一种滑动摩擦纳米发电机组和发电装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种滑动摩擦纳米发电机组，包括多个发电机单元，每个发电机单元包括：第一导电元件、第一导电元件下方接触放置的第一摩擦元件、第一摩擦元件的下表面至少部分接触放置的第二摩擦元件、第二摩擦元件下方接触放置的第二导电元件；其中，所有发电机单元的第一导电元件互相电连接形成第一导电部件，所有发电机单元的第二导电元件互相电连接形成第二导电部件，施加的外力使多个发电机单元的第一摩擦元件和第二摩擦元件发生相对滑动，并且导致接触面积发生变化时，能够通过第一导电部件和第二导电部件向外电路输出电信号。对该发电机组施加周期性的外力时，可以在第一导电部件和第二导电部件之间形成交流脉冲信号输出。
【专利说明】—种滑动摩擦纳米发电机组和发电装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种发电机组，特别涉及将施加外力的机械能转化为电能的摩擦纳米发电机组。
【背景技术】
[0002]在微电子和材料技术高速发展的今日，大量新型具有多种功能和高度集成化的微型电子器件不断被开发出来，并在人们日常生活的各个领域展现出前所未有的应用前景。然而，和这些微型电子器件所匹配的电源系统的研究却相对滞后，一般说来，这些微型电子器件的电源都是直接或者间接来自于电池。电池不仅体积较大、质量较重，而且含有的有毒化学物质对环境和人体存在潜在的危害。因此，开发出能将运动、振动等自然存在的机械能转化为电能的技术具有极其重要的意义。
[0003]但是，目前能将上述机械能有效地转化为电能的发电机均是以电磁感应为基础的，由水轮机、汽轮机、柴油机或其它动力机械驱动，将水流，气流，燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转化为机械能传给发电机，再由发电机转换为电能加以利用。这些发电机都需要相对集中、大强度的能量输入，而对于人们日常活动中产生的以及自然界存在的强度较小的动能，基本都无法将其有效的转化为电能。同时，传统发电机的体积较大、结构复杂，根本不能作为微型电子器件的供电元件使用。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种能够将施加外力的机械能转化为电能的滑动摩擦纳米发电机组。
[0005]为实现上述目的，本发明提供一种滑动摩擦纳米发电机组，包括多个发电机单元，所述发电机单元自上向下依次包括:
[0006]第一导电元件；
[0007]所述第一导电元件下方接触放置的第一摩擦元件；
[0008]与所述第一摩擦元件的下表面至少部分接触放置的第二摩擦元件；
[0009]所述第二摩擦元件下方接触放置的第二导电元件；
[0010]所有发电机单元的第一导电元件互相电连接形成第一导电部件；所有发电机单元的第二导电元件互相电连接形成第二导电部件；
[0011]施加的外力使多个所述发电机单元的第一摩擦元件的下表面和所述第二摩擦元件的上表面发生相对滑动摩擦、并且导致接触面积发生变化时，能够通过所述第一导电部件和第二导电部件向外电路输出电信号。
[0012]优选的，所述第一摩擦元件的上表面材料和所述第二摩擦元件的下表面材料之间存在摩擦电极序差异。
[0013]优选的，多个所述发电机单元的第一导电元件的边缘或顶角互相拼接形成存在镂空的网格状第一导电部件；和/或，多个所述发电机单元的第二导电元件的边缘或顶角互相拼接形成存在镂空的网格状第二导电部件。
[0014]优选的，所述网格状第一导电部件和/或第二导电部件的网格的格子形状选自等边三角形、正方形、长方形、等边五边形、等边六边形、圆形和不规则多边形。
[0015]优选的，所述网格状第一导电部件的网格中的格子为四边形，其中，任意两个拼接在一起的所述第一导电元件通过各自的一个顶角互相拼接；和/或，所述网格状第二导电部件的网格中的格子图形为四边形，其中，任意两个拼接在一起的所述第二导电元件通过各自的一个顶角互相拼接。
[0016]优选的，所述多个发电机单元的第一摩擦元件采用与所述第一导电部件相同或相似的图形排列；和/或，所述多个发电机单元的第二摩擦元件采用与第二导电部件相同或相似的图形排列。
[0017]优选的，多个所述发电机单兀的第一导电兀件按照阵列方式排列，相邻第一导电元件之间通过导电互连相互电连接形成阵列型第一导电部件；和/或，多个所述发电机单元的第二导电元件按照阵列方式排列，相邻第二导电元件之间通过导电互连相互电连接形成阵列型第二导电部件。
[0018]优选的，所述第一导电元件和/或第二导电元件为长条形导电元件。
[0019]优选的，所述所有发电机单元的第一导电元件沿着长度方向平行排列形成所述阵列型第一导电部件，相邻所述第一导电元件之间通过至少一个导电互连连接；和/或，所述所有发电机单元的第二导电元件沿着长度方向平行排列形成所述阵列型第二导电部件，相邻所述第二导电元件之间通过至少一个导电互连连接。
[0020]优选的，所述多个发电机单元的第一摩擦元件采用与所述第一导电部件相同或相似的阵列排列方式排列；和/或，所述多个发电机单元的第二摩擦元件采用与第二导电部件相同或相似的阵列排列方式排列。
[0021]优选的，所述所有发电机单元的第一摩擦元件的下表面在同一平面；和/或，第二摩擦元件的上表面在同一平面。
[0022]优选的，所述所有发电机单元的第一摩擦元件的上表面在同一平面；和/或所述所有发电机单元的第二摩擦元件的下表面在同一平面。
[0023]优选的，所述所有发电机单元的第一导电元件的上表面在同一平面；和/或，所述所有发电机单元的第二导电元件的下表面在同一平面。
[0024]优选的，相邻的发电机单元的第一摩擦元件之间还填充有第一介质层；和/或，相邻的发电机单元的第二摩擦元件之间还填充有第二介质层；
[0025]其中，所述第一介质层的下表面或第二介质层的上表面的位置不影响所述相邻的发电机单元在外力作用下第一摩擦元件与第二摩擦元件的相对滑动。
[0026]优选的，所述所有发电机单元的第一摩擦元件组成的图形与第一介质层图形形成互补图形；和/或，所述所有发电机单元的第二摩擦元件组成的图形与第二介质层图形形成互补图形。
[0027]优选的，所述第一介质层和/或第二介质层的材料选自摩擦电极序介于构成发电机单元的第一摩擦元件和第二摩擦元件材料电极序之间的材料。
[0028]优选的，所述第一摩擦元件的下表面和/或第二摩擦元件的上表面为绝缘材料或半导体材料。[0029]优选的，所述绝缘材料选自聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、苯胺甲醛树月旨、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纤维、聚甲基，甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-Co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸盐，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、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、聚丙烯或聚氯乙烯。
[0030]优选的，所述的半导体材料选自硅、锗、第III和第V族化合物、第II和第VI族化合物、由II1- V族化合物和I1-VI族化合物组成的固溶体、非晶态的玻璃半导体和有机半导体。
[0031]优选的，所述第一摩擦元件和/或第二摩擦元件为非导电氧化物、半导体氧化物或复杂氧化物，包括氧化娃、氧化招，氧化猛、氧化铬、氧化铁、氧化钛、氧化铜、氧化锌、BiO2或m。
[0032]优选的，所述第一摩擦元件或第二摩擦元件采用金属材料、导电氧化物材料或导电高分子材料，所述金属包括金、银、钼、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金。
[0033]优选的，所述第一摩擦元件下表面和/或第二摩擦元件的上表面分布有微米或次微米量级的微结构。
[0034]优选的，所述微结构选自纳米线，纳米管，纳米颗粒，纳米沟槽、微米沟槽，纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构。
[0035]优选的，所述第一摩擦元件的上表面和/或第二摩擦元件的下表面经过化学改性，使得在极性为正的材料表面引入容易失去电子的官能团和/或在极性为负的材料表面引入容易得到电子的官能团。
[0036]优选的，所述容易失去电子的官能团包括氨基、羟基或烷氧基；和/或，容易得到电子的官能团包括酰基、羧基、硝基或磺酸基。
[0037]优选的，所述第一摩擦元件下表面和/或第二摩擦元件的上表面经过化学改性，使得在极性为正的材料表面引入正电荷和/或在极性为负的材料表面引入负电荷。
[0038]优选的，所述发电机单元的第一导电元件、第一摩擦元件、第二摩擦元件和/或第二导电元件为薄膜。
[0039]优选的，所述第一导电部件上表面和/或所述第二导电部件下表面还包括柔性或硬性基板。
[0040]本发明还一个一种滑动摩擦发电装置，包括若干个如上所述的发电机组，所述发电机组之间形成串联和/或并联。
[0041]优选的，多个发动机组为上下堆叠结构，上下相邻两个发动机组之间插入一个隔离层，用于将在上的发动机组的第二导电部件和在下的发动机组的第一导电部件隔离。
[0042]与现有技术相比，本发明具有的有益效果是:
[0043]本发明提供的滑动摩擦纳米发电机组中，将多个发电机单元通过第一导电部件和第二导电部件进行并联，通过设计图形化的第一导电部件和/或第二导电部件可以获得较高的输出功率。
[0044]本发明的发电机组中的发电机单元的层状结构设计无需大规模、高强度的能量输入，仅需输入的机械能能够驱动发电机元件的第一摩擦元件和第二摩擦元件之间的相对滑动，即可使发电机组产生电能。因此可有效收集自然界和人们日常生活中产生的各种强度的机械能，并将其转化为电能，为小型用电器提供电源，是一种使用方便的发电机组。
[0045]在相邻的发电机单元的第一摩擦元件或第二摩擦元件之间填充介质材料，可以在不影响发电机单元工作的前提下有效保护发电机单元的第一摩擦元件或第二摩擦元件。有利于延长发电机组的寿命。
[0046]本发明的发电机组不仅能作为小型功率源，还可以将多个发动机组进行串联或并联形成更高输出功率的发电设备，用于大功率发电。
【专利附图】
【附图说明】
[0047]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。
[0048]图1为滑动摩擦发电机组的结构示意图；
[0049]图2为滑动摩擦发电机组的发电原理示意图；
[0050]图3为网格状导电部件的网格示意图；
[0051]图4为网格状图形中的网格为四边形的网格示意图；
[0052]图5为发滑动摩擦电机组第一实施例的立体结构示意图；
[0053]图6为第一实施例的发电机单元中各部分的平面图形示意图；
[0054]图7为发滑动摩擦电机组第二实施例的立体结构示意图；
[0055]图8为第二实施例的发电机单元中各部分的平面图形示意图；
[0056]图9为发滑动摩擦电机组第三实施例的立体结构示意图；
[0057]图10和11为第三实施例的发电机单元中各部分的平面图形示意图。
【具体实施方式】
[0058]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0059]其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。
[0060]本发明提供一种能够将运动、振动等自然存在的机械能转化为电能的滑动摩擦纳米发电机组，能够为微型电子器件提供匹配的电源。本发明的滑动摩擦纳米发电机组利用了在摩擦电极序中存在极性差异的材料接触时产生表面电荷转移的现象，发电机单元将外力的机械能转化为电能，并且将多个发电机单元进行并联，获得足够的电能输出。
[0061]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，两种材料在相互摩擦的瞬间，在摩擦面上负电荷从摩擦电极序中极性较正的材料表面转移至摩擦电极序中极性较负的材料表面。迄今为止，还没有一种统一的理论能够完整的解释电荷转移的机制，一般认为，这种电荷转移和材料的表面功函数相关，通过电子或者离子在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。
[0062]本发明中所述的“接触电荷”，是指在两种摩擦电极序极性存在差异的材料在接触摩擦并分离后其表面所带有的电荷，一般认为，该电荷只分布在材料的表面，分布最大深度不过约为10纳米。需要说明的是，接触电荷的符号是净电荷的符号，即在带有正接触电荷的材料表面的局部地区可能存在负电荷的聚集区域，但整个表面净电荷的符号为正。
[0063]下面结合附图详细介绍本发明的技术方案。
[0064]本发明的滑动摩擦纳米发电机组，参见图1的滑动摩擦发电机组的结构示意图，包括多个发电机单兀Ml,每个发电机单兀Ml自上向下依次包括:第一导电兀件10、第一导电元件10下方接触放置的第一摩擦元件20、与第一摩擦元件20的下表面至少部分接触放置的第二摩擦元件30、第二摩擦元件30下方接触放置的第二导电元件40 ;所有发电机单元的第一导电兀件10互相电连接形成第一导电部件100 ;所有发电机单兀的第二导电兀件40互相电连接形成第二导电部件200 ;施加的外力使多个发电机单元的第一摩擦元件20和第二摩擦元件30发生相对滑动摩擦、并且导致接触面积发生变化时，能够通过第一导电部件100和第二导电部件200向外电路输出电信号。
[0065]具体地，发电机组中，所有发电机单元的第一导电元件10可以通过导电互连50互相电连接形成第一导电部件100，也可以通过相邻的第一导电元件直接拼接在一起实现电连接；所有发电机单元的第二导电元件40可以通过导电互连60互相电连接形成第二导电部件200，也可以通过相邻的第二导电元件直接拼接在一起实现电连接。
[0066]下面结合图1的滑动摩擦纳米发电机组的结构示意图来描述本发明的发电原理。参见图2，以发电机组中一个发电机单元Ml的发电过程为例，在有外力F使发电机单元Ml的第一摩擦元件20的下表面与第二摩擦元件30的上表面发生相对滑动摩擦时，由于第一摩擦元件20的下表面材料与第二摩擦元件30的上表面材料在摩擦电极序中存在差异，引发表面电荷转移(参见图2 (a))，为了屏蔽由于错位而残留在第一摩擦元件20和第二摩擦元件30中表面电荷所形成的电场，第一导电元件10中的自由电子就会通过外电路流到第二导电元件40上，从而产生一外电流(参见图2(b))。当反方向施加外力F时，第一摩擦元件20或第二摩擦元件30的相对滑动错位消失，两导电元件恢复原状，第二导电元件21中的电子流回第一导电兀件10,从而给出一相反方向的外电流。对于图1中包括多个发电机单元Ml的发电机组，对于重复周期很多的如图1中所示的周期性结构，在外力的作用下，第一导电部件100相对于第二导电部件200滑移的距离是周期结构的一个周期(例如相邻发电机单元之间的距离)，汇集在第一导电部件100的电子将流回第二导电部件。对本发明的滑动摩擦纳米发电机组施加周期性的外力时，可以在第一导电部件和第二导电部件之间形成交流脉冲信号输出。
[0067]本发明的滑动摩擦发电机组中，所有发电机单元的第一导电元件互相电连接形成第一导电部件，所有发电机单元的第二导电元件互相电连接形成第二导电部件，因此，发电机组中多个发电机单元之间为并联，这样的发电机组可以获得高的输出功率。通过设计第一导电部件和/或第二导电部件的图形，施加的外力无论来自哪个方向，发电机组都可以有功率输出。
[0068]本发明中，发电机组的第一导电部件和/或第二导电部件为图形化导电部件，具体的，多个所述发电机单元的第一导电元件的边缘或顶角互相拼接形成存在镂空的网格状第一导电部件；和/或，多个所述发电机单元的第二导电元件的边缘或顶角互相拼接形成存在镂空的网格状第二导电部件。
[0069]这里所述的第一导电部件(或第二导电部件)的网格状图形可以参见图3，多个发电机单元的第一导电元件(或第二导电元件)A1、A2、A3、A4…互相拼接形成存在镂空的网格图形M，每个导电元件Al、A2、A3、At..(图中阴影部分)占据一个网格，网格图形M中存在由多个导电元件的边缘连接形成的镂空区域B (图中无阴影部分)。具体的，多个第一导电元件(或第二导电元件)的边缘或顶角互相拼接形成存在镂空的网格状第一导电部件，例如图3中，导电元件Al的边缘与导电元件A2的边缘互相拼接，导电元件A2的一个顶角与导电元件A4的一个顶角互相拼接，互相拼接的导电元件A1、A2、A3、A4、A5的边缘连接形成镂空区域B。
[0070]本发明中，所述网格的格子形状可以选自等边三角形、正方形、长方形、等边五边形、等边六边形、圆形和不规则多边形等图形。具体为，每个第一导电元件(或第二导电元件)在其占据的网络格子的平面投影为等边三角形、正方形、长方形、等边五边形、等边六边形、圆形和不规则多边形等图形。
[0071]本 发明的发电机组中，只需要保证施加的外力使多个发电机单元的第一摩擦元件和第二摩擦元件同步发生相对滑动即可，每个发电机单元中第一摩擦元件与第二摩擦元件的滑动平面可以不同，并不限定所有发电机单元中第一摩擦元件与第二摩擦元件的滑动平面在同一平面内。优选地，如图1中所示，所有发电机单元的第一摩擦元件的下表面在同一平面；和/或，第二摩擦元件的上表面在同一平面。
[0072]本发明的发电机组中，优选地，如图1中所示，所有发电机单元的第一摩擦元件的上表面在同一平面；和/或，所有发电机单元的第二摩擦元件的下表面在同一平面。
[0073]本发明的发电机组中，优选地，如图1中所示，所有发电机单元的第一导电元件的上表面在同一平面；和/或，所有发电机单元的第二摩擦层的下表面在同一平面。
[0074]优选的，发电机单元的第一摩擦元件的上表面材料和第二摩擦元件的下表面材料之间存在摩擦电极序差异。
[0075]优选的，发电机单元的第一摩擦元件的材料和第二摩擦元件的材料之间存在摩擦电极序差异。
[0076]虽然摩擦起电的现象早已被人们所认识，本领域对能够发生摩擦起电的材料种类也有共识，往往我们知道的是摩擦可以起静电，但是对于利用滑动摩擦进行发电并将其器件化则是本发明首次提出的。通过本发明上面提供的工作原理，本领域的技术人员能够清楚地认识到滑动摩擦纳米发电机的工作方式，从而能够了解构成发电机组的发电机单元中各部件材料的选择原则。以下给出适用本发明中所有技术方案的各部件材料的可选择范围，在实际应用时可以根据实际需要具体选择，从而达到调控发电机组输出性能的目的。
[0077]同一发电机单元Ml中的第一摩擦元件20和第二摩擦元件30分别由具有不同摩擦电特性的材料组成，所述的不同摩擦电特性意味着二者在摩擦电极序中处于不同的位置，从而使得二者在发生摩擦的过程中能够在表面产生接触电荷。常规的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元件20和第二摩擦元件30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，聚二甲基硅氧烷，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从人们参考，但是显然这些具体的材料并不能成为本发明保护范围的限制性因素，因为在发明的启示下，本领域的技术人员根据这些材料所具有的摩擦电特性很容易选择其他类似的材料。
[0078]相对于绝缘体，半导体和金属均具有容易失去电子的摩擦电特性，在摩擦电极序的列表中常位于末尾处。因此，半导体和金属也可以作为制备第一摩擦元件20或第二摩擦元件30的原料。常用的半导体包括硅、锗；第111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II1- V族化合物和I1-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元件或摩擦元件的表面材料，例如锰、铬、铁、铜的氧化物，还包括氧化娃、氧化猛、氧化铬、氧化铁、氧化铜、氧化锌、BiO2和Y2O3 ；第一摩擦元件或第二摩擦元件也可以采用金属材料，常用的金属包括金、银、钼、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元件的材料，例如导电高分子材料、导电氧化物材料铟锡氧化物ITO
坐寸ο
[0079]通过实验发现，当第一摩擦元件20和第二摩擦元件30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，发电机单元输出的电信号越强。所以，可以根据实际需要，选择合适的材料来制备第一摩擦元件20和第二摩擦元件30，以获得更好的输出效果。
[0080]按照得电子能力由弱到强的顺序列出摩擦元件可以采用的部分绝缘材料:苯胺甲醒树脂、聚甲醒1.3-1.4、乙基纤维素、聚酰胺11、聚酰胺6-6、melanimeformol、羊毛及其编织物、蚕丝及其织物、纸、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、钢、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、硫磺、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯(涤纶)、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醒、formo-phenolique (hardened)、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)、聚双酹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、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯。
[0081]还可以对发电机单元的第一摩擦元件20下表面和/或第二摩擦元件30上表面进行物理改性，使其表面分布有微米或次微米量级的微结构阵列，以增加第一摩擦元件20与第二摩擦元件30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。
[0082]还可以对相互接触的第一摩擦元件20和/或第二摩擦元件30的表面进行化学改性，能够进一步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:
[0083]一种方法是对于相互接触的第一摩擦元件20和第二摩擦元件30材料，在极性为正的材料表面引入更易失电子的官能团(即强给电子团)，或者在极性为负的材料表面引入更易得电子的官能团(强吸电子团)，都能够进一步提高电荷在相互滑动时的转移量，从而提高摩擦电荷密度和发电机的输出功率。强给电子团包括:氨基、羟基、烷氧基等；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，从而在基板材料表面引入氨基。
[0084]另外一种方法是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弓I入负电荷。具体可以通过化学键合的方式实现。例如，可以在PDMS薄膜(第一摩擦元件)表面利用水解-缩合(英文简写为sol-gel)的方法修饰上正硅酸乙酯(英文简写为TE0S)，而使其带负电。也可以在金属金薄膜(第二摩擦元件)层上利用金-硫的键结修饰上表面含十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)的金纳米粒子，由于十六烷基三甲基溴化铵为阳离子，故会使整个金属金薄膜变成带正电性。本领域的技术人员可以根据摩擦元件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。
[0085]本发明并不限定第一摩擦元件20和第二摩擦元件30必须是硬质材料，也可以选择柔性材料，因为材料的硬度并不影响二者之间的滑动摩擦效果，本领域的技术人员可以根据实际情况进行选择。第一摩擦元件20和第二摩擦元件30的厚度对本发明的实施没有显著影响，本发明优选摩擦层为薄膜，厚度为100nm-5mm,优选I μ m-2mm,更优选10 μ m-800 μ m,更优选20 μ m-500 μ m,这些厚度对本发明中所有的技术方案都适用。
[0086]第一导电元件10和第二导电元件40作为发电机单元的两个电极，只要具备能够导电的特性即可，可选自金属或导电氧化物，常用的金属包括金、银、钼、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金，更优选金属片、箔片或薄膜，例如铝膜、金膜、铜膜；常用的导电氧化物包括铟锡氧化物ITO和离子掺杂型的半导体。用于连接发电机单元的第一导电元件形成第一导电部件的导电互连可以与第一导电元件的材料相同或不同；用于连接发电机单元的第二导电元件形成第二导电部件的导电互连可以与第二导电元件的材料相同或不同。
[0087]发电机单元Ml的第一导电元件10和第二导电元件40与外电路连接的方式可以是通过导线或金属薄膜与外电路连接。[0088]发电机单元的第一导电元件、第一摩擦元件、第二摩擦元件和/或第二导电元件为薄膜。
[0089]为了保证本实施例中发电机组的机械强度，可以在第一导电部件上表面和/或第二导电部件的下表面接触设置基板。根据发电机组的应用要求，所述的基板可以为柔性或硬性材料，例如塑料板或硅片等。
[0090]实施例一:
[0091]本实施例中，发电机组的存在镂空的网格状第一导电部件和/或存在镂空的网格状第二导电部件的网格的格子形状为四变形，任意两个拼接在一起的所述第一导电元件通过各自的一个顶角互相拼接；和/或，所述网格状第二导电部件的网格中的格子为四边形，其中，任意两个拼接在一起的所述第二导电元件通过各自的一个顶角互相拼接。优选的，这里多个导电元件的边缘连接形成的镂空区域也为四边形。参见图4的网格状第一导电部件(或第二导电部件)N，由四边形的第一导电元件(或第二导电元件)Cl、C2、C3…互相拼接形成，其中，导电元件Cl的一个顶角与导电元件C2的一个顶角拼接在一起，导电元件C2的另一个顶角与导电元件C3的一个顶角拼接在一起，多个导电元件的边缘连接形成的镂空区域D也为四边形。其它元件也以同样的方式拼接在一起。
[0092]本实施例中以发电机单元的第一导电元件和第二导电元件采用相同的图形为例，说明本实施例中发电机组的结构。优选的，多个发电机单元的第一导电元件互相按照棋盘格子图形拼接形成第一导电部件，多个发电机单元的第二导电元件互相按照棋盘格子图形拼接形成第二导电部件。参见图5中的发电机组的立体结构示意图和图6中的发电机单元中各部分的平面图形示意图，其中，每个发电机单元的第一导电元件11占据第一导电部件101棋盘格子图形中的一个格子，任意两个拼接在一起的第一导电元件通过各自的一个顶角互相拼接(参见图6 (a));每个发电机单元的第二导电元件41占据第二导电部件201棋盘格子图形中的一个格子，任意两个拼接在一起的第二导电元件通过各自的一个顶角互相拼接(参见图6( d))。在这样的发电机组中，发电机单元的第一导电元件互相直接电连接形成第一导电部件，不需要另外的导线互连；发电机单元的第二导电元件互相直接电连接形成第二导电部件，不需要另外的导线互连。
[0093]相应与发电机组的第一导电部件101和第二导电部件201，优选的，多个发电机单元的第一摩擦元件21采用与第一导电部件101相同或相似的图形排列，优选的，每个发电机单元的第一摩擦元件21占据棋盘格子图形中的一个格子，任意两个拼接在一起的第一摩擦元件21通过各自的一个顶角互相拼接(参见图6(b))。多个发电机单元的第二摩擦元件31采用与第二导电部件201相同或相似的图形排列，优选的，每个发电机单元的第二摩擦元件31占据棋盘格子图形中的一个格子，任意两个拼接在一起的第二摩擦元件31通过各自的一个顶角互相拼接(参见图6 (C))。
[0094]为了保证本实施例中发电机组的机械强度，可以在第一导电部件上表面和/或第二导电部件的下表面接触设置柔性或硬性基板，优选为绝缘材料或半导体材料，例如塑料板或硅片等。
[0095]本实施例的发电机组，无论施加的外力使发电机单元的第一摩擦元件21与第二摩擦元件31之间向哪个方向滑动，都可以导致第一摩擦元件21与第二摩擦元件31的接触面积发生变化，发电机组的第一导电部件和第二导电部件之间都可以有功率输出。[0096]下面列出一个包括25个发电机单兀的发电机组,其中，发电机单兀的第一导电元件采用厚度为1mm、尺寸为IcmX Icm的金属铜薄片，第一摩擦元件采用厚度为0.2cm、尺寸为IcmXlcm的特富龙(聚四氟乙烯)薄膜，第二摩擦元件采用厚度为0.2cm、尺寸为IcmX Icm的聚乙二醇己二酸酯薄膜,第二导电元件采用厚度为1mm、尺寸为IcmX Icm的金属铝膜。25个发电机单元的25个金属铝薄片(第二导电元件)按照棋盘格子图形(参见图6 (d))排列形成第二导电部件，25个聚乙二醇己二酸酯薄膜(第二摩擦元件)在第二导电部件上按照与第二导电部件相同的图形进行排列，每个聚乙二醇己二酸酯薄膜上放置一个特富龙薄膜(第一摩擦元件)，使每个聚乙二醇己二酸酯薄膜的上表面与特富龙薄膜的下表面至少部分接触，在每个特富龙薄膜上表面放置一个金属铜薄片，使25个金属铜薄片按照与第二导电部件相同的图形排列形成第一导电部件，并且25个金属铜薄片完全覆盖在25个特富龙薄膜的上表面形成滑动摩擦纳米发电机组，其中，25个金属铜薄片按照棋盘格子图形(参见图6 (a))排列形成第一导电部件。金属铜薄片的下表面与特富龙薄膜的上表面之间可以采用导电胶等材料进行粘贴固定；金属铝薄片的上表面与聚乙二醇己二酸酯薄膜的上表面之间可以采用导电胶等材料进行粘贴固定。
[0097]特富龙(聚四氟乙烯)和聚乙二醇己二酸酯在摩擦电极序中分别具有极负和极正的极性，在金属铝薄片和金属铜薄片引出导线后，在平均速率为0.3米/秒在任意平行于特富龙薄膜和聚乙二醇己二酸酯薄膜的滑动平面的方向互相平行摩擦滑动时，发电机组的第一导电部件和第二导电部件之间产生短路电流输出，表明发电机组在外力作用下可以将机械能转变为电信号。
[0098]本实施例中，发电机组的第一导电部件和第二导电部件的网格图形可以不同。
[0099]本实施例中，每个发电机单元的第一导电元件尺寸和/或形状可以完全相同，即棋盘格子图形化的第一导电部件中，并不限定每个棋盘格子的尺寸和形状相同，只要是近似棋盘格子图形的第一导电部件都在本发明的保护范围内。优选的，每个发电机单元的第一导电元件尺寸和形状完全相同。
[0100]相似地，第二导电部件的棋盘格子图形并不限定每个棋盘格子的尺寸和形状相同，只要是近似棋盘格子图形的第二导电部件都在本发明的保护范围内。优选的，每个发电机单元的第二导电元件尺寸和形状完全相同。
[0101]相似地，同一个发电机单元的第一摩擦元件、第二摩擦元件的形状和尺寸也可以不同。不同发电机单元的尺寸和形状也可以不同。
[0102]实施例二:
[0103]本实施例中，发电机组的第一导电部件和/或第二导电部件为网格状导电部件，具体可以为阵列型导电部件。本实施例的发电机组中，多个发电机单元的第一导电元件按照阵列方式排列，相邻第一导电元件之间通过导电互连电连接形成阵列型第一导电部件；和/或，多个发电机单元的第二导电元件按照阵列方式排列，相邻第二导电元件之间通过导电互连电连接形成阵列型第二导电部件。
[0104]阵列型导电部件的形状可以有多种选择，其中，阵列单元(即第一或第二导电元件)占据阵列图形中的形状可以为长方形、正方形、圆形、三角形等，也可以为不规则的图形；阵列单元的排列方式也可以按照长方形、正方形、圆形、三角形等，也可以为不规则图形的方式排列。下面以一个具体的例子说明本实施例发电机组的结构。[0105]以每个发电机单元的第一导电元件和第二导电元件采用相同的形状为例，说明本实施例中发电机组的结构。参见图7 (发电机组的立体结构示意图)和图8 (发电机单元中各部分的平面图形示意图)，发电机组包括多个发电机单元，其中，每个发电机单元的第一导电元件12和第二导电元件42均为长条形元件，多个发电机单元的第一导电元件沿着长度方向平行排列，相邻的第一导电元件12之间通过至少一个导电互连52连接形成发电机组的阵列型第一导电部件102 (参见图8 (a));多个发电机单元的第二导电元件沿着长度方向平行排列，相邻的第二导电元件42之间通过至少一个导电互连62连接形成发电机组的阵列型第二导电部件202 (参见图8 (d))。导电互连52和62可以为导线、导电薄膜或带等。
[0106]相应与发电机组的第一导电部件102和第二导电部件202，优选的，每个发电机单元的第一摩擦元件22均为长条形，多个发电机单元的第一摩擦元件22采用与第一导电部件102相同的图形排列(参见图8 (b))。优选的，每个发电机单元的第二摩擦元件32均为长条形，多个发电机单元的第二摩擦元件32采用与第二导电部件202相同的图形排列(参见图8 (C))。
[0107]发电机组中，第一导电部件102中相邻两个第一导电元件12之间通过两个导电互连52实现电连接，优选的，两个导电互连52连接在靠近第一导电元件两端的位置。优选的，第一导电部件中的导电互连的材料、形状和/或尺寸均相同。第二导电部件202中相邻两个第二导电元件42之间通过两个导电互连62实现电连接，优选的，两个导电互连52连接在靠近第二导电元件两端的位置。优选的，第二导电部件中的导电互连的材料、形状和/或尺寸均相同。
[0108]相应与发电机组的第一导电部件102和第二导电部件202，多个发电机单元的第一摩擦元件可以采用与第一导电部件102相同或相似的图形排列。优选的，多个发电机单元的第一摩擦元件22为上表面与第一导电元件12的下表面形状和尺寸相同的长条形元件，米用与第一导电部件102相同或相似的阵列排列方式排列(参见图8(b))。多个发电机单元的第二摩擦元件可以采用与第二导电部件202相同或相似的图形排列。优选的，多个发电机单元的第二摩擦元件31为下表面与第二导电元件42的上表面形状和尺寸相同的长条形元件，采用与第二导电部件201相同或相似的阵列排列方式排列(参见图8 (C))。
[0109]为了保证本发电机组的机械强度，可以在第一导电部件上表面和/或第二导电部件的下表面接触设置基板，优选为绝缘材料或半导体材料，例如塑料板或硅片等。
[0110]本实施例的发电机组,施加的外力方向优选为垂直与第一导电兀件长度方向，使发电机单元的第一摩擦元件22与第二摩擦元件32之间进行滑动，并且导致接触面积发生变化时，发电机组的第一导电部件和第二导电部件之间有最大功率输出。
[0111]下面列出一个包括5个发电机单元的发电机组，其中，发电机单元的第一导电元件采用厚度为1mm、尺寸为lcmX5cm的金属铜薄片，第一摩擦元件采用厚度为1mm、尺寸为lcmX5cm的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜，第二摩擦元件采用厚度为0.5mm、尺寸为IcmX5cm的娃片,第二导电元件采用厚度为1mm、尺寸为lcmX5cm的金属招膜。5个发电机单元的5个金属铝薄片(第二导电元件)按照长度方向平行排列(参见图6 (d))，相邻的金属招薄片之间通过两个厚度为1_、尺寸为IcmX 2mm金属带(导电互连)连接形成第二导电部件。5个发电机单元的5个金属铜薄片(第一导电元件)按照长度方向平行排列(参见图6 (a)),相邻的金属铜薄片之间通过两个金属厚度为1mm、尺寸为IcmX 2mm金属带(导电互连)连接形成第一导电部件。在PDMS薄膜的表面上采用电感耦合等离子体刻蚀方法制备纳米棒阵列，具体步骤为:在PDMS薄膜表面用溅射仪沉积约10纳米厚的金，之后，将PDMS薄膜放入电感耦合等离子体刻蚀机中，对沉积有金的表面进行刻蚀，通入02、Ar和CF4气体，流量分别控制在lOsccm、15sccm和30sccm,压强控制在15mTorr,工作温度控制在55°C,用400瓦的功率来产生等离子体，100瓦的功率来加速等离子体，进行约5分钟的刻蚀，得到基本垂直于PDMS薄膜表面的长度约为1.5微米的PDMS纳米棒阵列。在硅片表面制备微米或次微米结构的微结构阵列，具体步骤为:在硅片表面旋转涂覆一层光刻胶，利用光刻的方法在光刻胶上形成边长在微米或次微米量级的正方形窗口阵列；将光刻完成后的基板经过热氢氧化钾的化学刻蚀，在窗口处形成金字塔形的凹陷结构阵列。将5个制备有纳米线的PDMS薄膜表面向上对应放置在第一导电部件的5个第二导电元件上，然后将5个制备有微结构阵列的硅片表面向下对应放置在5个PDMS薄膜上，最后使第一导电部件的5个第一导电元件与5个硅片对应将第一导电部件放置在器件上形成滑动摩擦纳米发电机组。
[0112]第一摩擦元件采用下表面制备有纳米棒阵列的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜，第二摩擦元件采用上表面制备有微结构阵列的硅片，当外力作用在发电机组使相互接触的硅片与PDMS薄膜两种材料在外力作用下发生相对滑动时，由于PDMS具有较好的弹性，其能够进入并填充硅片表面的凹陷结构，较平坦表面接触增大了接触面积。
[0113]金属铜薄片的下表面与PDMS薄膜的上表面之间可以采用导电胶等材料进行粘贴固定；金属铝薄片的上表面与硅片的下表面之间可以采用导电胶等材料进行粘贴固定。
[0114]为了保证本发电机组的机械强度，可以在第一导电部件上表面和/或第二导电部件的下表面接触设置柔性或硬性基板，优选为绝缘材料或半导体材料，例如塑料板或硅片
坐寸ο
[0115]硅片和PDMS薄膜在摩擦电极序中具有不同的摩擦电极序，在金属铝薄片和金属铜薄片引出导线后，在垂直与金属铝薄片长度的方向施加外力，使互相接触的硅片和PDMS薄膜在平均速率为0.2米/秒发生滑动摩擦时，发电机组的第一导电部件和第二导电部件之间产生短路电流输出，表明发电机组在外力作用下可以将机械能转变为电信号。
[0116]实施例三:
[0117]本实施例与实施例一或实施例二的区别在于，滑动摩擦纳米发电机组中，相邻的发电机单元的第一摩擦元件之间还填充有第一介质层，和/或相邻的发电机单元的第二摩擦元件之间还填充有第二介质层，其中，第一介质层的下表面或第二介质层的上表面的位置不影响所述相邻的发电机单元在外力作用下第一摩擦元件与第二摩擦元件的相对滑动。
[0118]参见图9，滑动摩擦纳米发电机组包括多个发电机单元N1、N2...，以发电机单元NI为例，发电机单兀自上向下依次包括:第一导电兀件131、第一导电兀件131下方接触放置的第一摩擦元件231、与第一摩擦元件231的下表面至少部分接触放置的第二摩擦元件331、第二摩擦元件331下方接触放置的第二导电元件431 ;所有发电机单元的第一导电元件通过导电互连53互相电连接形成第一导电部件103 ;所有发电机单元的第二导电元件通过导电互连63互相电连接形成第二导电部件203 ;施加的外力使多个发电机单元的第一摩擦元件和第二摩擦元件同步发生相对滑动，并且导致接触面积发生变化时，能够通过第一导电部件103和第二导电部件203向外电路输出电信号。在发电机单元NI的第一摩擦元件231和发电机单元N2的第一摩擦元件232之间填充有第一介质层70，第一介质层70的下表面的位置不影响外力作用下相邻的发电机单元NI和N2中第一摩擦元件与第二摩擦元件的相对滑动。优选的，第一介质层70的厚度不大于第一摩擦元件231的厚度。
[0119]同样，也可以在发电机单元NI的第二摩擦元件331和发电机单元N2的第二摩擦元件332之间填充有第二介质层80，第二介质层80的上表面的位置不影响相邻的发电机单元NI和N2中在外力作用下第一摩擦元件与第二摩擦元件的相对滑动。优选的，第二介质层80的厚度不大于第二摩擦元件的厚度。
[0120]发电机组中也可以同时包括第一介质层和第二介质层，参见图9。第一介质层或第二介质层可以保护发电机单元的第一摩擦元件或第二摩擦元件，特别是摩擦元件的边缘，以保证发电机组中发电机单元的有效摩擦面积和发电机组的输出功率。
[0121]第一介质层和第二介质层的材料可以选择摩擦电极序介于构成发电机单元的第一摩擦元件材料与第二摩擦元件材料的摩擦电极序之间的材料。第一介质层和/或第二介质层的材料可以选为绝缘材料或半导体材料。需要说明的是，第一介质层和第二介质层材料的选择不应限制本实施例的保护范围。
[0122]第一介质层和第二介质层的材料并不必须相同，二者均可从下述范围中选择:聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-Co-丙烯腈)、聚双酚A碳酸酯聚氯醚、聚偏二氯乙烯和聚(2，6- 二甲基聚亚苯基氧化物)。
[0123]显然，如果发电机组在使用的过程中需要液体、气体或真空环境，上述第一介质层和第二介质层也可以是液体或气体，在必要的情况下也可以是真空。需要注意的是，填充介质的材料应该在摩擦过程中不容易发生电荷转移。
[0124]优选的，发电机组中，所有发电机单元的第一摩擦元件组成的图形与第一介质层图形形成互补图形。
[0125]优选的，发电机组中，所有发电机单元的第二摩擦元件组成的图形与第二介质层图形形成互补图形。以每个发电机单元的第一导电元件和第二导电元件采用相同的图形为例说明本实施例中发电机组的结构，图10为发电机单元中各部分的平面图形示意图，发电机组包括多个发电机单元，其中，每个发电机单元的第一导电元件14和第二导电元件44均为长条形元件，多个发电机单元的第一导电元件沿着长度方向平行排列，相邻的第一导电元件14之间通过至少一个导电互连54连接形成发电机组的阵列型第一导电部件104 (参见图10(a));多个发电机单元的第二导电元件44沿着长度方向平行排列，相邻的第二导电元件44之间通过至少一个导电互连64连接形成发电机组的阵列型第二导电部件204 (参见图10 (d))。导电互连54和64可以为导线、导电薄膜或带等。
[0126]相应与发电机组的第一导电部件104和第二导电部件204，优选的，多个发电机单元的第一摩擦元件24为上表面与第一导电元件14的下表面形状和尺寸相同的长条形元件，采用与第一导电部件104相同的阵列排列方式排列形成第一图形，相邻第一摩擦元件之间包括第一介质层71，第一介质层71与多个第一摩擦元件24形成的第一图形为互补图形(参见图10 (b))，即第一介质层也为长条形，并且多个第一介质层按照长度方向平行排列。优选的，多个发电机单元的第二摩擦元件34为下表面与第二导电元件44的上表面形状和尺寸相同的长条形元件，采用与第二导电部件204相同的阵列排列方式排列形成第二图形，相邻第二摩擦元件之间包括第二介质层81，第二介质层81与多个第二摩擦元件34形成的第二图形为互补图形(参见图8(c))，即第二介质层也为长条形，并且按照长度方向平行排列。
[0127]相似的，对于网格状导电部件，以第一导电部件和/或第二导电部件为棋盘格子形状为例，参见图11的发电机单元中各部分的平面图形示意图，每个发电机单元的第一导电元件15占据第一导电部件105棋盘格子图形中的一个格子，任意两个拼接在一起的第一导电元件通过各自的一个顶角互相拼接(参见图11 (a));每个发电机单元的第二导电元件45占据第二导电部件205棋盘格子图形中的一个格子，任意两个拼接在一起的第二导电元件通过各自的一个顶角互相拼接(参见图11 (d))。
[0128]相应与发电机组的第一导电部件105和第二导电部件205，优选的，多个发电机单元的第一摩擦元件25采用与第一导电部件105相同或相似的图形排列，优选的，每个发电机单元的第一摩擦元件25占据棋盘格子图形中的一个格子，任意两个拼接在一起的第一摩擦元件21通过各自的一个顶角互相拼接，未被第一摩擦元件25占据的棋盘格子被第一介质层72填充，第一介质层72与多个第一摩擦元件25形成互补图形(参见图11(b))。多个发电机单元的第二摩擦元件35采用与第二导电部件205相同或相似的图形排列，优选的，每个发电机单元的第二摩擦元件35占据棋盘格子图形中的一个格子，任意两个拼接在一起的第二摩擦元件35通过各自的一个顶角互相拼接，未被第二摩擦元件35占据的棋盘格子被第二介质层82填充，第二介质层82与多个第二摩擦元件35形成互补图形(参见图11(c))。优选的，发电机组中发电机单元的第一导电元件和/或第二导电元件为导电薄膜。导电薄膜的材料可以选自金属或导电氧化物薄膜，优选为采用印刷或喷镀方法制备在摩擦元件表面的薄膜。
[0129]本领域的技术人员能够预测到改变多个发电机组中多个发电机单元的尺寸、形状、排列方式等，以及同一个发电机单元中第一或第二摩擦元件图案的搭配、各部分表面不平整图案的设置、第一介质层和/或第二介质层的图形和材料也是可以根据实际情况进行选择的，因此这些图案设计和变形都在本发明的保护范围之内。
[0130]本发明所有实施例的摩擦纳米发电机的各部分的制备方法可以采用现有的半导体材料制备技术，在这里不做特别说明。
[0131]相应的，本发明还提供一种滑动摩擦发电装置，包括若干个前述实施例所述的发电机组，所述发电机组之间形成串联和/或并联。这样结构的发电装置可以获得比单个发电机组更高的输出功率。
[0132]优选的，多个发动机组为上下堆叠结构，上下相邻两个发动机组之间插入一个隔离层，用于将在上的发动机组的第二导电部件和在下的发动机组的第一导电部件隔离。上下相邻两个发动机组的串联或并联通过导线连接相应的导电部件来实现。所述的隔离层可以为柔性或硬性材料，优选为绝缘材料，例如SiO2、绝缘有机物等材料。
[0133]以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
【权利要求】
1.一种滑动摩擦纳米发电机组，其特征在于，包括多个发电机单元，所述发电机单元自上向下依次包括: 第一导电兀件； 所述第一导电元件下方接触放置的第一摩擦元件； 与所述第一摩擦元件的下表面至少部分接触放置的第二摩擦元件； 所述第二摩擦元件下方接触放置的第二导电元件； 所有发电机单元的第一导电元件互相电连接形成第一导电部件；所有发电机单元的第二导电元件互相电连接形成第二导电部件； 施加的外力使多个所述发电机单元的第一摩擦元件的下表面和所述第二摩擦元件的上表面发生相对滑动摩擦、并且导致接触面积发生变化时，能够通过所述第一导电部件和第二导电部件向外电路输出电信号。
2.根据权利要求1所述的发电机组，其特征在于，所述第一摩擦元件的上表面材料和所述第二摩擦元件的下表面材料之间存在摩擦电极序差异。
3.根据权利要求1或2所述的发电机组，其特征在于，多个所述发电机单元的第一导电元件的边缘或顶角互相拼接形成存在镂空的网格状第一导电部件；和/或 多个所述发电机单元的第二导电元件的边缘或顶角互相拼接形成存在镂空的网格状第二导电部件。
4.根据权利要求3所述的发电机组，其特征在于，所述网格状第一导电部件和/或第二导电部件的网格的格子形状选自等边三角形、正方形、长方形、等边五边形、等边六边形、圆形和不规则多边形。`
5.根据权利要求3所述的发电机组，其特征在于，所述网格状第一导电部件的网格中的格子为四边形，其中，任意两个拼接在一起的所述第一导电元件通过各自的一个顶角互相拼接；和/或 所述网格状第二导电部件的网格中的格子图形为四边形，其中，任意两个拼接在一起的所述第二导电元件通过各自的一个顶角互相拼接。
6.根据权利要求3-5任一项所述的发电机组，其特征在于，所述多个发电机单元的第一摩擦元件采用与所述第一导电部件相同或相似的图形排列；和/或 所述多个发电机单元的第二摩擦元件采用与第二导电部件相同或相似的图形排列。
7.根据权利要求1或2所述的发电机组，其特征在于，多个所述发电机单元的第一导电元件按照阵列方式排列，相邻第一导电元件之间通过导电互连相互电连接形成阵列型第一导电部件；和/或 多个所述发电机单元的第二导电元件按照阵列方式排列，相邻第二导电元件之间通过导电互连相互电连接形成阵列型第二导电部件。
8.根据权利要求7所述的发电机组，其特征在于，所述第一导电元件和/或第二导电元件为长条形导电元件。
9.根据权利要求8所述的发电机组，其特征在于，所述所有发电机单元的第一导电元件沿着长度方向平行排列形成所述阵列型第一导电部件，相邻所述第一导电元件之间通过至少一个导电互连连接；和/或 所述所有发电机单元的第二导电元件沿着长度方向平行排列形成所述阵列型第二导电部件，相邻所述第二导电元件之间通过至少一个导电互连连接。
10.根据权利要求7-9任一项所述的发电机组，其特征在于，所述多个发电机单元的第一摩擦元件采用与所述第一导电部件相同或相似的阵列排列方式排列；和/或 所述多个发电机单元的第二摩擦元件采用与第二导电部件相同或相似的阵列排列方式排列。
11.根据权利要求1-10任一项所述的发电机组，其特征在于，所述所有发电机单元的第一摩擦元件的下表面在同一平面；和/或 第二摩擦元件的上表面在同一平面。
12.根据权利要求11所述的发电机组，其特征在于，所述所有发电机单元的第一摩擦兀件的上表面在同一平面；和/或 所述所有发电机单元的第二摩擦元件的下表面在同一平面。
13.根据权利要求11或12所述的发电机组，其特征在于，所述所有发电机单元的第一导电元件的上表面在同一平面；和/或 所述所有发电机单元的第二导电元件的下表面在同一平面。
14.根据权利要求1-13任一项所述的发电机组，其特征在于，相邻的发电机单元的第一摩擦元件之间还填充有第一介质层；和/或 相邻的发电机单元的第二摩擦元件之间还填充有第二介质层； 其中，所述第一介质层的下表面或第二介质层的上表面的位置不影响所述相邻的发电机单元在外力作用下第一摩擦元件与第二摩擦元件的相对滑动。
15.根据权利要求14所述的发电机组，其特征在于，所述所有发电机单元的第一摩擦元件组成的图形与第一介质层图形形成互补图形；和/或 所述所有发电机单元的第二摩擦元件组成的图形与第二介质层图形形成互补图形。
16.根据权利要求14或15所述的发电机组，其特征在于，所述第一介质层和/或第二介质层的材料选自摩擦电极序介于构成发电机单元的第一摩擦元件和第二摩擦元件材料电极序之间的材料。
17.根据权利要求1-16任一项所述的发电机组，其特征在于，所述第一摩擦元件的下表面和/或第二摩擦元件的上表面为绝缘材料或半导体材料。
18.根据权利要求1-17所述的发电机组，其特征在于，所述绝缘材料选自聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纤维、聚甲基，甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-Co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸盐，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、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、聚丙烯或聚氯乙烯。
19.根据权利要求1-18任一项所述的发电机组，其特征在于，所述的半导体材料选自硅、锗、第III和第V族化合物、第II和第VI族化合物、由II1- V族化合物和I1- VI族化合物组成的固溶体、非晶态的玻璃半导体和有机半导体。
20.根据权利要求1-19任一项所述的发电机组，其特征在于，所述第一摩擦元件和/或第二摩擦元件为非导电氧化物、半导体氧化物或复杂氧化物，包括氧化硅、氧化铝，氧化锰、氧化铬、氧化铁、氧化钛、氧化铜、氧化锌、BiO2或Y2O3。
21.根据权利要求1-20任一项所述的发电机组，其特征在于，所述第一摩擦元件或第二摩擦元件采用金属材料、导电氧化物材料或导电高分子材料，所述金属包括金、银、钼、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金。
22.根据权利要求1-21任一项所述的发电机组，其特征在于，所述第一摩擦元件下表面和/或第二摩擦元件的上表面分布有微米或次微米量级的微结构。
23.根据权利要求22所述的发电机组，其特征在于，所述微结构选自纳米线，纳米管，纳米颗粒，纳米沟槽、微米沟槽，纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构。
24.根据权利要求1-23任一项所述的发电机组，其特征在于，所述第一摩擦元件的上表面和/或第二摩擦元件的下表面经过化学改性，使得在极性为正的材料表面引入容易失去电子的官能团和/或在极性为负的材料表面引入容易得到电子的官能团。
25.根据权利要求24所述的发电机组，其特征在于，所述容易失去电子的官能团包括氨基、羟基或烷氧基；和/或 容易得到电子的官能团包括酰基、羧基、硝基或磺酸基。
26.根据权利要求1-23任一项所述的发电机组，其特征在于，所述第一摩擦元件下表面和/或第二摩擦元件的上表面经过化学改性，使得在极性为正的材料表面引入正电荷和/或在极性为负的材料表面引入负电荷。
27.根据权利要求1`-26任一项所述的发电机组，其特征在于，所述发电机单元的第一导电元件、第一摩擦元件、第二摩擦元件和/或第二导电元件为薄膜。
28.根据权利要求1-27任一项所述的发电机组,其特征在于,所述第一导电部件上表面和/或所述第二导电部件下表面还包括柔性或硬性基板。
29.一种滑动摩擦发电装置，其特征在于，包括若干个如权利要求1-27所述的发电机组，所述发电机组之间形成串联和/或并联。
30.根据权利要求29所述的滑动摩擦发电装置，其特征在于，多个发动机组为上下堆叠结构，上下相邻两个发动机组之间插入一个隔离层，用于将在上的发动机组的第二导电部件和在下的发动机组的第一导电部件隔离。
【文档编号】H02N1/04GK103780123SQ201310042281
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年2月1日 优先权日:2013年2月1日
【发明者】王中林, 朱光 申请人:国家纳米科学中心