairs of the contact switches are symmetrically fixed to an edge of the second turntable, wherein one of the plurality of pairs of strikers The position semi-fixed on the second turntable corresponds to the intermediate position of the two sector arcs of the second friction layer.
  • the first turntable and the second turntable are rotatable coaxially, and the fan-shaped friction unit of the same number, the same shape, and the same size is disposed on the first turntable and the second turntable.
  • the number of the striker pins included in the touch switch is twice the number of the friction units constituting the first friction layer.
  • the corresponding first electrode layers of the plurality of friction units constituting the first friction layer are not in communication with each other, and the number of the strikers included in the contact switch is equal to the friction unit constituting the first friction layer. Number.
  • the first friction layer and the second friction layer are insulating materials
  • the insulating material is selected from the group consisting of aniline formaldehyde resin, polyoxymethylene, ethyl cellulose, polyamide nylon 11, polyamide nylon 66, wool and Fabric, silk and fabric thereof, paper, polyethylene glycol succinate, cellulose, cellulose acetate, polyethylene glycol adipate, diallyl polyphthalate, regenerated cellulose sponge , cotton and fabrics, polyurethane elastomers, styrene-acrylonitrile copolymers, styrene-butadiene copolymers, wood, hard rubber, acetate, rayon, polymethyl methacrylate, polyvinyl alcohol, poly Ester, polyisobutylene, polyurethane elastic sponge, polyethylene terephthalate, polyvinyl butyral, butadiene-acrylonitrile copolymer, neoprene, natural rubber, polyacrylonitrile, poly (perch
  • the insulating material of the first friction layer or the second friction layer may be replaced by a metal or semiconductor material;
  • the metal material is selected from the group consisting of gold, silver, platinum, aluminum, nickel, copper, titanium, chromium or selenium, and An alloy formed by the above metal;
  • the semiconductor material is selected from the group consisting of Sn0 2 , ZnO, Ti0 2 , ln 2 0 3 , ZnS, ZnSe, ZnTe, GaN, Se, CdS, CdSe, CdTe, Si, Ge, PbS, InGaAs, PbSe , InSb, PbTe, HgCdTe, PbSn, HgS, HgSe, HgTe.
  • Nano or microscale structures are selected from the group consisting of nanowires, nanorods, nanotubes, nanocones, nanoparticles, nanochannels, microwires, microrods, microtubes, microcones, microparticles, and microchannels.
  • the material of the first electrode layer or the second electrode layer is selected from a metal or an alloy; wherein the metal is selected from the group consisting of gold, silver, platinum, aluminum, nickel, copper, titanium, chromium or selenium; An alloy of stainless steel, silver, platinum, aluminum, nickel, copper, titanium, chromium or selenium, stainless steel.
  • the lower surface of the first friction layer is identical or complementary to the upper surface of the second friction layer, such that when rotated, the lower surface of the first friction layer is in full contact with the upper surface of the second friction layer.
  • the material of the striker and the striker of the contact switch is selected from a metal or an alloy; the metal is selected from the group consisting of gold, silver, platinum, aluminum, nickel, copper, titanium, chromium or selenium; Alloy made of silver, platinum, aluminum, nickel, copper, titanium, chromium or selenium, stainless steel.
  • the striker and/or the striker are elastic conductive materials.
  • the first turntable is a conductive material, and the first turntable replaces the first electrode layer;
  • the second turntable is a conductive material, and the second turntable replaces the second electrode layer.
  • the first friction layer, the second friction layer, the first electrode layer and/or the second electrode layer are flexible or elastic materials.
  • the present invention also provides a power generation method, including the steps:
  • a lower surface of the first friction layer is in contact with an upper surface of the second friction layer; a lower surface of the first friction layer is slidably rubbed against an upper surface of the second friction layer and a contact area is changed, the first electrode layer is The second electrode layer is turned on, and the first electrode layer is disconnected from the second electrode layer after the first pulse electrical signal is outputted between the first electrode layer and the second electrode layer; the lower surface and the second surface of the first friction layer The upper surface of the friction layer continues to slide relatively until the first The first electrode layer and the second electrode layer are again disconnected after the second pulse electrical signal is outputted between the first electrode layer and the second electrode layer;
  • the step of sliding the lower surface of the first friction layer relative to the upper surface of the second friction layer is repeated.
  • the present invention has the following beneficial effects:
  • the output current and output power can be greatly improved due to the access of the contact switch, and the friction generator is expanded in terms of high current and high power.
  • the two friction layers are relatively rotated at a high speed, and the generator can output a high-frequency pulse electrical signal.
  • the electrode layer can be directly used as a friction layer material to simplify the structure of the generator.
  • Micro and nano structure modification can be performed on the surface of the friction layer to improve the electrical output characteristics of the generator.
  • the output AC signal can be converted into a one-way pulse signal, which can be directly used as a pulse power source in the field of electrochemistry, and can also charge a capacitor or a lithium ion battery, or can be various small Portable electronics provide the power required.
  • the generator of the invention has simple structure, simple preparation method, no special requirements on materials, and can convert mechanical energy generated by sea waves, wind energy, mechanical equipment and human body movement into electric energy, and has wide practical use.
  • BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the claims.
  • the same reference numerals are used throughout the drawings to refer to the same parts.
  • the drawings are not intentionally scaled to the actual size and the like, with emphasis on the gist of the present invention.
  • FIG. 1 and 2 are schematic views showing a typical structure of a generator of the present invention
  • FIG. 3 and FIG. 4 are schematic diagrams showing the connection position of the contact switch in the generator of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic view showing the working principle of the generator of the present invention.
  • FIGS. 7 to 13 are a schematic view of the friction layer of the generator of the present invention comprising two sector-shaped friction units. Schematic diagram of the structure of the generator;
  • Figure 14 is a schematic structural view of a generator of a friction layer of a generator of the present invention comprising four sector-shaped friction units;
  • Figure 15 is a schematic view showing the structure of a generator including a plurality of strikers in a generator composed of a plurality of sector-shaped friction units;
  • Figure 16 is a scanning electron micrograph of the SK32 nanoparticle layer of the first friction layer
  • Figure 17 shows the open circuit voltage measurement result of the generator
  • Figure 18 shows the output current curve of the generator at different speeds under 22 ⁇ load
  • Figure 19 shows the output current curve of the generator at high speed rotation under 500 ⁇ load.
  • the invention provides a pulse generator capable of converting mechanical energy ubiquitous in the environment into electric energy, and the technical proposal is that the two friction materials having the difference of the friction electrode sequence are mutually rubbed to generate surface charges, respectively, in two An electric potential is generated between the electrode layers of the friction layer, and a contact switch is introduced between the two electrode layers, and two different states of "off” and “close” are generated by the contact switch, and the current of the generator is The generation is used for control; when the switch is closed, an instantaneous large current, high power electrical pulse signal is generated between the two electrode layers.
  • the generator of the present invention utilizes the principle of surface charge transfer when contacting a friction layer material having different friction electrode sequences.
  • the "friction electrode sequence" as used in the present invention refers to the order of the materials according to their degree of attraction to the charge. When the two materials are in contact with each other, the positive charge on the contact surface is more polar from the friction electrode sequence. Negative material surface transfer to triboelectric The surface of the material with a more polar polarity in the polar sequence. To date, there is no unified theory that can fully explain the mechanism of charge transfer. It is generally believed that this charge transfer is related to the surface work function of the material, and charge transfer is achieved by the transfer of electrons or ions on the contact surface.
  • the friction electrode sequence is only an empirically based statistical result, that is, the further the difference between the two materials in the sequence, the greater the positive and negative charge generated after the contact and the probability of the sequence being coincident, and Actual results are affected by a variety of factors, such as material surface roughness, ambient humidity, and relative friction.
  • the inventors have found that if the two materials are in close proximity in the friction electrode sequence, the positive or negative charge distribution after contact may not conform to the prediction of the sequence. Need to further explain that the transfer of charge does not require the relative friction between the two materials, as long as there is mutual contact, therefore, in a strict sense, the expression of the friction electrode sequence is not accurate, but for historical reasons It has been used ever since.
  • triboelectric charge or "contact charge” as used in the present invention refers to the charge on the surface of a material having a difference in polarity between two kinds of friction electrode sequences after contact and separation, and it is generally considered that the charge is only distributed. On the surface of the material, the maximum depth of distribution is only about 10 nm. The study found that the charge can be maintained for a long period of time, depending on factors such as humidity in the environment, the holding time is several hours or even several days, and the amount of electric charge that disappears can be supplemented by re-contact, therefore, the inventors believe that The amount of charge contacting the charge in the present invention can be approximately considered to remain constant.
  • the sign of the contact charge is a sign of the net charge, that is, a concentrated region where a negative charge may exist in a local region of the surface of the material with a positive contact charge, but the sign of the net charge of the entire surface is positive.
  • FIG. 1 is a view showing a typical structure of a pulse generator based on sliding friction of the present invention.
  • the lower surface of the layer 101 is placed opposite the upper surface of the second friction layer 201;
  • the contact switch includes a striker 301 and two oppositely located strikers 302 and 303, wherein the striker 301 is in communication with the first electrode layer 102, and Capable of following the movement of the first electrode layer 102; both of the two striker pins 302 and 303 are in communication with the second electrode layer 202 and are capable of following the second
  • the electrode layer 202 moves; when the striker 301 comes into contact with any of the two pairs of strikers 302 and 303, the contact switch is closed; under the action of the external force, the lower surface of
  • FIG. 2 is a top plan view of the generator of FIG. 1. Under the action of an external force, when the first friction layer 101 slides relative to the second friction layer 201, the striker 301 can be in contact with the striker 302 or 303, so that the first electrode layer 102 Electrical communication is achieved with the second electrode layer 202.
  • 1 and 2 are only schematic views of the structure of the generator of the present invention, and the structure and shape of the first friction layer, the second friction layer, and the corresponding first electrode layer and second electrode layer in the generator may be variously changed. .
  • each of the striker pins 301 of the contact switch and the two pairs of strikers 302 and 303 may be changed according to actual conditions, as long as the striker 301 can follow the movement of the first electrode layer, and the striker follows the movement of the second electrode layer.
  • the position setting of the two collimating pins 302 and 303 is preferably such that the sliding direction of the first friction layer 101 with respect to the second friction layer 201 is tangentially along the contact surface.
  • the maximum sliding distance between the lower surface of the first friction layer 101 and the upper surface of the second friction layer 201 and the friction is not less than that when the striker is in contact with the two pairs of strikers in sequence The distance the striker moves.
  • the sliding direction of the first friction layer 101 relative to the second friction layer may be a translational sliding along the contact surface, that is, the lower surface of the first friction layer 101 and the upper surface of the second friction layer are along the direction of the force. Sliding staggered, referring to FIG.
  • the first friction layer 101 is slid along the sliding surface of the second friction layer 201 along the contact surface (in the direction of the arrow) to make the lower surface of the first friction layer 101 and the second
  • the upper surface of the friction layer 201 is staggered
  • the striker 301 of the contact switch is disposed at the rightmost end of the first electrode layer 102 (or the first friction layer 101)
  • the two opposite strikers 302 and 303 are respectively disposed on the second electrode layer 202 (or
  • the striker 301 collides with the first pair of striker 302;
  • the striker 301 comes into collision contact with the second pair of striker pins 303
  • first friction layer 101 may also be a rotational motion relative to the second friction layer 201, that is, the lower surface of the first friction layer 101 and The upper surface of the second friction layer is slidably slid, and the upper surface of the first friction layer and the upper surface of the second friction layer are both fan-shaped, and the area and shape are the same, and the same apex is shared as an example, see FIG.
  • the first friction layer 101 rotates in the direction of the arrow with respect to the second friction layer 201, so that the lower surface of the first friction layer 101 is offset from the upper surface of the second friction layer 201, and the striker 301 of the contact switch is disposed at the The rightmost end of one electrode layer 102 (or the first friction layer 101), two opposite strikers 302 and 303 are respectively disposed at the left and right ends of the second electrode layer 202 (or the second friction layer 201), so that the first friction layer 101 When the lower surface substantially coincides with the upper surface of the second friction layer 201 or the contact area is the largest, the striker 301 collides with the first pair of striker 302; the first friction layer slides relative to the second friction layer in the direction of the force to the first When the contact area between the lower surface of the friction layer 101 and the upper surface of the second friction layer 201 is the smallest, the striker 301 comes into collision with the second pair of striker pins 303.
  • the central angle of the sector of the first friction layer and the second friction layer is no more than 180 degrees.
  • the lower surface of the relatively rotating first friction layer and the upper surface of the second friction layer are necessarily planar, and may be curved surfaces.
  • Fig. 5 is a schematic view showing the working principle of a pulse generator based on sliding friction.
  • the lower surface of the first friction layer 101 of the generator and the upper surface of the second friction layer 201 are in contact with each other, contact charges are generated on the surfaces of the two friction layers, and the first friction layer 101 and the second friction layer are applied by an external force.
  • 201 occurs in the horizontal direction of friction, where the material of the lower surface of the first friction layer 101 is set at a corrected position of the friction sequence table, and the material of the upper surface of the second friction layer 201 is at a more negative position of the friction sequence table.
  • the surface of the first friction layer 101 when the lower surface of the first friction layer 101 rubs against the upper surface of the second friction layer 201, the surface of the first friction layer 101 generates a positive contact charge, and the surface of the second friction layer 201 generates a negative contact charge.
  • the first friction layer 101 and the second friction layer 201 are gradually separated by the external force, so that the positive and negative triboelectric charges are separated in the horizontal direction, and a potential difference is generated between the first electrode layer 102 and the second electrode layer 202.
  • the striker 301 and the second pair of striker 303 are in contact, so that the generator instantaneously changes from the open state to the closed state, as shown in Fig. 5d.
  • the potentials generated by the positive and negative triboelectric charges on the first electrode layer 102 cancel each other, and the positive and negative induced charges generate a negative potential difference on the first electrode layer 102, and therefore, the negative potential at the first electrode layer 102 Driven, the negative induced charge of the first electrode layer 102 flows to the second electrode layer 202 and cancels out the positive induced charges on the second electrode layer 202, eventually bringing the potential of the first electrode layer to zero.
  • the contact switch is a key component of the generator generating a high probability output.
  • the electrical output of the generator is controlled by the contact switch when in contact
  • the switch When the switch is open, the generator is in an open state and no current is generated.
  • the contact switch When the contact switch is closed, the generator is in a closed state and an instantaneous high power output is generated.
  • the material of the striker and the striker is selected from a metal or an alloy; the metal is selected from the group consisting of gold, silver, platinum, aluminum, nickel, copper, titanium, chromium or selenium; and the alloy is selected from the group consisting of gold, silver, platinum, aluminum, An alloy of nickel, copper, titanium, chromium or selenium, stainless steel.
  • the striker and/or the striker are elastic conductive materials. During the friction of the first friction layer relative to the second friction layer, the striker and the striker can be elastically deformed by collision contact, and the striker and the striker are ensured. Good electrical contact between and can be separated.
  • the number of strikers and strikers can be based on The shape of the friction layer is set, and the number of the striker or the striker included in the contact generator does not limit the scope of protection of the present invention.
  • the number of the striker pins is an even number.
  • the first friction layer 101 and the second friction layer 201 need to satisfy that there is a difference in friction electrode order between the material of the first friction layer 101 and the material of the second friction layer 201.
  • Insulator materials such as conventional high molecular polymers, have triboelectric properties, which can be used as materials for preparing the first friction layer 101 and the second friction layer 201 of the present invention.
  • high molecular polymer materials are listed: Fluorine, polydimethylsiloxane, polyimide film, aniline formaldehyde resin film, polyoxymethylene film, ethyl cellulose film, polyamide film, melamine formaldehyde film, polyethylene glycol succinate film, Cellulose film, cellulose acetate film, polyethylene adipate film, poly(diallyl phthalate film), recycled fiber sponge film, polyurethane elastomer film, styrene propylene copolymer film, benzene Ethylene butadiene copolymer film, rayon film, polymethyl film, methacrylate film, polyvinyl alcohol film, polyester film, polyisobutylene film, polyurethane flexible sponge film, polyethylene terephthalate Film
  • semiconductors and metals have triboelectric properties that tend to lose electrons relative to the insulator. Therefore, the semiconductor and the metal can also be used as a raw material for preparing the first friction layer 101 or the second friction layer 201.
  • Commonly used semiconductors include: silicon, germanium; Group III and V compounds such as gallium arsenide, gallium phosphide, etc.; Group II and VI compounds such as cadmium sulfide, zinc sulfide, etc.; and III-V compounds And a solid solution composed of a II-VI compound, such as gallium aluminum arsenide, gallium arsenide phosphorus, or the like.
  • amorphous glass semiconductors, organic semiconductors, and the like are amorphous glass semiconductors, organic semiconductors, and the like.
  • Non-guide Electrical oxides, semiconductor oxides, and complex oxides also have triboelectric properties that are capable of forming surface charges during the rubbing process and can therefore also be used as the friction layer of the present invention, such as oxides of manganese, chromium, iron, and copper, Also included are silicon oxide, manganese oxide, chromium oxide, iron oxide, copper oxide, zinc oxide, germanium) 2 and Y 2 0 3 ; commonly used metals include gold, silver, platinum, aluminum, nickel, copper, titanium, chromium or selenium. And an alloy formed of the above metal. Of course, other materials having conductive properties can also be used as a friction layer material that easily loses electrons, such as indium tin oxide.
  • the first friction layer 101 and the second friction layer 201 can be prepared according to actual needs, and a suitable material can be selected to obtain a better output effect.
  • the thickness of the first friction layer 101 and the second friction layer 201 of the present invention is not particularly required.
  • the friction layer is preferably a film having a thickness of 10 nm to 5 mm, preferably 10 nm to 1 mm, more preferably 100 ⁇ to 500 ⁇ m.
  • the lower surface of the first friction layer 101 and/or the upper surface of the second friction layer 201 may be physically modified to have micro or submicron microstructures on all or part of its surface.
  • Specific modification methods include photolithography, chemical etching, and ion etching. This can also be achieved by means of embellishment or coating of nanomaterials.
  • the microstructures may be selected from the group consisting of nanowires, nanotubes, nanoparticles, nanochannels, microchannels, nanocones, microcones, nanospheres, and microspheres.
  • the lower surface of the first friction layer 101 and the upper surface of the second friction layer 201 include the array of micro- and nano-structures described above.
  • chemical modification may be performed on the lower surface of the first friction layer 101 and/or the upper surface of the second friction layer 201, so as to further increase the amount of charge transfer at the contact instant, thereby increasing the contact charge density and the generator.
  • Output Power Chemical modification is further divided into the following two types: One method is to introduce a more electron-releasing functional group on the surface of the material having a relatively positive frictional electrode sequence for the first friction layer and the second friction layer that slide each other (ie, strong electron donating) Or, in the surface of a material whose friction electrode sequence is relatively negative, a functional group (strongly electron withdrawing group) which is more electron-prone can be introduced, and the amount of transfer of charges in contact with each other can be further improved, thereby improving friction.
  • Strong electron donating groups include: amino group, hydroxyl group, decyloxy group, etc.; strong electron withdrawing group includes: acyl group, carboxyl group, nitro group, sulfonic acid group and the like.
  • the introduction of the functional group can be carried out by a conventional method such as plasma surface modification. For example, a mixture of oxygen and nitrogen can be used to generate a plasma at a certain power to introduce an amino group on the surface of the friction layer material.
  • Another method is to introduce a positive charge on the surface of the positive polarity material and a negative charge on the surface of the negative polarity material for the first friction friction layer and the second friction layer that rub against each other.
  • it can be achieved by chemical bonding.
  • it can be in polydimethylsiloxane
  • the surface of the PDMS friction layer was modified with a sol-gel method to modify the upper tetraethyl orthosilicate (TEOS) to make it negatively charged. It is also possible to modify gold nanoparticles containing hexadecanyltrimethylammonium bromide (CTAB) on the upper surface of the metal gold film layer by gold-sulfur bonding, since hexadecanyltrimethylammonium bromide is a cation. Therefore, the entire friction layer becomes positively charged.
  • TEOS tetraethyl orthosilicate
  • CTAB hexadecanyltrimethylammonium bromide
  • a person skilled in the art can select a suitable modifying material and bond according to the electron-loss property of the friction layer or the electrode layer material and the kind of the surface chemical bond to achieve the object of the present invention, and thus such deformation is within the protection scope of the present invention. within.
  • the first friction layer 101 and the second friction layer 201 are selected from an elastic material or a flexible material to increase the contact area when subjected to an external force.
  • the first electrode layer 102 or the second electrode layer 202 may also be an elastic material or a flexible material to make the generator of the present invention a flexible device.
  • the use of flexible materials makes the generator of the present invention also very useful in the field of biology and medicine.
  • a substrate made of ultra-thin, soft, elastic and/or transparent polymer material can be used for packaging to facilitate use and increase strength.
  • all the structures disclosed in the present invention can be made of corresponding super soft and elastic materials to form a flexible generator, which will not be described here, but the various designs derived therefrom should be included in Within the scope of protection of this patent.
  • the first electrode layer 102 and the second electrode layer 202 are two conductive elements, and as long as they have characteristics capable of conducting electricity, a common electrode material such as a metal, an alloy, a conductive oxide or an organic conductor can be selected, among which, the metal is selected.
  • a common electrode material such as a metal, an alloy, a conductive oxide or an organic conductor
  • the metal is selected.
  • a common electrode material such as a metal, an alloy, a conductive oxide or an organic conductor
  • the metal is selected from gold, silver, platinum, aluminum, nickel, copper, titanium, chromium or selenium, etc.
  • the alloy is selected from the group consisting of gold, silver, platinum, aluminum, nickel, An alloy of copper, titanium, chromium or selenium, stainless steel, etc.
  • conductive oxides include indium tin oxide ITO, ion doped semiconductors, and conductive organics.
  • Electrode Preferably, the layer is in close contact with the surface of the corresponding friction layer to ensure charge transfer efficiency.
  • a preferred method is to deposit a conductive material on the surface of the corresponding friction layer by deposition, and the thickness may be 10 nm to 5 mm. It is 100 ⁇ -500 ⁇ ; the specific deposition method may be electron beam evaporation, plasma sputtering, magnetron sputtering or evaporation.
  • those skilled in the art can determine the selection of the corresponding electrode layer material and the preparation method according to the selection of each friction layer material to ensure the electrode layer and the corresponding friction layer (for example, the first electrode layer 102 and the first friction layer 101). Good electrical contact.
  • the selection of the specific electrode layer material is not intended to limit the scope of the invention.
  • the lower surface of the first friction layer and the upper surface of the second friction layer are both planar in the generator structure shown in the drawings, in practice, the lower surface of the first friction layer and the upper surface of the second friction layer may be Preferably, the lower surface of the first friction layer is the same or complementary to the upper surface of the second friction layer, such that the lower surface of the first friction layer and the upper surface of the second friction layer slide relative to each other. , can be in full contact or the situation with the largest contact area.
  • FIG. 6 an exemplary embodiment of the two friction layers incomplete contact of the present invention.
  • the main part of this embodiment is the same as the embodiment shown in Fig. 1, and only the differences between the two are described here.
  • the lower surface of the first friction layer 111 of the embodiment shown in FIG. 6 is relatively small, and the lower surface thereof and the upper surface of the second friction layer 211 are each prepared as an uneven surface having a concave-convex structure, and the two are relatively slid after contact. In the process, a change in contact area can be formed, thereby achieving the purpose of outputting an electrical signal to the outside.
  • This embodiment can be used because the lower surface of the first friction layer 111 is too small or the relative positions of the first friction layer 111 and the second friction layer 211 are relatively small, and the magnitude of the external force or the space in which the friction layer can move is insufficient to generate electricity.
  • the contact area of the first friction layer 11 with the second friction layer 211 and the effective relative displacement required to generate an electrical signal are effectively controlled by the arrangement of the uneven surface.
  • the surface of the second friction layer 211 can be completely implemented in this manner to achieve the object of the present invention, and the setting of the surface unevenness pattern can also be selected according to actual conditions, and therefore these deformations are It is within the scope of the invention.
  • the first friction layer and/or the second friction layer of the present invention may also be a patterned friction layer, ie the first friction layer or the second friction layer is composed of a plurality of friction units.
  • Friction unit constituting the friction layer It may be in the form of a strip or a fan, and the plurality of friction units may or may not be connected to each other.
  • the number of the strike pins included in the contact switch is twice that of the first friction layer.
  • the number of friction units is equal to the number of the friction units constituting the first friction layer.
  • FIG. 7 is a schematic plan view of the generator of the present embodiment
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional structural view of the generator, wherein the first friction layer 101 is a pattern formed by symmetric distribution of two 90-degree sector friction units. (See Figure 9), the two 90-degree sector friction units and the blank areas should be alternately distributed in a plane or curved surface.
  • the shape and size of the first electrode layer 102 and the first friction layer 101 are the same.
  • the first rotating layer 103 is further included on the first electrode layer, and the top view of the first rotating plate 103 is The shape and size of the lower surface of the first friction layer 101 are the same, and the striker 301 of the contact switch is fixed at the edge of the first turntable 103 and communicates with the first electrode layer 102 through a wire.
  • the striker 301 fixes a leaf of the turntable.
  • the position of the striker on the first turntable corresponds to the intermediate position of a sector arc of the first friction layer, as shown in FIG.
  • the second friction layer 201 is a pattern formed by symmetric distribution of two 90 degree fan-shaped friction units (refer to FIG.
  • a second turntable 203 is further included under the second electrode layer, and the contact switch includes four pairs of strikers 311, 312, 313 and 314.
  • the contiguously symmetrical distribution is fixed at the edge of the second turntable and is in communication with the second electrode layer through the wires.
  • the positions of the two pairs of strikers (311 and 313) fixed on the second turntable correspond to the intermediate positions of the two sector arcs of the second friction layer, as shown in FIG.
  • the first turntable 103 and the second turntable 203 can rotate coaxially, and the same number is set on the first turntable and the second turntable. Fan-shaped friction unit of the same shape and size. Preferably, the same number of blades are included on the first turntable and the second turntable, and the shape and size of the blade are the same as the friction unit.
  • the portion occupied by the second electrode layer 202 and the second friction layer 201 and the blank region 204 are alternately distributed on the second turntable 203.
  • the region occupied by the first friction layer 101 and the first electrode layer 102 is alternately arranged with the blank region.
  • the external force causes the first turntable 103 to rotate coaxially with respect to the second turntable 203
  • the lower surface of the fan-shaped first friction layer 101 and the upper surface of the sector-shaped second friction layer 201 are slidably rubbed, when the first friction layer 101 is under
  • the striker 301 is in contact with the first pair of striker 311, see Fig. 11, the first electrode layer and the second electrode layer are communicated, and the generator outputs a transient pulse.
  • FIG. 12 is a schematic plan view showing the structure of the generator when the lower surface of the first friction layer 101 and the upper surface of the second friction layer 201 are separated by a certain angle. At this time, the striker 301 and the four pairs of strikers are not in contact, and the first electrode layer and the second electrode are The electrode layer is disconnected and the generator has no current output.
  • Figure 13 is a top plan view of the generator when the lower surface of the first friction layer 101 and the upper surface of the second friction layer 201 are completely separated. At this time, the striker 301 and the second pair of striker pins 312 are in contact with each other to make the first electrode layer and the second electrode. The layer is connected, and the generator outputs a transient pulse.
  • the striker 301 will in turn collide with the four collet pins and cause the generator to output a transient pulse electrical signal.
  • the electrical output of the generator is controlled by the contact switch.
  • the contact switch When the contact switch is open, the generator is in an open state and no current is generated.
  • the contact switch When the contact switch is closed, the generator is in a closed state and an instantaneous high power output is generated.
  • the first friction layer 101 and the second friction layer 201 are composed of two identical sectors. In other embodiments of the invention, the first friction layer or the second friction layer may also be more identical.
  • the sector-shaped friction unit is configured to preferably form a fan-shaped friction unit and a blank area to form a complete plane or a curved surface. More preferably, the sector-shaped friction unit has the same shape as the blank area, and all the sector-shaped friction units share the same apex with the blank area. Plane or surface, the plane can be a circle, and the surface can be a pyramid or a bullet shape surface.
  • the pulse output frequency of the generator can be increased at the same number of revolutions.
  • FIG. 14 the structure of the generator in FIGS. 7 to 13 is substantially the same in this embodiment, and only the different portions are listed here, wherein the first friction layer 101 and the second friction layer 201 are each formed by four arcs. 45 degree fan shape The friction unit is constructed, and the four sector-shaped friction units share the same vertex to form a center-symmetric figure.
  • the contact switch is composed of a striker 301 fixed to the edge of the first turntable 103 and eight strikers (321, 322, 323, 324, 325, 326, 327 and 328) symmetrically fixed to the edge of the second turntable 203, wherein the striker The 301 is mounted on the central axis of a sector-shaped friction unit of the first 103 turntable, and the eight striker pins are respectively mounted on the central axes of each of the sector-shaped friction units of the second turntable 203 and the sector blank area.
  • the lower surface of the first friction layer 101 and the upper surface of the second friction layer 201 are slidably rubbed, and the contact area alternates from maximum to minimum, while The striker 301 will in turn come into collision contact with the eight collet pins, and cause the generator to output a transient pulse electrical signal.
  • the electrical output of the generator is controlled by the contact switch.
  • the contact switch When the contact switch is open, the generator is in an open state and no current is generated.
  • the contact switch is closed, the generator is in a closed state and an instantaneous high power output is generated. Therefore, the high-frequency electric signal output can be obtained by the arrangement of the plurality of sector-shaped friction units constituting the friction layer.
  • a friction layer is constituted by a plurality of sector-shaped friction units
  • the layer 102 (or the second electrode layer 202) is also composed of a plurality of electrode units and is not connected to each other, so that two strikers 301 and 3011 can be symmetrically disposed on the first turntable, so that the two strikers can simultaneously be respectively The two colliding needles collide with each other.
  • a generator of such a structure can be regarded as a generator in which two generator units are connected in parallel.
  • a striker having the same number of friction units as the first friction layer can be symmetrically disposed at the edge of the first turntable, and in the second The edge of the turntable is symmetrically set to twice the number of strikers.
  • the insulating material of the first friction layer 101 or the second friction layer 201 may be replaced by a conductive material, and accordingly, the first friction layer 101 or the second friction layer 201 may be replaced by the first electrode layer. 102 or second electrode layer 202.
  • the conductive material herein may be a conductive material of the first electrode layer or the second electrode layer, and will not be described again here. The choice of such a friction layer material simplifies the structure of the generator.
  • the first turntable 103 and the second turntable 203 may be electrically conductive or non-conductive.
  • the material preparation may be selected from insulating materials such as glass, plexiglass, polyethylene sheet or polyvinyl chloride.
  • the first turntable may be a conductive material instead of the first electrode layer; and/or the second turntable may be a conductive material instead of the second electrode layer. This choice of material simplifies the structure of the generator.
  • the generator of the invention has simple structure, simple preparation method, no special requirement for materials, and can be applied to conversion between rotating mechanical energy and electric energy in a practical use, and can be applied to a wide range of practical uses. .
  • the present invention also provides a power generation method, including the steps:
  • a lower surface of the first friction layer is in contact with an upper surface of the second friction layer; a lower surface of the first friction layer is slidably rubbed against an upper surface of the second friction layer and a contact area is changed, the first electrode layer is The second electrode layer is turned on, and the first electrode layer is disconnected from the second electrode layer after the first pulse electrical signal is outputted between the first electrode layer and the second electrode layer; the lower surface and the second surface of the first friction layer The upper surface of the friction layer continues to slide relative to each other until the first electrode layer and the second electrode layer are again turned on, and the first electrode layer and the first electrode layer are outputted between the first electrode layer and the second electrode layer. The two electrode layers are disconnected again;
  • the step of sliding the lower surface of the first friction layer relative to the upper surface of the second friction layer is repeated.
  • first friction layer, the first electrode layer, the second friction layer, and the second electrode layer used are the same as those of the aforementioned sliding friction-based pulse generator of the present invention, and power generation The principle is the same as the power generation principle of the aforementioned generator, and will not be repeated here.
  • the first pulse electrical signal and the second pulse electrical signal formed during the contact and separation of the first friction layer and the second friction layer are reverse pulse signals.
  • the conduction between the first electrode layer and the second electrode layer can be realized by a switch, and an external output electrical signal of the power generation method can be realized by connecting a load to be supplied between the first electrode layer and the second electrode layer.
  • the contact area between the two friction layers can be increased by subjecting the surface of the friction layer to micro- and nano-scale structural processing and material modification.
  • the generator shown in Fig. 7 is an example to illustrate the preparation process and surface modification process of the generator.
  • the first turntable 103 and the second turntable 203 are processed by laser cutting using plexiglass PMMA as a material.
  • 100 nm of Au was vapor-deposited on the lower surface of the first turntable 103 and the upper surface of the second turntable 203 as the first electrode layer 102 and the second electrode layer 202 by magnetron sputtering.
  • the first electrode layer was placed in a solution containing SiO 2 nanoparticles, and a layer of SK32 nanoparticles was assembled as the first friction layer 101 on the lower surface of the first electrode layer 102 by a self-assembly method.
  • Figure 16 is a scanning electron microscope (SEM) image of SiC nanoparticles of the first friction layer 101. As shown, the SiO 2 nanoparticles are aligned and have a size of about 240 nm.
  • a polydimethylsiloxane (PDMS) film was prepared as a second friction layer 203 by a spin coating method on the upper surface of the second electrode layer 202.
  • a striker is fixed on the first turntable and connected to the first electrode layer through a wire, and four striker pins are symmetrically fixed on the second turntable and connected to the second electrode layer by wires.
  • the AC pulse signal can be output.
  • the output characteristics of the generator are shown below by taking the device of the generator prepared above as an example.
  • Figure 17 shows the open circuit voltage characteristics of the generator, indicating an open circuit voltage of approximately 115 V.
  • Figure 18 is the output current curve of the generator at different speeds when the load is 22 ⁇ .
  • the curve shows that at 10 rpm (revolutions per minute), 50 rpm, 100 rmp, 200 rmp and 400 rpm, the output current of the generator is kept at around 6 ⁇ , which does not change with the speed of the generator.
  • Figure 19 is the output current curve of the generator after rectification by a full-wave rectifier bridge at 500 ⁇ load and 1600 rpm.
  • the curve shows that the instantaneous output current and output power of the generator at 500 ⁇ are 0.26 A and 33.8 W, respectively, and the pulse output frequency reaches 167.7 Hz.
  • the corresponding output current density and output power density are 104 A/m 2 and 1.4 X, respectively. 10 4 W/m 2 . This indicates that the sliding friction-based pulse generator has excellent characteristics of outputting a large current, high power, high frequency pulse signal.
  • the electrical signal output by the generator of each embodiment of the present invention is an alternating current pulse electrical signal, and a full bridge rectifier can be connected at the output end of the generator to rectify the output signal of the generator into a one-way pulse electrical signal.
  • the one-way pulse electrical signal output by the generator can be directly used as a pulse power source in the field of electrochemistry, etc., and can also be used to charge an energy storage component, such as a capacitor or a lithium ion battery, and the stored electrical energy can be used for portable Small electronic devices provide electricity, Has a wide range of application prospects.

Landscapes

  • Lubricants (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

一种基于滑动摩擦的脉冲发电机和发电方法，发电机包括上表面接触设置第一电极层（102）的第一摩擦层（101）、下表面接触设置第二电极层（202）的第二摩擦层（201）以及接触式开关，第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面发生滑动摩擦并且接触面积改变后，通过接触式开关闭合使第一电极层与第二电极层导通，发电机输出脉冲电信号后接触式开关断开；然后，第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面继续滑动摩擦，直至通过接触式开关再次闭合使第一电极层与第二电极层再次导通，发电机输出脉冲电信号后接触式开关再次断开，如此反复，将施加在发电机上的转动、振动等机械能转变为脉冲电信号输出。接触式开关的接入，提高了输出电流和输出功率，扩展了摩擦发电机在大电流、大功率方面的应用。

Description

一种基于滑动摩擦的脉冲发电机和发电方法 技术领域 本发明涉及一种发电机， 特别是涉及将机械能转化为瞬时高功率电 脉冲的基于滑动摩擦的脉冲发电机和发电方法。 背景技术 滑动、 震动、 转动等机械能是广泛存在的能量形式。 目前， 机械能 转化为电能的发电机所利用的原理主要有静电感应， 电磁感应和特殊材 料的压电性能等。 然而， 已经发明的静电感应发电机， 存在体积大、 适 用性窄等缺点， 电磁感应发电机和压电发电机则普遍存在结构复杂， 对 材料有特殊要求和成本较高等缺陷。 摩擦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。 但是， 摩擦发电机存在输出电流和输出 功率小的缺点， 不能将环境中普遍存在的机械能转变为可以有效利用的 电能。 发明内容 本发明涉及一种利用滑动摩擦进行发电的装置， 发电机能够将转 动、 振动等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。
为实现上述目的， 本方法提供一种转动式脉冲摩擦发电机， 包括： 第一摩擦层； 所述第一摩擦层上表面接触设置的第一电极层； 第二摩擦层； 所述第二摩擦层下表面接触设置的第二电极层； 所述 第一摩擦层的下表面与所述第二摩擦层的上表面相对放置；
接触式开关， 所述接触式开关包括撞针和距离固定的多个对撞针， 其中， 所述撞针与所述第一电极层连通， 并且能够跟随所述第一电极层 运动； 所有所述对撞针都与所述第二电极层连通， 并且能够跟随所述第 二电极层运动； 当所述撞针与任何一个所述对撞针接触时， 所述接触式 开关闭合；
所述第一摩擦层的上表面和所述第二摩擦层的下表面在外力的作 用下发生相对滑动摩擦、 同时摩擦面积发生变化， 带动所述撞针与所述 对撞针接触时， 所述第一电极层和第二电极层之间输出脉冲电信号。
优选的， 在所述外力作用下所述第一摩擦层相对于所述第二摩擦层 的滑动方向沿着接触面的切向滑动。
优选的， 在所述滑动方向上所述第一摩擦层下表面与所述第二摩擦 层上表面能够接触并且产生摩擦的最大滑动距离不小于所述撞针依次 与两个所述对撞针接触时所述撞针移动的距离。
优选的， 一个所述撞针固定在所述第一电极层上； 多个所述对撞针 固定在所述第二电极层上。
优选的， 在所述外力作用下所述第一摩擦层相对于所述第二摩擦层 转动。
优选的， 所述第一摩擦层的下表面与所述第二摩擦层的上表面接触 面积最大和最小时， 所述撞针分别与一个所述对撞针接触。
优选的， 所述第一摩擦层的下表面为扇形； 和 /或， 所述第二摩擦层 的上表面为扇形， 并且所述第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面 面积和形状均相同。
优选的， 所述第一扇形和 /或第二扇形的圆心角不大于 180度。 优选的，所述第一摩擦层的下表面和 /或第二摩擦层的上表面由多个 由空白区域间隔的扇形摩擦单元组成。
优选的，组成所述第一摩擦层下表面和 /或第二摩擦层的上表面的多 个扇形摩擦单元的圆心角相同且通过共用顶点互相连通； 所述多个扇形 摩擦单元与所述空白区域在一个平面或曲面内交替均匀分布。
优选的， 在所述第一电极层上还包括第一转盘， 所述接触式开关的 撞针固定在所述第一转盘的边缘， 使所述撞针在所述第一转盘上的位置 与第一摩擦层一个扇形弧边的中间位置对应。
优选的， 在所述第二电极层下还包括第二转盘， 所述接触式开关的 多个对撞针对称的固定在所述第二转盘的边缘， 其中， 多个对撞针中一 半固定在第二转盘上的位置与第二摩擦层两个扇形弧边的中间位置对 应。
优选的， 所述第一转盘和所述第二转盘能够同轴转动， 在所述第一 转盘与第二转盘上设置有相同个数、 相同形状、 相同尺寸的所述扇形摩 擦单元。
优选的， 所述接触式开关中包括的对撞针的个数两倍于构成第一摩 擦层的摩擦单元的个数。
优选的， 构成所述第一摩擦层的多个摩擦单元相应的第一电极层互 相不连通， 所述接触式开关中包括所述撞针的个数等于构成所述第一摩 擦层的摩擦单元的个数。
优选的， 所述第一摩擦层和所述第二摩擦层的材料之间存在摩擦电 极序差异。
优选的， 所述第一摩擦层和所述第二摩擦层为绝缘材料， 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等。
优选的， 所述第一摩擦层或第二摩擦层的绝缘材料可由金属或半导 体材料替换； 所述金属材料选自金、 银、 铂、 铝、 镍、 铜、 钛、 铬或硒， 以及由上述金属形成的合金； 所述半导体材料选自 Sn02， ZnO, Ti02， ln203， ZnS, ZnSe, ZnTe, GaN, Se， CdS， CdSe, CdTe, Si, Ge， PbS, InGaAs, PbSe, InSb、 PbTe, HgCdTe, PbSn, HgS, HgSe, HgTe。 优选的，所述第一摩擦层的下表面和 /或所述第二摩擦层的上表面的 全部或部分表面具有纳米或微米尺度的结构修饰或者纳米材料的点缀 或涂层， 其中， 所述纳米或微米尺度的结构选自纳米线、 纳米棒、 纳米 管、 纳米锥、 纳米颗粒、 纳米沟槽、 微米线、 微米棒、 微米管、 微米锥、 微米颗粒和微米沟槽。
优选的， 所述第一电极层或第二电极层的材料选自金属或合金； 其 中， 所述金属选自金、 银、 铂、 铝、 镍、 铜、 钛、 铬或硒； 所述合金选 自金、 银、 铂、 铝、 镍、 铜、 钛、 铬或硒形成的合金、 不锈钢。
优选的， 所述第一摩擦层下表面与所述第二摩擦层上表面形状相同 或互补， 使得在转动时， 所述第一摩擦层下表面与所述第二摩擦层上表 面完全接触。
优选的， 所述接触式开关的撞针和对撞针的材料选自金属或合金； 所述金属选自金、 银、 铂、 铝、 镍、 铜、 钛、 铬或硒； 所述合金选自金、 银、 铂、 铝、 镍、 铜、 钛、 铬或硒形成的合金、 不锈钢。
优选的， 所述撞针和 /或对撞针为弹性的导电材料。
优选的， 所述第一转盘为导电材料， 所述第一转盘替代所述第一电 极层；
和 /或， 所述第二转盘为导电材料， 所述第二转盘替代所述第二电极 层。
优选的， 所述第一摩擦层、 第二摩擦层、 第一电极层和 /或第二电极 层为柔性或弹性材料。
相应的， 本发明还提供一种发电方法， 包括歩骤：
提供上表面接触设置第一电极层的第一摩擦层， 提供下表面接触设 置第二电极层的第二摩擦层；
所述第一摩擦层的下表面与所述第二摩擦层的上表面接触； 第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面滑动摩擦并且接触面 积发生变化后， 第一电极层与第二电极层导通， 在第一电极层与第二电 极层之间向外输出第一脉冲电信号后第一电极层与第二电极层断开； 第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面继续相对滑动， 直至第 一电极层与第二电极层再次导通， 在第一电极层与第二电极层之间向外 输出第二脉冲电信号后第一电极层与第二电极层再次断开；
重复上述第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面相对滑动的 歩骤。
与现有技术相比， 本发明具有下列有益效果：
1、 在使用相同的第一摩擦层和第二摩擦层材料的情况下， 由于接 触式开关的接入， 可以极大地提高输出电流和输出功率， 扩展了摩擦发 电机在大电流、 大功率方面的应用。
2、 由多个扇形摩擦单元构成两个摩擦层的情况下， 两个摩擦层相 对高速转动， 发电机可以输出高频的脉冲电信号。
3、 可以用电极层直接作为一个摩擦层材料， 简化发电机的结构。
4、 可以在摩擦层表面进行微、 纳米结构修饰， 提高发电机的电学 输出特性。 另外， 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 所需电源。
5、 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， 可以将海浪、风能、机械设备以及人体运动等产生的机械能转变为电能， 具有广泛的实际用途。 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和图 2为本发明发电机的典型结构示意图；
图 3和图 4为本发明发电机中接触式开关的连接位置示意图； 图 5为本发明发电机的工作原理示意图；
图 6为本发明中摩擦层表面为凹凸结构的发电机结构示意图； 图 7至图 13为本发明发电机的摩擦层由两个扇形摩擦单元构成的 发电机的结构示意图；
图 14 为本发明发电机的摩擦层由四个扇形摩擦单元构成的发电机 的结构示意图；
图 15 为摩擦层由多个扇形摩擦单元构成的发电机中包括多个撞针 的发电机结构示意图；
图 16为第一摩擦层的 SK32纳米颗粒层的扫描电镜图片；
图 17为发电机的开路电压测量结果；
图 18为发电机在 22 ΜΩ负载下不同转速时的输出电流曲线； 图 19为本发电机在 500Ω负载下高速旋转时的输出电流曲线。 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。
本发明提供一种可以将环境中普遍存在的机械能转变为电能的脉 冲发电机， 其技术方案为， 利用存在摩擦电极序差异的两种摩擦材料进 行互相摩擦， 产生表面电荷， 在分别于两个摩擦层贴合的电极层之间产 生电势， 在两个电极层之间引入一个接触式开关， 通过接触式开关产生 的"断开"和"闭合"两个不同的状态，对发电机电流的产生起到控制所用； 使得开关闭合时， 在两个电极层之间产生一个瞬时的大电流、 大功率的 电学脉冲信号。
本发明的发电机利用了具有不同摩擦电极序的摩擦层材料接触时 发生表面电荷转移的原理。 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的瞬间， 在接触面上正电荷从摩擦电极序中极性较负的材料表面转移至摩擦电 极序中极性较正的材料表面。 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接触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。 本发明人发现如果两种材料在摩擦电极序中 处于较接近的位置， 接触后电荷分布的正负性可能并不符合该序列的预 测。需要进一歩说明是， 电荷的转移并不需要两种材料之间的相对摩擦， 只要存在相互接触即可， 因此， 从严格意义上讲， 摩擦电极序的表述是 不准确的， 但由于历史原因而一直沿用至今。
本发明中所述的 "摩擦电荷"或 "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。 研 究发现， 该电荷能够保持较长的时间， 根据环境中湿度等因素， 其保持 时间在数小时甚至长达数天， 而且其消失的电荷量可以通过再次接触得 以补充， 因此， 本发明人认为， 在本发明中接触电荷的电量可以近似认 为保持恒定。 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。
下面结合附图详细介绍本发明的基于滑动摩擦的脉冲发电机的具 体实施方式。
图 1是本发明基于滑动摩擦的脉冲发电机的一种典型结构。 包括： 第一摩擦层 101、 与第一摩擦层 101上表面接触设置的第一电极层 102、 第二摩擦层 201、 与第二摩擦层下表面接触设置的第二电极层 202; 第 一摩擦层 101的下表面与第二摩擦层 201的上表面相对放置； 接触式开 关， 包括一个撞针 301和距离固定的两个对撞针 302和 303， 其中， 撞 针 301与第一电极层 102连通， 并且能够跟随第一电极层 102运动； 所 述两个对撞针 302和 303都与第二电极层 202连通， 并且能够跟随第二 电极层 202运动； 当撞针 301与两个对撞针 302和 303中任何一个碰撞 接触时， 接触式开关闭合； 在外力的作用下， 第一摩擦层 101下表面与 第二摩擦层 202上表面相对滑动， 同时摩擦面积发生变化， 第一电极层 102和第二电极层 202之间向外电路输出脉冲电信号。
图 2为图 1中发电机的俯视示意图， 在外力作用下， 当第一摩擦层 101相对于第二摩擦层 201滑动时， 撞针 301可以与对撞针 302或 303 接触， 使第一电极层 102与第二电极层 202之间实现电连通。 图 1和图 2 中只是本发明的发电机结构的示意图， 发电机中第一摩擦层、 第二摩 擦层以及相应的第一电极层、 第二电极层的结构和形状都可以有多种变 化。 接触式开关的撞针 301、 两个对撞针 302和 303各自的固定位置、 形状等都可以根据实际情况形成变化， 只要能够满足撞针 301跟随第一 电极层运动， 对撞针跟随第二电极层运动。
两个对撞针 302和 303的位置设定， 优选为， 在第一摩擦层 101相 对于第二摩擦层 201的滑动方向沿着接触面的切向滑动。 在所述滑动方 向上， 优选的， 第一摩擦层 101下表面与第二摩擦层 201上表面能够接 触并且产生摩擦的最大滑动距离不小于所述撞针依次与所述两个对撞 针接触时所述撞针移动的距离。 具体的， 对于第一摩擦层 101相对于第 二摩擦层的滑动方向可以为沿着接触面的平移滑动， 即第一摩擦层的 101的下表面与第二摩擦层的上表面沿着力的方向滑动错开， 参见图 3， 在外力 F作用下， 第一摩擦层 101相对于第二摩擦层 201沿着接触面的 平移滑动（沿着箭头方向）使第一摩擦层 101的下表面与第二摩擦层 201 的上表面错开， 接触式开关的撞针 301设置在第一电极层 102 (或第一 摩擦层 101 ) 的最右端， 两个对撞针 302和 303分别设置在第二电极层 202 (或第二摩擦层 201 ) 的左右两端， 使第一摩擦层 101的下表面与第 二摩擦层 201的上表面基本重合或者接触面积最大时， 撞针 301与第一 对撞针 302碰撞接触； 第一摩擦层相对于第二摩擦层在受力方向上滑动 至第一摩擦层 101 的下表面与第二摩擦层 201 的上表面接触面积最小 时， 撞针 301与第二对撞针 303碰撞接触。 同样的， 第一摩擦层 101相 对于第二摩擦层 201也可以为旋转运动， 即第一摩擦层 101的下表面与 第二摩擦层的上表面旋转滑动， 以第一摩擦层下表面和第二摩擦层的上 表面均为扇形， 并且面积和形状均相同， 并且共用同一个顶点为例， 参 见图 4， 在外力作用下， 第一摩擦层 101相对于第二摩擦层 201沿着箭 头方向转动， 使第一摩擦层 101的下表面与第二摩擦层 201的上表面错 开， 接触式开关的撞针 301设置在第一电极层 102 (或第一摩擦层 101 ) 的最右端， 两个对撞针 302和 303分别设置在第二电极层 202 (或第二 摩擦层 201 )的左右两端，使第一摩擦层 101的下表面与第二摩擦层 201 的上表面基本重合或者接触面积最大时， 撞针 301与第一对撞针 302碰 撞接触； 第一摩擦层相对于第二摩擦层在受力方向上滑动至第一摩擦层 101的下表面与第二摩擦层 201的上表面接触面积最小时， 撞针 301与 第二对撞针 303碰撞接触。 优选的， 第一摩擦层和第二摩擦层的扇形的 圆心角不大于 180度。 这里并不限定相对转动的第一摩擦层的下表面以 及第二摩擦层的上表面一定为平面， 也可以为曲面。
为了方便说明， 以下将结合图 2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。
图 5为基于滑动摩擦的脉冲发电机的工作原理示意图。 当发电机的 第一摩擦层 101的下表面与第二摩擦层 201的上表面互相接触时， 在两 个摩擦层的表面产生接触电荷， 在外力作用下第一摩擦层 101与第二摩 擦层 201发生水平方向的摩擦， 这里设定第一摩擦层 101下表面的材料 处于摩擦序列表的更正的位置， 第二摩擦层 201上表面的材料处于摩擦 序列表的更负的位置。因此，当第一摩擦层 101下表面与第二摩擦层 201 上表面摩擦时， 第一摩擦层 101的表面产生正的接触电荷， 第二摩擦层 201的表面产生负的接触电荷。 随着外力的作用， 第一摩擦层 101和第 二摩擦层 201逐渐分开， 使正、 负摩擦电荷在水平方向发生分离， 并在 第一电极层 102和第二电极层 202之间产生电势差。但是，此时撞针 301 与两个对撞针 302和 303都没有接触， 发电机的接触式开关处于断开状 态， 因此， 不能在第一电极层 102和第二电极层 202之间产生电流， 如 图 5a所示。当第一摩擦层 101下表面和第二摩擦层 201上表面完全分开 时， 撞针 301和第一对撞针 302接触， 因此发电机从断路状态瞬间转变 为闭合状态， 如图 3b所示。 由于在第一电极层 102上存在正的电势， 因此， 电子从第二电极层 202流向第一电极层 102， 在第一电极层 102 上产生负的诱导电荷， 在第二电极层 202上产生正的诱导电荷， 在此过 程中， 发电机输出正的电流脉冲， 如图 5b所示。 在相反方向外力作用 下， 第一摩擦层 101下表面和第二摩擦层 201上表面的接触面积逐渐增 大， 在此过程中， 撞针 301与两个对撞针都没有接触， 发电机处于断开 状态， 因此， 诱导电荷不能在第一电极层 102和第二电极层 202之间流 动， 仍然停留在电极层上， 如图 5c所示。 当第一摩擦层 101下表面和第 二摩擦层 201上表面完全接触时， 撞针 301和第二对撞针 303接触， 因 此发电机从断路状态瞬间转变为闭合状态， 如图 5d所示。 此时， 正、 负摩擦电荷在第一电极层 102上产生的电势相互抵消， 正、 负诱导电荷 在第一电极层 102上产生负的电势差， 因此， 在第一电极层 102的负电 势的驱动下， 第一电极层 102的负的诱导电荷流到第二电极层 202， 并 与第二电极层 202上的正的诱导电荷相互抵消， 最终使第一电极层的电 势变为零。 在此过程中产生瞬时的负电流， 如图 3d所示。 随着周期性 反方向外力的作用， 撞针 301将依次与两个对撞针 302和 303发生碰撞 接触， 每次碰撞接触时， 发电机的第一电极层 102与第二电极层 202之 间将输出一个瞬时的电流脉冲。
本发明的发电机， 接触式开关是发电机产生大概率输出的关键部 件， 在第一摩擦层相对于第二摩擦层的往复滑动过程中， 发电机的电学 输出受到接触开关的控制， 当接触开关断开时， 发电机处于断路状态， 没有电流产生； 当接触开关闭合的瞬间， 发电机处于闭路状态， 并产生 瞬时的大功率输出。 所述撞针与对撞针的材料选自金属或合金； 所述金 属选自金、 银、 铂、 铝、 镍、 铜、 钛、 铬或硒； 所述合金选自金、 银、 铂、 铝、 镍、 铜、 钛、 铬或硒形成的合金、 不锈钢。 优选的， 撞针和 / 或对撞针为弹性的导电材料， 在第一摩擦层相对于第二摩擦层摩擦过程 中， 撞针与对撞针能够碰撞接触发生弹性形变， 保证所述撞针与所述对 撞针之间的良好电接触， 并且能够分离。 撞针与对撞针的个数可以根据 摩擦层的形状进行设定， 接触式发电机中包括撞针或对撞针的个数并不 限定本发明的保护范围。 优选的， 对撞针的个数为偶数个。
本发明的发电机中， 第一摩擦层 101和第二摩擦层 201需要满足： 第一摩擦层 101的材料与第二摩擦层 201的材料存在摩擦电极序差异。
绝缘体材料， 例如常规的高分子聚合物都具有摩擦电特性， 均可以 作为制备本发明第一摩擦层 101、 第二摩擦层 201的材料， 此处列举一 些常用的高分子聚合物材料： 聚四氟乙烯， 聚二甲基硅氧垸， 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、 再生纤 维海绵薄膜、 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、 酚醛树脂薄膜、 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、 聚 (偏氯乙 烯 -co-丙烯腈)薄膜或聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜， 聚苯乙烯、 聚甲基丙烯 酸甲酯、 聚碳酸酯或液晶高分子聚合物、 聚氯丁二烯、 聚丙烯腈、 聚双 苯酚碳酸酯、 聚氯醚、 聚偏二氯乙烯、 聚乙烯、 聚丙烯、 聚氯乙烯。 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 体的聚合物材料供技术人员参考， 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， 因为在本发明技术方案的启示下， 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。 因此， 半导体和金属也可以作为制备第一摩擦层 101或第二摩擦层 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、 Β )2和 Y203 ; 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， 当第一摩擦层 101与第二摩擦层 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 擦层 101、 第二摩擦层 201， 以获得更好的输出效果。
本发明的第一摩擦层 101、 第二摩擦层 201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 10nm-lmm， 更优选 100ηπι-500μπι。
本发明的发电机中，还可以对第一摩擦层 101的下表面和 /或第二摩 擦层 201的上表面进行物理改性， 使其全部或部分表面具有微米或亚微 米量级的微结构， 以增强第一摩擦层 101与第二摩擦层 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。 所述微结构可以选自纳米线、 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。 优选为在第一摩擦层 101的下表面、 第二摩擦层 201 的上表面包括上述微、 纳米结构形成的 阵列。
另外，还可以在第一摩擦层 101的下表面和 /或第二摩擦层 201的上 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滑动的第一摩擦层和第二摩擦层， 在摩擦电极 序相对为正的材料表面引入更易失电子的官能团 （即强给电子团）， 或 者在摩擦电极序相对为负的材料表面引入更易得电子的官能团 （强吸电 子团）， 都能够进一歩提高电荷在相互接触时的转移量， 从而提高摩擦 电荷密度和发电机的输出功率。 强给电子团包括： 氨基、 羟基、 垸氧基 等； 强吸电子团包括： 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。
另外一种方法是对于相互摩擦的第一摩擦摩擦层和第二摩擦层， 在 极性为正的材料表面引入正电荷， 而在极性为负的材料表面引入负电 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
PDMS摩擦层表面利用溶胶-凝胶的方法修饰上正硅酸乙酯（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 根据摩擦层或电极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。
优选的， 第一摩擦层 101和第二摩擦层 201选择弹性材料或柔性材 料， 可以增加受到外力作用时的接触面积。 同样， 第一电极层 102或第 二电极层 202、 也可以为弹性材料或者柔性材料， 使本发明的发电机成 为一个柔性器件。 柔性材料的使用使本发明的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。
第一电极层 102和第二电极层 202是两个导电元件， 只要具备能够 导电的特性即可， 可以选择常用的电极材料， 例如金属、 合金、 导电氧 化物或有机物导体等， 其中， 金属选自金、 银、 铂、 铝、 镍、 铜、 钛、 铬或硒等， 更优选为金属薄膜， 例如铝膜、 金膜、 铜膜等； 合金选自金、 银、 铂、 铝、 镍、 铜、 钛、 铬或硒形成的合金、 不锈钢等。 常用的导电 氧化物包括铟锡氧化物 ITO、 离子掺杂型的半导体和导电有机物。 电极 层最好与相应的摩擦层的表面紧密接触， 以保证电荷的传输效率， 较好 的方式是将导电材料通过沉积的方式在相应摩擦层的表面成薄膜， 厚度 可以为 10 nm-5mm， 优选为 100ηηι-500μπι; 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。 实际中， 本领域的技术人员 可以根据各摩擦层材料的选择， 确定相应电极层材料以及制备方法的选 择， 以确保电极层与相应的摩擦层 （例如第一电极层 102和第一摩擦层 101 ) 的良好电接触。 具体电极层材料的选择不作为限定本发明保护范 围的条件。
尽管附图中所示的发电机结构中， 第一摩擦层的下表面与第二摩擦 层的上表面均为平面， 实际中第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表 面可以为曲面或者不平整的凹凸结构表面， 优选的， 第一摩擦层的下表 面与第二摩擦层的上表面形状相同或互补， 使得第一摩擦层下表面与第 二摩擦层上表面相对滑动过程中， 能够完全接触或者出现接触面积最大 的情况。
参见图 6， 为本发明两个摩擦层不完全接触的一个典型实施例。 该 实施例的主要部分与图 1所示的实施例相同， 此处仅对二者的区别进行 描述。 图 6所示的实施例第一摩擦层 111的下表面相对较小， 并且其下 表面和第二摩擦层 211的上表面均制备成具有凹凸结构的不平整表面， 二者接触后在相对滑动的过程中能够形成接触面积的变化， 从而实现向 外输出电信号的目的。 该实施例可用于因第一摩擦层 111的下表面过小 或第一摩擦层 111与第二摩擦层 211的相对位置可变量比较小时， 外力 的大小或摩擦层可移动的空间不足以使发电机输出合适的电信号的情 况， 通过不平整表面的设置有效地控制了第一摩擦层 11 与第二摩擦层 211 的接触面积， 以及产生电信号所需的有效相对位移。 本领域的技术 人员能够预测到第二摩擦层 211的表面积较小时也完全可以采用该方式 来实现本发明的目的， 并且表面不平整图案的设置也是可以根据实际情 况进行选择的， 因此这些变形都在本发明的保护范围之内。
本发明的第一摩擦层和 /或第二摩擦层还可以为图形化的摩擦层，即 第一摩擦层或第二摩擦层由多个摩擦单元构成。 构成摩擦层的摩擦单元 可以为条带状或者扇形， 多个摩擦单元之间可以互相连通， 也可以不连 通。 当第一摩擦层相对于第二摩擦层旋转时， 第一摩擦层的部分下表面 能够与第二摩擦层的部分上表面产生交替的滑动摩擦。 对于由相同个数 的形状和尺寸相同的扇形摩擦单元构成第一摩擦层和第二摩擦层的情 况， 优选的， 接触式开关中包括的对撞针的个数两倍于构成第一摩擦层 的摩擦单元的个数。 更进一歩的， 对于构成第一摩擦的多个摩擦单元相 应的第一电极层互相不连通的情况， 接触式开关中包括的撞针的个数等 于构成第一摩擦层的摩擦单元的个数。 下面结合附图详细介绍第一摩擦 层或第二摩擦层由多个扇形摩擦单元构成的发电机的结构。
参见图 7和图 8， 图 7为本实施例发电机的俯视示意图， 图 8为发 电机的剖面结构示意图， 其中， 第一摩擦层 101为由两个 90度扇形摩 擦单元对称分布构成的图形 （见图 9)， 两个 90度扇形摩擦单元与空白 区域在平面或曲面内交替均应分布。 相应的， 第一电极层 102与第一摩 擦层 101的形状和尺寸均相同， 为了增强第一摩擦层的强度， 在第一电 极层上还包括第一转盘 103， 第一转盘 103的俯视图与第一摩擦层 101 下表面的形状和尺寸均相同，接触式开关的撞针 301固定在第一转盘 103 的边缘并且与第一电极层 102通过导线连通， 优选的， 撞针 301固定转 盘一个扇叶的中轴线上， 使撞针在第一转盘上的位置与第一摩擦层一个 扇形弧边的中间位置对应， 见图 9。 相应的， 第二摩擦层 201为由两个 90度扇形摩擦单元对称分布构成的图形 （参考图 10)， 与第一摩擦层的 图形和尺寸相同， 相应的， 第二电极层 202与第二摩擦层 201的形状和 尺寸均相同， 为了增强第二摩擦层 201的强度， 在第二电极层下还包括 第二转盘 203， 接触式开关包括 4个对撞针 311、 312、 313和 314， 四 个对撞针对称的均匀分布的固定在第二转盘的边缘并且与第二电极层 通过导线连通。 优选的， 四个对撞针中， 两个对撞针 （311 和 313 ) 固 定在第二转盘上的位置与第二摩擦层两个扇形弧边的中间位置对应， 见 图 10， 这样的设置， 使第一摩擦层 101的下表面与第二摩擦层的上表面 201接触面积最大和最小时撞针与对撞针碰撞接触。 第一转盘 103与第 二转盘 203能够同轴转动， 在第一转盘与第二转盘上设置有相同个数、 相同形状、 相同尺寸的扇形摩擦单元。 优选的， 在第一转盘、 第二转盘 上包括相同个数的扇叶， 所述扇叶的形状与尺寸与所述摩擦单元相同。 第二转盘 203上交替分布着由第二电极层 202与第二摩擦层 201占据的 部位和空白区域 204， 同样第一摩擦层 101与第一电极层 102占据的区 域与空白区域交替排列， 当外力使第一转盘 103相对于第二转盘 203进 行同轴转动时， 带动扇形的第一摩擦层 101下表面与扇形的第二摩擦层 201上表面进行滑动摩擦， 当第一摩擦层 101的下表面与第二摩擦层的 上表面完全重合时， 撞针 301和第一对撞针 311接触， 见图 11， 使第一 电极层和第二电极层连通， 发电机输出瞬时脉冲。 图 12 是第一摩擦层 101下表面和第二摩擦层 201上表面分开一定角度时发电机的俯视结构 示意图， 此时， 撞针 301和四个对撞针都没有接触， 第一电极层和第二 电极层断开， 发电机没有电流输出。 图 13是第一摩擦层 101下表面和 第二摩擦层 201上表面完全分开时发电机的俯视结构示意图， 此时， 撞 针 301和第二对撞针 312接触， 使第一电极层和第二电极层联通， 发电 机输出瞬时脉冲。 随着发电机的继续转动， 撞针 301将依次与四个对撞 针发生碰撞接触， 并使发电机输出瞬时脉冲电信号。 在发电机的往复转 动过程中，发电机的电学输出受到接触开关的控制。当接触开关断开时， 发电机处于断路状态， 没有电流产生； 当接触开关闭合的瞬间， 发电机 处于闭路状态， 并产生瞬时的大功率输出。
上述实施例中， 第一摩擦层 101和第二摩擦层 201由两个相同的扇 形构成， 在本发明的其他实施例中， 第一摩擦层或第二摩擦层还可以由 更多个相同的扇形摩擦单元构成， 优选为扇形摩擦单元与空白区域交替 构成完整的平面或者曲面， 更优选为， 所述扇形摩擦单元与所述空白区 域的形状相同， 所有扇形摩擦单元与空白区域共用同一顶点形成平面或 者曲面， 平面可以为圆形， 曲面可以为棱锥或者子弹头形状曲面。
通过增加第一摩擦层和第二摩擦层中包括的扇形摩擦单元的个数， 可以在相同的转速下提高发电机的脉冲输出频率。参见图 14， 该实施例 中与图 7至 13中的发电机的结构基本相同， 在此仅列出不同的部分， 其中， 第一摩擦层 101与第二摩擦层 201均由四个弧度为 45度的扇形 摩擦单元构成， 并且四个扇形摩擦单元共用同一顶点形成中心对称图 形。 接触式开关由固定在第一转盘 103边缘的撞针 301和对称固定在第 二转盘 203边缘的 8个对撞针 （321、 322、 323、 324、 325、 326、 327 和 328) 构成， 其中， 撞针 301安装在第一 103转盘的一个扇形摩擦单 元的中轴线上， 八个对撞针分别安装在第二转盘 203的每个扇形摩擦单 元和扇形空白区的中轴线上。 随着第一转盘 103与第二转盘 203沿着共 同的中心相对转动， 第一摩擦层 101的下表面与第二摩擦层 201上表面 发生滑动摩擦， 并且接触面积从最大至最小交替变化， 同时撞针 301将 依次与 8个对撞针发生碰撞接触， 并使发电机输出瞬时脉冲电信号。 在 发电机的往复转动过程中， 发电机的电学输出受到接触开关的控制。 当 接触开关断开时， 发电机处于断路状态， 没有电流产生； 当接触开关闭 合的瞬间， 发电机处于闭路状态， 并产生瞬时的大功率输出。 因此， 可 以通过构成摩擦层的多个扇形摩擦单元的设置， 获得高频的电信号输 出。
对于由多个扇形摩擦单元构成摩擦层的发电机， 参见图 15， 如果构 成第一摩擦 101 (或者第二摩擦层 201 ) 的多个扇形摩擦单元之间不连 通， 并且其对应的第一电极层 102 (或者第二电极层 202 ) 之间也由多 个电极单元构成并且互相不连通， 则可以在第一转盘上对称的设置两个 撞针 301和 3011，这样使两个撞针能够同时分别与两个对撞针碰撞接触。 这样结构的发电机可以看做是两个发电机单元并联形成的发电机。 对于 摩擦层由更多个互相不连通的摩擦单元构成的发电机， 同样的， 可以在 第一转盘的边缘对称的设置与构成第一摩擦层的摩擦单元个数相等的 撞针， 以及在第二转盘的边缘对称的设置两倍于撞针个数的对撞针。
本发明的其他实施例中， 第一摩擦层 101或者第二摩擦层 201的绝 缘材料可以由导电材料替代， 因此， 可以相应的将第一摩擦层 101或第 二摩擦层 201替代第一电极层 102或第二电极层 202。 这里的导电材料 可以采用第一电极层或第二电极层的导电材料， 在此不再复述。 这样的 摩擦层材料选择， 能够简化发电机的结构。
本发明中， 第一转盘 103和第二转盘 203可以采用导电或者非导电 材料制备， 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。所述第一转盘为导电材料可以替代所述第一电极层； 和 /或， 所述第 二转盘为导电材料可以替代所述第二电极层。 这样的材料选择， 能够简 化发电机的结构。
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， 即可应用在转动机械能和电 能之间的转化， 具有广泛的实际用途。
相应的， 本发明还提供一种发电方法， 包括歩骤：
提供上表面接触设置第一电极层的第一摩擦层， 提供下表面接触设 置第二电极层的第二摩擦层；
所述第一摩擦层的下表面与所述第二摩擦层的上表面接触； 第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面滑动摩擦并且接触面 积发生变化后， 第一电极层与第二电极层导通， 在第一电极层与第二电 极层之间向外输出第一脉冲电信号后第一电极层与第二电极层断开； 第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面继续相对滑动， 直至第 一电极层与第二电极层再次导通， 在第一电极层与第二电极层之间向外 输出第二脉冲电信号后第一电极层与第二电极层再次断开；
重复上述第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面相对滑动的 歩骤。
所述发电方法中， 使用的第一摩擦层、 第一电极层、 第二摩擦层和 第二电极层的材料和结构与本发明前述的基于滑动摩擦的脉冲发电机 中的相应部分相同， 发电原理与前述发电机的发电原理也相同， 在这里 不在复述。 第一摩擦层与第二摩擦层接触和分离过程中形成的第一脉冲 电信号与第二脉冲电信号为反向脉冲信号。 第一电极层与第二电极层之 间的导通可以通过开关来实现， 可以在第一电极层与第二电极层之间连 接需要供电的负载实现发电方法的向外输出电信号。
在以上所有实施例中， 都可以通过对摩擦层表面进行微米、 纳米尺 度的结构加工、 材料修饰以提高两个摩擦层之间的接触面积。 下面以图
7所示的发电机为例， 说明发电机的制备过程及表面修饰过程。 首先， 以有机玻璃 PMMA为材料， 通过激光切割的方法加工第一 转盘 103， 第二转盘 203。 然后利用磁控溅射的方法在第一转盘 103的 下表面和第二转盘 203的上表面蒸镀 100纳米的 Au作为第一电极层 102 和第二电极层 202。 将第一电极层放入含有 Si02纳米颗粒的溶液中， 利 用自组装的方法在第一电极层 102的下表面组装一层 SK32纳米颗粒作为 第一摩擦层 101。 图 16是第一摩擦层 101的 SiC 纳米颗粒的电子扫描 显微镜（SEM)图片， 如图所示， Si02纳米颗粒排列整齐， 尺寸约为 240 纳米。 在第二电极层 202的上表面利用旋转涂膜的方法制备聚二甲基硅 氧垸 （PDMS) 薄膜作为第二摩擦层 203。 在第一转盘上固定撞针并将 其通过导线与第一电极层连接， 在第二转盘上对称的固定 4个对撞针并 与第二电极层通过导线连接。
当发电机的第一转盘和第二转盘发生同轴转动时， 带动第一摩擦层 与第二摩擦层互相滑动摩擦， 撞针与对撞针碰撞接触时， 第一电极层与 第二电极层之间可以输出交流脉冲信号。 下面以上述制备的发电机的器 件为例， 展示发电机的输出特性。 图 17 是发电机的开路电压特性， 表 明开路电压大约 115 V。 图 18是负载 22 ΜΩ时发电机在不同转速下的 输出电流曲线。 曲线表明， 在转速分别为 10 rpm (转每分钟)、 50 rpm, 100 rmp、 200 rmp和 400 rpm时， 发电机的输出电流保持在 6 μΑ左右， 不随发电机的转速变化而变化。图 19是发电机在负载 500 Ω,转速 1600 rpm时经全波整流桥整流后的输出电流曲线。曲线表明，发电机在 500 Ω 时的瞬时输出电流和输出功率分别是 0.26 A和 33.8 W,脉冲输出频率达 到 167.7 Hz，对应的输出电流密度和输出功率密度分别是 104 A/m2和 1.4 X 104 W/m2。这表明了这种基于滑动摩擦的脉冲发电机具有输出大电流、 大功率、 高频率的脉冲信号的优异特性。
本发明各实施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。
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

权利要求
1、 一种基于滑动摩擦的脉冲发电机， 其特征在于， 包括： 第一摩擦层； 所述第一摩擦层上表面接触设置的第一电极层； 第二摩擦层； 所述第二摩擦层下表面接触设置的第二电极层； 所述 第一摩擦层的下表面与所述第二摩擦层的上表面相对放置；
接触式开关， 所述接触式开关包括撞针和距离固定的多个对撞针， 其中， 所述撞针与所述第一电极层连通， 并且能够跟随所述第一电极层 运动； 所有所述对撞针都与所述第二电极层连通， 并且能够跟随所述第 二电极层运动； 当所述撞针与任何一个所述对撞针接触时， 所述接触式 开关闭合；
所述第一摩擦层的上表面和所述第二摩擦层的下表面在外力的作 用下发生相对滑动摩擦、 同时摩擦面积发生变化， 带动所述撞针与所述 对撞针接触时， 所述第一电极层和第二电极层之间输出脉冲电信号。
2、 根据权利要求 1 所述的发电机， 其特征在于， 在所述外力作用 下所述第一摩擦层相对于所述第二摩擦层的滑动方向沿着接触面的切 向滑动。
3、 根据权利要求 2所述的发电机， 其特征在于， 在所述滑动方向 上所述第一摩擦层下表面与所述第二摩擦层上表面能够接触并且产生 摩擦的最大滑动距离不小于所述撞针依次与两个所述对撞针接触时所 述撞针移动的距离。
4、根据权利要求 1-3任一项所述的发电机， 其特征在于， 一个所述 撞针固定在所述第一电极层上； 多个所述对撞针固定在所述第二电极层 上。
5、 根据权利要求 1 所述的发电机， 其特征在于， 在所述外力作用 下所述第一摩擦层相对于所述第二摩擦层转动。
6、 根据权利要求 5所述的发电机， 其特征在于， 所述第一摩擦层 的下表面与所述第二摩擦层的上表面接触面积最大和最小时， 所述撞针 分别与一个所述对撞针接触。
7、 根据权利要求 5或 6所述的发电机， 其特征在于， 所述第一摩 擦层的下表面为扇形； 和 /或， 所述第二摩擦层的上表面为扇形， 并且所 述第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面面积和形状均相同。
8、 根据权利要求 7所述的发电机， 其特征在于， 所述第一扇形和 / 或第二扇形的圆心角不大于 180度。
9、 根据权利要求 5或 6所述的发电机， 其特征在于， 所述第一摩 擦层的下表面和 /或第二摩擦层的上表面由多个由空白区域间隔的扇形 摩擦单元组成。
10、 根据权利要求 9所述的发电机， 其特征在于， 组成所述第一摩 擦层下表面和 /或第二摩擦层的上表面的多个扇形摩擦单元的圆心角相 同且通过共用顶点互相连通； 所述多个扇形摩擦单元与所述空白区域在 一个平面或曲面内交替均匀分布。
11、 根据权利要求 9或 10所述的发电机， 其特征在于， 在所述第 一电极层上还包括第一转盘， 所述接触式开关的撞针固定在所述第一转 盘的边缘， 使所述撞针在所述第一转盘上的位置与第一摩擦层一个扇形 弧边的中间位置对应。
12、 根据权利要求 9、 10或 11所述的发电机， 其特征在于， 在所 述第二电极层下还包括第二转盘， 所述接触式开关的多个对撞针对称的 固定在所述第二转盘的边缘， 其中， 多个对撞针中一半固定在第二转盘 上的位置与第二摩擦层两个扇形弧边的中间位置对应。
13、 根据权利要求 12所述的发电机， 其特征在于， 所述第一转盘 和所述第二转盘能够同轴转动， 在所述第一转盘与第二转盘上设置有相 同个数、 相同形状、 相同尺寸的所述扇形摩擦单元。
14、 根据权利要求 13 所述的发电机， 其特征在于， 所述接触式开 关中包括的对撞针的个数两倍于构成第一摩擦层的摩擦单元的个数。
15、 根据权利要求 13或 14所述的发电机， 其特征在于， 构成所述 第一摩擦层的多个摩擦单元相应的第一电极层互相不连通， 所述接触式 开关中包括所述撞针的个数等于构成所述第一摩擦层的摩擦单元的个 数。
16、根据权利要求 1-15任一项所述的发电机， 其特征在于， 所述第 一摩擦层和所述第二摩擦层的材料之间存在摩擦电极序差异。
17、根据权利要求 1-16任一项所述的发电机， 其特征在于， 所述第 一摩擦层和所述第二摩擦层为绝缘材料， 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等。
18、 根据权利要求 17 所述的发电机， 其特征在于， 所述第一摩擦 层或第二摩擦层的绝缘材料可由金属或半导体材料替换； 所述金属材料 选自金、 银、 铂、 铝、 镍、 铜、 钛、 铬或硒， 以及由上述金属形成的合 金； 所述半导体材料选自 Sn02， ZnO， Ti02， ln203， ZnS, ZnSe, ZnTe, GaN, Se， CdS， CdSe, CdTe, Si, Ge， PbS , InGaAs, PbSe, InSb、 PbTe, HgCdTe, PbSn, HgS, HgSe, HgTe。
19、根据权利要求 1-18任一项所述的发电机， 其特征在于， 所述第 一摩擦层的下表面和 /或所述第二摩擦层的上表面的全部或部分表面具 有纳米或微米尺度的结构修饰或者纳米材料的点缀或涂层， 其中， 所述 纳米或微米尺度的结构选自纳米线、 纳米棒、 纳米管、 纳米锥、 纳米颗 粒、 纳米沟槽、 微米线、 微米棒、 微米管、 微米锥、 微米颗粒和微米沟 槽。
20、根据权利要求 1-19任一项所述的发电机， 其特征在于， 所述第 一电极层或第二电极层的材料选自金属或合金；其中，所述金属选自金、 银、 铂、 铝、 镍、 铜、 钛、 铬或硒； 所述合金选自金、 银、 铂、 铝、 镍、 铜、 钛、 铬或硒形成的合金、 不锈钢。
21、根据权利要求 1-20任一项所述的发电机， 其特征在于， 所述第 一摩擦层下表面与所述第二摩擦层上表面形状相同或互补， 使得在转动 时， 所述第一摩擦层下表面与所述第二摩擦层上表面完全接触。
22、根据权利要求 1-21任一项所述的发电机， 其特征在于， 所述接 触式开关的撞针和对撞针的材料选自金属或合金；所述金属选自金、银、 铂、 铝、 镍、 铜、 钛、 铬或硒； 所述合金选自金、 银、 铂、 铝、 镍、 铜、 钛、 铬或硒形成的合金、 不锈钢。
23、根据权利要求 1-22任一项所述的发电机， 其特征在于， 所述撞 针和 /或对撞针为弹性的导电材料。
24、 根据权利要求 11、 12或 13所述的发电机， 其特征在于， 所述 第一转盘为导电材料， 所述第一转盘替代所述第一电极层；
和 /或， 所述第二转盘为导电材料， 所述第二转盘替代所述第二电极 层。
25、根据权利要求 1-24任一项所述的发电机， 其特征在于， 所述第 一摩擦层、第二摩擦层、第一电极层和 /或第二电极层为柔性或弹性材料。
26、 一种发电方法， 其特征在于， 包括歩骤：
提供上表面接触设置第一电极层的第一摩擦层， 提供下表面接触设 置第二电极层的第二摩擦层；
所述第一摩擦层的下表面与所述第二摩擦层的上表面接触； 第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面滑动摩擦并且接触面 积发生变化后， 第一电极层与第二电极层导通， 在第一电极层与第二电 极层之间向外输出第一脉冲电信号后第一电极层与第二电极层断开； 第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面继续相对滑动， 直至第 一电极层与第二电极层再次导通， 在第一电极层与第二电极层之间向外 输出第二脉冲电信号后第一电极层与第二电极层再次断开；
重复上述第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面相对滑动的 歩骤。
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