WO2018228373A1 - 摩擦纳米发电机和摩擦发电方法 - Google Patents

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戴叶瑾
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    • 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 first power generating component includes a first friction layer and a first electrode layer disposed in contact with the first friction layer
  • the second power generating component includes a second friction layer and a second electrode layer disposed in contact with the second friction layer
  • the sealing structure comprises an air outlet for connecting a vacuum device.
  • the material of the ferroelectric layer is a ceramic ferroelectric material or a polymer ferroelectric material.
  • the method of preparing nanostructures or materials on the surface of the friction layer in the prior art provides the performance of the friction nanogenerator, and the friction nanogenerator of the invention also has the advantages of easy implementation and easy scale application.
  • Figure 13 is a schematic view showing the structure of a frictional nanogenerator according to Embodiment 7 of the present invention.
  • the material of the surface that needs the first friction layer and the second friction layer to contact each other has a friction electrode order difference, that is, a difference in the surface electron-acquisition ability, and after the mutual contact separation, the two friction layer surfaces have the same The amount of heterogeneous charge.
  • the materials of the first friction layer and the second friction layer are both dielectric materials, and the dielectric material may be an organic insulator material, such as a perfluoroethylene propylene copolymer, a polytrifluoroethylene, a polyimide, a poly Methyl siloxane and the like.
  • the thickness of the two friction layers may range from 1 ⁇ m to 1 mm.
  • the ferroelectric layer material is made of barium titanate ceramics (BT), and the second friction layer dielectric material is made of polytetrafluoroethylene (PTFE) as a friction layer, both materials are
  • BT barium titanate ceramics
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • both materials are For a wafer having a diameter of 1 cm, PTFE is adhered to the upper surface of the BT, and a metal second electrode Cu is attached to the lower surface, and then fixed on the substrate.
  • the BT has a thickness of 0.5 mm and a PTFE thickness of 0.2 mm.
  • the metal Cu (first electrode) and PTFE fixed on another substrate are frictionally electrified by contact-separation, and the test results are shown in the atmosphere (the left curve in Fig.

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Abstract

一种摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机包括：第一发电部件和第二发电部件，用于互相摩擦或接触分离以产生电能；其中，所述第一发电部件和第二发电部件互相摩擦或接触分离的表面之间为真空。该摩擦纳米发电机能有效防止摩擦起电过程的空气击穿，从而获得高功率密度。

Description

摩擦纳米发电机和摩擦发电方法 技术领域
本发明涉及一种发电机，具体地涉及将施加的机械能转化为电能的摩擦纳米发电机和摩擦发电方法。
背景技术
由于能源危机和环境压力，人们一直致力于研究维持现代社会的巨大能源消耗的同时最小化环境的消耗。从可再生的自然环境中收集能量是一种缓解能源危机的有效方案。2012年王中林院士发明的用于收集环境中普遍存在却常常被浪费掉的机械能的摩擦纳米发电机(TENG)，已经被证实是一个具有深远意义的解决方案。
作为一个能量收集者，摩擦纳米发电机的商业化应用强烈的依赖与它的功率密度，其和表面摩擦电荷密度成二次方关系。因此，人们一直以来致力于通过改善材料、结构优化和表面修饰等方法来提高摩擦电荷的数量。例如，通过电晕放电来人工注入离子被认为是一种直接的方式来提高电荷密度，结果是产生的电荷密度高达240μCm -2，但是长时间的稳定保持仍旧是问题。最近，通过结构和材料的设计与优化，摩擦纳米发电机的输出电荷密度高达250μCm -2。然而，在此之前的研究中可以实现的输出电荷密度都受限于空气击穿现象，并且摩擦电荷密度的极限值与摩擦介质层厚度有关，为了获得高的电荷密度，需要超薄的介质层，从而带来机械强度和稳定性降低等问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在在高电荷密度下的空气击穿问题，提供一种摩擦纳米发电机，该摩擦纳米发电机能破除介质层厚度与摩擦电荷密度的关联，以获得高功率密度。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机包括：
第一发电部件和第二发电部件，用于互相摩擦或接触分离以产生电能；其中，所述第一发电部件和第二发电部件互相摩擦或接触分离的表面之间为真空。
优选的，还包括密封结构，用于在所述第一发电部件和第二发电部件互相摩擦或 接触分离的表面之间提供真空。
优选的，所述密封结构为真空腔，所述第一发电部件和所述第二发电部件置于所述真空腔内。
优选的，所述密封结构为包覆层，用于包覆在所述第一发电部件和第二发电部件互相摩擦或接触分离的表面之间。
优选的，所述真空的真空度范围为10 -2-10 -7托。
优选的，所述摩擦纳米发电机为滑动式摩擦纳米发电机、接触-分离式摩擦纳米发电机、单电极式摩擦纳米发电机、感应式摩擦纳米发电机。
优选的，所述第一发电部件包括第一电极层，所述第二发电部件包括摩擦层，所述第一电极层与所述摩擦层面对面设置并且可以互相摩擦或接触分离。
优选的，所述第一电极层电连接至等电位或者导体，第一电极层与摩擦层互相摩擦或者接触分离过程中，在所述第一电极层与所述等电位或者导体之间产生电信号。
优选的，所述第二发电部件还包括：
第二电极层，所述第二电极层与所述摩擦层接触设置，所述第一电极层与摩擦层互相摩擦或者接触分离过程中，在所述第一电极层与所述第二电极层之间产生电信号。
优选的，所述第一发电部件包括第一摩擦层和与第一摩擦层接触设置的第一电极层，第二发电部件包括第二摩擦层和与第二摩擦层接触设置的第二电极层；
所述第一摩擦层与所述第二摩擦层面对面设置，并且所述第一摩擦层与所述第二摩擦层互相摩擦或接触分离过程中，在所述第一电极层和第二电极层之间产生电信号。
优选的，所述摩擦层为介质层。
优选的，所述介质层的厚度为30nm-1mm。
优选的，所述第一发电部件和/或所述第二发电部件设置有缓冲层；
和/或，
所述第一发电部件和第二发电部件中至少一个为柔性部件。
优选的，所述密封结构为柔性材料。
优选的，所述密封结构包括出气口，所述出气口用于连接真空设备。
优选的，所述第二发电部件还包括：第二铁电层；其中，所述摩擦层置于所述第二铁电层的表面。
优选的，所述第二发电部件还包括：第二铁电层，所述摩擦层置于所述第二铁电层的上表面，所述第二电极置于所述第二铁电层的下表面。
优选的，所述第一发电部件包括还包括第一铁电层，所述第一摩擦层设置在第一铁电层的下表面，所述第一电极层设置在所述第一铁电层的上表面；
所述第二发电部件包括还包括第二铁电层，所述第二摩擦层设置在第二铁电层的上表面，所述第二电极层设置在所述第二铁电层的下表面。
优选的，所述第一发电部件还包括第三电极，其中
所述相互摩擦为所述摩擦层依次与所述第一电极和第三电极相互摩擦；
在所述第一电极与第三电极之间产生电信号。
优选的，所述铁电层的材料为陶瓷铁电材料或聚合物铁电材料。
优选的，所述陶瓷铁电材料为钛酸锶钡或钛酸铅、钛酸锶、钛酸锶钡、钛酸铅或锆钛酸铅，或者掺杂改性后的前述铁电材料；
或者，所述聚合物铁电材料为聚偏氟乙烯或聚偏氟乙烯共聚物，或聚合物与铁电材料的复合物。
优选的，所述铁电层的厚度范围为10μm-2mm。
相应的，本发明还提供一种摩擦发电方法，采用上述任一项所述的摩擦纳米发电机，所述方法包括：
将所述第一发电部件和第二发电部件互相摩擦或接触分离以产生电能，其中，所述第一发电部件和第二发电部件互相摩擦或接触分离的表面之间为真空。
优选的，所述方法还包括：
在所述第一发电部件和第二发电部件互相摩擦或接触分离以产生电能前，对所述第一发电部件和第二发电部件互相摩擦或接触分离的表面之间进行抽真空。
优选的，所述真空的真空度范围为10 -2-10 -7托。
通过上述技术方案，在高真空下能有效防止摩擦起电过程的空气击穿。相对于工作在大气中(1个标准大气压)的摩擦纳米发电机，本发明功率密度可以得到20倍以上的提高。另外，由于在真空之中，本发明的摩擦电荷密度不受摩擦介质层厚度制约，可以采用较厚的摩擦介质层，从而降低成本和提高摩擦纳米发电机的稳定性。更进一步，本发明采用柔性材料，其能够提供柔性接触和碎片化结构，从而增强摩擦纳米发电机的输出性能。
由于铁电层与摩擦层的设置，使置于电场中的铁电材料仍会有剩余的电介质极化，当在摩擦层材料表面通过摩擦适当地进行表面极化，剩余极化就能够增强摩擦层捕捉电荷的能力。本发明通过引入铁电层材料的内置介质极化，提高了摩擦层的摩擦电荷 密度，能够获得更高功率密度的发电机输出。
本实施例采用铁电材料与介电材料(即铁电层与摩擦层)的双层复合结构，以介电材料作为摩擦层、以铁电材料的剩余极化提高介电材料的表面电荷密度。本发明获得的摩擦电荷密度高于单独用介电材料或单独用铁电材料作为摩擦层，进而可以提高摩擦纳米发电机的输出功率。特别是，在真空条件下，可以获得高达1003μCm -2的摩擦电荷密度，远高于现在报道的介质材料PTFE击穿的极限值。
另外，相对于现有技术中在摩擦层表面制备纳米结构或材料的表面修饰等方法提供摩擦纳米发电机的性能，本发明的摩擦纳米发电机还具有容易实现和容易规模化应用的优势。
本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：
图1是根据本发明摩擦纳米发电机的典型结构示意图；
图2是根据本发明一个实施例的摩擦纳米发电机的结构示意图；
图3是根据本发明另一个实施例的摩擦纳米发电机的结构示意图；
图4是根据本发明实施例2的摩擦纳米发电机的结构示意图；
图5a-e是根据本发明实施例2的测试结果；
图6是根据本发明又一个实施例的摩擦纳米发电机的结构示意图；
图7和图8是本发明实施例5的摩擦纳米发电机的结构示意图；
图9示出根据实施例5的摩擦纳米发电机的工作原理；
图10示出根据一个摩擦纳米发电机在大气和真空时的电荷密度；
图11和图12是本发明实施例6的摩擦纳米发电机的结构示意图；以及
图13是本发明实施例7的摩擦纳米发电机的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明提供的摩擦纳米发电机包括第一发电部件和第二发电部件，用于互相摩擦或接触分离以产生电能；其中，所述第一发电部件和第二发电部件互相摩擦或接触分离的表面之间为真空。
现有的所有的结构的摩擦纳米发电机中，只要涉及的发电是在两个能够互相接触分离或者互相滑动摩擦产生电信号的发电机结构，均适用于本发明的摩擦纳米发电机，包括滑动式摩擦纳米发电机、接触-分离式摩擦纳米发电机、单电极式摩擦纳米发电机、感应式摩擦纳米发电机等。本发明首次提出在真空环境下收集机械能转变为电能，能够显著提高能量转换效率。
本发明提供的摩擦纳米发电机包括第一发电部件和第二发电部件，用于互相摩擦或接触分离以产生电能。
本发明与现有摩擦纳米发电机的区别是，首次提出在产生互相摩擦的两个表面中，将摩擦层与铁电层互相结合，由于铁电材料中剩余的电介质极化，在两个摩擦层(或者摩擦层与电极层)相互滑动摩擦或者接触分离摩擦时，能够显著提高摩擦电荷密度。
下面结合附图具体介绍本发明提供的新型摩擦纳米发电机以及发电方法。
摩擦纳米发电机的一种典型结构参见图1，包括第一发电部件A和第二发电部件B，其中，第一发电部件A包括第一摩擦层a1和与第一摩擦层a1接触设置的第一电极层a2，第二发电部件B包括第二摩擦层b1和与第二摩擦层b1接触设置的第二电极层b2。其中，第一摩擦层a1与第二摩擦层b1面对面设置，并且第一摩擦层a1与第二摩擦层b1互相摩擦或接触分离(图中箭头方向所示)过程中，在第一电极层a2和第二电极层b2之间产生电信号。由于两个摩擦层a1和b1材料的表面摩擦电极序存在差异，例如不同种类的有机物，或者导体和绝缘体，互相接触分离或者滑动摩擦过程中，表面带有的电荷互相分离，产生电势差，为了平衡该电势差，在第一电极层a2和第二电极层b2之间存在电荷流动，形成电信号。
一个摩擦层的材料选择导电材料时，可以同时充当摩擦层与电极层，因此可以省略与其接触设置的电极层。如图2中所示，第一发电部件包括第一电极层12(同时充当第一摩擦层)，第二发电部件包括摩擦层13以及与摩擦层13接触设置的第二电极层16，第一电极层12与摩擦层13面对面设置并且可以互相摩擦或接触分离。
将图1中的摩擦纳米发电机整体放置在真空环境中，可以设置密封结构，该密封结构用于为第一发电部件和第二发电部件互相摩擦或接触分离的表面之间提供真空。该密封结构可以为真空腔，如图2中的密封腔11，将第一发电部件和第二发电部件全 部全都设置在密封腔11内。密封结构也可以为包覆层，如图6，用于包覆在第一发电部件和第二发电部件互相摩擦或接触分离的表面之间，例如仅在第一摩擦层和第二摩擦层之间设置包覆层(如第一电极层12和摩擦层13之间设置包覆层31)。对与需要随着摩擦纳米发电机的两个发电部件互相移动而变形的情况，形成密封结构的材料优选为柔性材料，密封结构可以在受到外界机械作用下发生相应的形状改变。密封结构的材料优选为柔性有机物绝缘材料，例如硅胶等。
在单电极结构的摩擦纳米发电机中，第一部件包括第一电极层，第二部件包括摩擦层，第一电极可以直接与地或者导体电连接，第一电极层与摩擦层可相摩擦或者接触分离过程中，在第一电极层与所述等电位或者导体之间产生电信号。
图2是根据本发明一个实施例的摩擦纳米发电机的结构示意图。该摩擦纳米发电机包括真空腔11、第一电极12、摩擦层13、与摩擦层13接触设置的第二电极16。真空腔11是密封结构，用于为摩擦纳米发电机在真空腔内提供真空。第一电极12、摩擦层13和第二电极16置于真空腔11内，第一电极12和摩擦层13在真空腔11所提供的真空环境下互相摩擦产生电能。第一电极12和第二电极16通过导线14连接至负载15，以对负载提供电能。负载15可置于真空腔11的外面或里面。
本发明的摩擦纳米发电机，密封结构可以使完全密封的真空腔，不能与外界连通，也可以设置出气口，在需要时通过真空设备抽真空获得，这样的设计可以拓宽摩擦纳米发电机的应用范围，无论是真空环境下还是普通大气压下均可以使用。图3是根据本发明另一个实施例的摩擦纳米发电机的结构示意图。该摩擦纳米发电机相似于图2的摩擦纳米发电机，但还包括真空腔11(即密封结构)的出气口，用于连接真空设备如真空泵17。真空泵17和出气口连接并对所述真空腔进行抽真空。
本发明通过对包括密封结构的摩擦纳米发电机器件进行抽真空，特别是当真空度达到10 -6torr以上时，可以有效防止摩擦起电过程的空气击穿。本发明中，摩擦纳米发电机的两个发电部件互相接触分离或者滑动摩擦的表面之间真空的真空度范围为10 -2-10 -7托。
实施例1
实施例1使用接触-分离式摩擦纳米发电机，其中，金属铜电极与聚四氟乙烯薄膜直接摩擦、摩擦面积为3cmX3cm，在大气中摩擦的表面电荷密度为46μCm -2，当真空度达到10 -6torr以上时，表面电荷密度达到203μCm -2。在相同的摩擦频率下，最 大输出功率密度由大气中的0.71Wcm -2提升到真空中的14.6Wcm -2。相对于工作在大气中(1个标准大气压)的摩擦纳米发电机，功率密度可以得到20倍以上的提高。
实施例2
在接触-分离式摩擦纳米发电机中，由于第一发电部件和第二发电部件互相接触分离式运动，为了提高发电机的输出，可以将第一发电部件和第二发电部件中至少一个设置为柔性部件，选择柔性材料制备发电部件，使互相接触时提高摩擦接触面积。例如摩擦层和电极层均采用有机物柔性材料。也可以在刚性的第一发电部件或者第二发电部件上单独设置柔性的缓冲层。缓冲层的材料选择柔性材料，例如泡沫棉或者弹性的橡胶等。
实施例2使用改进后的接触-分离式摩擦纳米发电机，其中，在第一发电部件和/或第二发电部件的背面设置柔性材料作为缓冲层以提高摩擦接触效率。图4示出实施例2的摩擦纳米发电机，作为缓冲层的柔性材料22(例如，橡胶)置于下金属铜电极21a(第一发电部件)和下基板24a(例如，丙烯酸板)之间，上金属铜电极21b置于聚四氟乙烯(PTFE)薄膜23和上基板24b之间。下金属铜电极21a和上金属铜电极21b通过导线电连接(图中未示出)。通过下金属铜电极21a和聚四氟乙烯薄膜23的接触-分离以产生电能。由于柔性接触和碎片化结构可以增强摩擦纳米发电机的输出性能，当Cu电极和PTFE发生接触时，橡胶顺应于机械压力，从而提高两者的接触程度。测试结果表明，摩擦纳米发电机在大气中的摩擦电荷密度测量值达到了120μCm -2(如图5a)，这大约是没有软性接触或者碎片化结构的传统TENG的2.4倍。当同样的加缓冲层的摩擦纳米发电机在真空中(P～10 -6torr)工作时，可以避免发生帕邢定律所述的大气击穿，因此摩擦电荷密度也由120μCm -2提升到了660μCm -2(如图5a)。相应地，开路电压也由20V提高到了100V(如图5b)，短路电流的峰值由60mA m -2提高到300mA m -2(如图5c)；在只有2Hz的低频，负载20MΩ条件下，最大输出功率密度也由0.75Wm -2(如图5d)增大到16Wm -2(如图5e)。
实施例3
实施例3使用改进后的接触-分离式摩擦纳米发电机，其中，金属铜电极与聚四氟乙烯薄膜的背面均加上柔性材料以提高摩擦接触效率、摩擦面积为0.8cm 2。当介质层聚四氟乙烯的厚度从200μm增加到600μm时，在大气中的摩擦的表面电荷密度从 120μCm -2降到90μCm -2，而在真空中的电荷密度从660μCm -2略增加到680μCm -2。从上可见，介质层薄膜厚度对摩擦电荷密度是具有很大的影响。当PTFE在大气中的厚度由200μm增加到600μm时，电荷密度由120μCm -2减少到90μCm -2，因为间隙电压会随着薄膜的厚度的增加而增大，也就是说电荷密度越低，间隙电压越大，空气击穿就越容易。至于在真空之中就无需考虑空气击穿，PTFE更厚时，摩擦纳米发电机的摩擦电荷密度实际上会稍微地变高，达到680μCm -2，这是由于更大的接触程度，而且输出功率密度也由大气中的0.4Wm -2提高到20Wm -2，增强了49倍。因此，通过使用高真空提高摩擦纳米发电机的性能是不受绝缘层厚度限制的。
本发明中摩擦电荷密度不受摩擦层厚度制约，可以采用较厚的介质层作为摩擦层材料，从而降低成本和提高摩擦纳米发电机的稳定性。优选的，所述介质层的厚度范围可以为30nm-1mm。
本发明的技术方案也适合于将已有的所有类型的摩擦纳米发电机，实验证实，在真空条件下，摩擦纳米发电机的输出性能均有所提高。
本发明的摩擦纳米发电机能作为一种高效机械能收集器件用于大规模能源，如海浪能，或者，作为一个自驱动电源模块整合器件。
实施例4
本发明还提供一种摩擦发电方法，将上述摩擦纳米发电机的第一发电部件和第二发电部件互相摩擦或接触分离以产生电能，其中，所述第一发电部件和第二发电部件互相摩擦或接触分离的表面之间为真空。
可以在所述第一发电部件和第二发电部件互相摩擦或接触分离以产生电能前，对所述第一发电部件和第二发电部件互相摩擦或接触分离的表面之间进行抽真空；也可以在发电机发电过程中进行抽真空以提供第一发电部件和第二发电部件互相摩擦或接触分离的表面之间的真空。
本实施例中，真空的真空度范围为10 -2-10 -6托。
实施例5
本实施例提供的摩擦纳米发电机的一种典型结构参见图7，包括第二发电部件A和第一发电部件B，其中，第二发电部件A包括第二摩擦层a1、第二铁电层a2和第二电极层a3，其中，第二摩擦层a1置于第二铁电层a2的上表面，第二电极a3置于第 二铁电层的下表面；第一发电部件B包括第一摩擦层b1、第一铁电层b2和第一电极层b3，其中，第一摩擦层b1置于第一铁电层b2的下表面，第一电极b3置于第一铁电层b2的上表面。第一电极b3用于第一发电部件B与第二发电部件A的第二摩擦层a1相互摩擦时，以输出电能。图7中，第一电极b3可以与第二发电部件A的第二电极a3连接，第一部件B和第二部件A的第二摩擦层a1相互摩擦时，在第一电极和第二电极上产生静电势，在第一电极和第二电极之间产生电信号。在第二发电部件A相对于第一发电部件B往复运动过程中，可以在第二电极a3与第一电极b3之间产生交流的电信号输出，实现将机械能转变为电能。
优选的，第一或第二发电部件中，电极、铁电层和摩擦层均可以为薄层结构，互相层叠固定在一起，第一发电部件和第二发电部件各自作为整体相对运动。
对于摩擦纳米发电机中，需要第一摩擦层与第二摩擦层互相接触的表面的材料具有摩擦电极序差异，即表面得失电子能力差异，在互相接触分离后，两个摩擦层表面带有等量的异种电荷。优选的，第一摩擦层和第二摩擦层的材料均为介质材料，所述的介质材料可以为有机物绝缘体材料，例如全氟乙烯丙烯共聚物、聚三氟乙烯、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷等。两个摩擦层的厚度范围可以为1μm-1mm。
第一铁电层、第二铁电层采用铁电材料，可以采用陶瓷铁电材料，比如钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡、钛酸铅或锆钛酸铅等，或者掺杂改性后的前述铁电材料；也可以采用聚合物铁电材料，比如聚偏氟乙烯或聚偏氟乙烯共聚物，或聚合物与铁电材料的复合物等。
第一铁电层、第二铁电层的厚度范围可以为10μm-2mm。这样的厚度能对摩擦层给予一定的机械强度，同时也不会因太厚而影响到电荷感应。
第一电极和第二电极的材料可以为任意的导电材料，如金属、氧化物导体或者有机物导体。
本实施例中，图7所示的结构中，第一部件B和第二部件A的第二摩擦层a1相互摩擦，具体为第一摩擦层b1与第二摩擦层a1的相互摩擦。
由于导体材料与摩擦层的介质材料具有不同的摩擦电极序，因此，相互摩擦时也可以产生表面电荷。参见图8，第一发电部件可以仅包括第一电极层b3，通过第一电极b3与第二摩擦层a1相互摩擦，在第二电极a3与第一电极b3之间产生电信号输出。
需要说明的是本发明中提到的两个发电部件的相互摩擦，并不局限在滑动摩擦，参见图7中箭头所示，可以为两个发电部件互相接触摩擦后分离，也可以为两个发电 部件互相接触滑动产生摩擦，还可以为两个发电部件互相靠近和远离。
由于置于电场中的铁电层仍会有剩余的电介质极化，当在摩擦过程中使摩擦层表面适当地进行表面极化后，与摩擦层层叠设置的铁电层的剩余极化就能够增强其捕捉电荷的能力。为了提高摩擦层的摩擦电荷密度，本实施例通过引入铁电层的内置介质极化来实现表面和电介质的极化耦合来提高摩擦纳米发电机的性能。
本实施例中摩擦纳米发电机的其工作原理如图9所示。摩擦纳米发电机的第一发电部件由Cu电极11组成，第二发电机部件包括粘附于铁电层31上表面的PTFE层21(第二摩擦层)和粘附于铁电层31下表面的第二电极Cu电极12，Cu电极11和Cu电极12之间电连接。当Cu电极11与PTFE层21相接触时，将会在它们的表面产生等量的异种电荷(如图9i所示)。Cu电极11和PTFE层21分离，PTFE层21表面电荷的感应势，或者表面的极化，将会导致在铁电层31的电介质极化，在短路条件下，由此而产生的表面极化也会驱动正电荷从Cu电极11迁移到Cu电极12上(如图9ii所示)，在负载41上产生电流，直到第一发电部件与第二发电部件的距离达到最大达到一个平衡(如图9iii所示)，此时无电流。当Cu电极11再次接近PTFE层21时，减弱的表面极化将会使Cu电极12上的正电荷迁移到Cu电极11(如图9iv所示)，在负载41上产生相反的电流，直到Cu电极11和PTFE层21相接触为止(如图9v所示)。
由于介质滞后，在铁电材料中的极化将不会完全消除，残余的内置介质极化将会起到负电荷陷阱的作用，进而增强了PTFE在接触起电中捕捉电荷的能力。换句话说，来自摩擦起电的表面极化将会诱导内置的铁电层材料的极化，同时后者在随后的接触起电过程中将会增强前者直到达到平衡。表面和电介质的极化耦合将会大大增强摩擦纳米发电机工作过程产生的摩擦电荷的总量。
采用图8结构的一个具体的摩擦纳米发电机中，铁电层材料采用钛酸钡陶瓷(BT)，第二摩擦层介电材料采用聚四氟乙烯(PTFE)作为摩擦层，两种材料都为直径为1cm的圆片，BT的上表面粘贴PTFE，下表面粘贴金属第二电极Cu，然后固定在衬底上。其中BT厚度为0.5mm，PTFE厚度为0.2mm。与固定在另一衬底上的金属Cu(第一电极)与PTFE通过接触-分离方式摩擦起电，在大气环境下测试结果显示(图4中左侧曲线)，输出电荷密度达到142μCm -2，不仅高于分别用PFTE和BT与铜电极摩擦所得的电荷密度120μCm -2和15μCm -2，而且高于后两者的总和，充分体现出了本实施例中两种材料的协同效应。
另外，142μCm -2的电荷密度接近厚度为0.2mm的PTFE膜作为摩擦层的在空气 中的理论极限值。通过雪崩击穿理论可以计算得到，当该PTFE膜的表面电荷密度达到143μCm -2时，将发生空气击穿，导致表面电荷密度被钳制。
为了进一步提高本实施例中摩擦纳米发电机的输出性能，本实施例的摩擦纳米发电机还可以包括密封结构，该密封结构用于在第二发电部件A和第一发电部件B相互摩擦或者接触分离的表面之间提供真空。通过将第二发电部件A和第一发电部件B相互摩擦的表面之间设置为真空，可以提供第二摩擦层与第一摩擦层(或者第一电极)在真空中摩擦时，真空的真空度范围可以为10 -2-10 -7托，特别是当真空度达到10 -5torr以上时，可以有效避免空气击穿。实验证实，其摩擦电荷密度达到1003μCm -2(如图10中右侧曲线所示)，远大于在大气中的电荷密度(142μCm -2)。
本实施例中不对密封结构做特别的限定，可以为任意结构的可以提供真空的结构，例如将第一发电部件和第二发电部件完全包裹的密封结构。上述真空可通过真空箱和抽真空泵实现。
实施例6：
实施例5中第一发电部件的第一电极b3与第二发电部件的第二电极a3电连接，这样的结构中两个电极随着外力作用互相移动，不利于器件的使用。
本实施例中，发电机的典型结构参见图11，包括第二发电部件A和第一发电部件，其中，第二发电部件A包括第二摩擦层a1和第二铁电层a2，其中，第二摩擦层a1置于第二铁电层a2的上表面；第一发电部件包括第一电极层b3。第一电极b3用于第一电极与第二发电部件A的第二摩擦层a1相互摩擦时，输出电能。
本实施例中，第一电极b3可以连接至地或者等电位，也可以连接至其他导体。
参见图12，在其他实施方式中，还可以包括第一摩擦层b1，第一摩擦层b1设置于第一电极b3下表面，第一发电部件与第二摩擦层之间相互摩擦为第二摩擦层a1与第一摩擦层b1相互摩擦。
本实施例的摩擦纳米发电机中，第一发电部件和第二发电部件中的各层的材料与结构可以与实施例5中的相同。同样，也可以在真空条件下进行发电，以提高电荷密度。在这里不进行复述。
本实施例的摩擦纳米发动机的发电原理与实施例5类似，在这里不重复描述。
实施例7：
本实施例中，摩擦纳米发电机的典型结构参见图13，包括第一发电部件和第二发电部件，其中，第二发电部件包括第二摩擦层a1和第二铁电层a2，其中，第二摩擦层 a1置于第二铁电层a2的表面；第一发电部件包括第一电极层b3和第三电极b4。第一电极b3与第三电极电连接，第一发电部件与第二摩擦层之间相互摩擦为第二摩擦层a1依次与第一电极b3和第三电极b4相互摩擦，在第一发电部件与第二发电部件相互摩擦过程中，由于静电感应，电荷在第一电极和第三电极之间流动，产生电信号。
本实施例的摩擦纳米发电机中，第一发电部件和第二发电部件中的各层的材料与结构可以与实施例5中的相同。其中，第三电极可以与第一电极或者第二电极的材料相同。同样，也可以在真空条件下进行发电，以提高电荷密度。在这里不进行复述。
本实施例的摩擦纳米发动机的发电原理与实施例5类似，在这里不重复描述。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (25)

  1. 一种摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦纳米发电机包括：
    第一发电部件和第二发电部件，用于互相摩擦或接触分离以产生电能；其中，所述第一发电部件和第二发电部件互相摩擦或接触分离的表面之间为真空。
  2. 根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，还包括密封结构，用于在所述第一发电部件和第二发电部件互相摩擦或接触分离的表面之间提供真空。
  3. 根据权利要求2所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述密封结构为真空腔，所述第一发电部件和所述第二发电部件置于所述真空腔内。
  4. 根据权利要求2所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，
    所述密封结构为包覆层，用于包覆在所述第一发电部件和第二发电部件互相摩擦或接触分离的表面之间。
  5. 根据权利要求1-4任一项中所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述真空的真空度范围为10 -2-10 -7托。
  6. 根据权利要求1-5任一项中所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦纳米发电机为滑动式摩擦纳米发电机、接触-分离式摩擦纳米发电机、单电极式摩擦纳米发电机、感应式摩擦纳米发电机。
  7. 根据权利要求1-5任一项中所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一发电部件包括第一电极层，所述第二发电部件包括摩擦层，所述第一电极层与所述摩擦层面对面设置并且可以互相摩擦或接触分离。
  8. 根据权利要求7所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一电极层电连接至等电位或者导体，第一电极层与摩擦层互相摩擦或者接触分离过程中，在所述第一电极层与所述等电位或者导体之间产生电信号。
  9. 根据权利要求7所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第二发电部件还包括：
    第二电极层，所述第二电极层与所述摩擦层接触设置，所述第一电极层与摩擦层互相摩擦或者接触分离过程中，在所述第一电极层与所述第二电极层之间产生电信号。
  10. 根据权利要求1-5任一项中所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，
    所述第一发电部件包括第一摩擦层和与第一摩擦层接触设置的第一电极层，第二发电部件包括第二摩擦层和与第二摩擦层接触设置的第二电极层；
    所述第一摩擦层与所述第二摩擦层面对面设置，并且所述第一摩擦层与所述第二摩擦层互相摩擦或接触分离过程中，在所述第一电极层和第二电极层之间产生电信号。
  11. 根据权利要求7-10任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦层为介质层。
  12. 根据权利要求11所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述介质层的厚度为30nm-1mm。
  13. 根据权利要求1-12任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一发电部件和/或所述第二发电部件设置有缓冲层；
    和/或，
    所述第一发电部件和第二发电部件中至少一个为柔性部件。
  14. 根据权利要求2-4任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述密封结构为柔性材料。
  15. 根据权利要求2-4、14任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述密封结构包括出气口，所述出气口用于连接真空设备。
  16. 根据权利要求7或8所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，
    所述第二发电部件还包括：第二铁电层；其中，所述摩擦层置于所述第二铁电层的表面。
  17. 根据权利要求9所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第二发电部件还包括：
    第二铁电层，所述摩擦层置于所述第二铁电层的上表面，所述第二电极置于所述第二铁电层的下表面。
  18. 根据权利要求10所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一发电部件包括还包括第一铁电层，所述第一摩擦层设置在第一铁电层的下表面，所述第一电极层设置在所述第一铁电层的上表面；
    所述第二发电部件包括还包括第二铁电层，所述第二摩擦层设置在第二铁电层的上表面，所述第二电极层设置在所述第二铁电层的下表面。
  19. 根据权利要求16所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一发电部件还包括第三电极，其中
    所述相互摩擦为所述摩擦层依次与所述第一电极和第三电极相互摩擦；
    在所述第一电极与第三电极之间产生电信号。
  20. 根据权利要求16-19任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述铁电层的材料为陶瓷铁电材料或聚合物铁电材料。
  21. 根据权利要求20所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述陶瓷铁电材料为钛酸锶钡或钛酸铅、钛酸锶、钛酸锶钡、钛酸铅或锆钛酸铅，或者掺杂改性后的前述铁电材料；
    或者，所述聚合物铁电材料为聚偏氟乙烯或聚偏氟乙烯共聚物，或聚合物与铁电材料的复合物。
  22. 根据权利要求19-21任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述铁电层的厚度范围为10μm-2mm。
  23. 一种摩擦发电方法，其特征在于，采用权利要求1-22任一项所述的摩擦纳米发电机，所述方法包括：
    将所述第一发电部件和第二发电部件互相摩擦或接触分离以产生电能，其中，所述第一发电部件和第二发电部件互相摩擦或接触分离的表面之间为真空。
  24. 根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
    在所述第一发电部件和第二发电部件互相摩擦或接触分离以产生电能前，对所述第一发电部件和第二发电部件互相摩擦或接触分离的表面之间进行抽真空。
  25. 根据权利要求23或24所述的方法，其特征在于，所述真空的真空度范围为10 -2-10 -7托。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103684035A (zh) * 2012-09-20 2014-03-26 纳米新能源（唐山）有限责任公司 多层高功率纳米摩擦发电机
CN103780122A (zh) * 2013-02-01 2014-05-07 国家纳米科学中心 一种滑动式摩擦纳米发电机组
CN105337527A (zh) * 2014-06-27 2016-02-17 北京纳米能源与系统研究所 表面电荷调制方法及相应的摩擦发电装置、方法
CN105702283A (zh) * 2014-11-27 2016-06-22 北京纳米能源与系统研究所 基于摩擦起电的运动轨迹记忆装置及记忆方法
US20160294305A1 (en) * 2015-04-02 2016-10-06 Research & Business Foundation Sungkyunkwan Univer Sity Triboelectric energy harvester
CN106487270A (zh) * 2015-09-01 2017-03-08 北京纳米能源与系统研究所 表征摩擦纳米发电机的品质因数的方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103684035A (zh) * 2012-09-20 2014-03-26 纳米新能源（唐山）有限责任公司 多层高功率纳米摩擦发电机
CN103780122A (zh) * 2013-02-01 2014-05-07 国家纳米科学中心 一种滑动式摩擦纳米发电机组
CN105337527A (zh) * 2014-06-27 2016-02-17 北京纳米能源与系统研究所 表面电荷调制方法及相应的摩擦发电装置、方法
CN105702283A (zh) * 2014-11-27 2016-06-22 北京纳米能源与系统研究所 基于摩擦起电的运动轨迹记忆装置及记忆方法
US20160294305A1 (en) * 2015-04-02 2016-10-06 Research & Business Foundation Sungkyunkwan Univer Sity Triboelectric energy harvester
CN106487270A (zh) * 2015-09-01 2017-03-08 北京纳米能源与系统研究所 表征摩擦纳米发电机的品质因数的方法

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