一种基于滑动摩擦的脉冲发电机和发电方法
【专利摘要】本发明提供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的第一摩擦层、下表面接触设置第二电极层的第二摩擦层以及接触式开关，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。
【专利说明】一种基于滑动摩擦的脉冲发电机和发电方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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】
[0003]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。
[0004]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:
[0005]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；
[0006]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；
[0007]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；
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。[0014]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。
[0015]优选的，所述第一扇形和/或第二扇形的圆心角不大于180度。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]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。
[0022]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。
[0023]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。
[0024]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、聚四氟乙烯和派瑞林等。
[0025]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、钼、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 SnO2, ZnO, TiO2, In2O3, ZnS, ZnSe, ZnTe, GaN, Se, CdS, CdSe, CdTe, Si, Ge, PbS,InGaAs, PbSe, InSb、PbTe，HgCdTe, PbSn, HgS, HgSe, HgTe0
[0026]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。[0027]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、钼、铝、镍、铜、钛、铬或硒；所述合金选自金、银、钼、铝、镍、铜、钛、铬或硒形成的合金、不锈钢。
[0028]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。
[0029]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、钼、铝、镍、铜、钛、铬或硒；所述合金选自金、银、钼、铝、镍、铜、钛、铬或硒形成的合金、不锈钢。
[0030]优选的，所述撞针和/或对撞针为弹性的导电材料。
[0031]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；
[0032]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。
[0033]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。
[0034]相应的，本发明还提供一种发电方法，包括步骤:
[0035]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；
[0036]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；
[0037]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；
[0038]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；
[0039]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步骤。
[0040]与现有技术相比，本发明具有下列有益效果:
[0041]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。
[0042]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。
[0043]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。
[0044]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。
[0045]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。
【专利附图】
【附图说明】[0046]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。
[0047]图1和图2为本发明发电机的典型结构示意图；
[0048]图3和图4为本发明发电机中接触式开关的连接位置不意图；
[0049]图5为本发明发电机的工作原理不意图；
[0050]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；
[0051]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；
[0052]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；
[0053]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；
[0054]图16为第一摩擦层的SiO2纳米颗粒层的扫描电镜图片；
[0055]图17为发电机的开路电压测量结果；
[0056]图18为发电机在22ΜΩ负载下不同转速时的输出电流曲线；
[0057]图19为本发电机在500 Ω负载下高速旋转时的输出电流曲线。
【具体实施方式】
[0058]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。
[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。
[0060]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。
[0061]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。需要进一步说明是，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。
[0062]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。
[0063]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】。
[0064]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。
[0065]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。
[0066]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。
[0067]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。
[0068]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5b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5d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。[0069]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、钼、铝、镍、铜、钛、铬或硒；所述合金选自金、银、钼、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。
[0070]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。
[0071]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。
[0072]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、BiO2和Y2O3 ;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层材料，例如铟锡氧化物ΙΤ0。
[0073]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。
[0074]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IOnm-1mm,更优选100nm-500 μ m。
[0075]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。
[0076]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:
[0077]—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)，都能够进一步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、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，从而在摩擦层材料表面引入氨基。
[0078]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烷PDMS摩擦层表面利用溶胶-凝胶的方法修饰上正硅酸乙酯(TE0S)，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。
[0079]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。
[0080]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、钼、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、钼、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10nm-5mm,优选为100nm-500 μ m ;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。
[0081]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。
[0082]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。
[0083]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。更进一步的，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。
[0084]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不意图,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。
[0085]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。
[0086]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。
[0087]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。
[0088]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。
[0089]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。
[0090]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。
[0091]相应的，本发明还提供一种发电方法，包括步骤:
[0092]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；
[0093]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；
[0094]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；
[0095]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；
[0096]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步骤。
[0097]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。
[0098]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。
[0099]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SiO2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SiO2纳米颗粒作为第一摩擦层101。图16是第一摩擦层101的SiO2纳米颗粒的电子扫描显微镜(SEM)图片，如图所示，SiO2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烷(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。
[0100]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115V。图18是负载22ΜΩ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IOrpm(转每分钟)、50rpm、100rmp、200rmp和400rpm时，发电机的输出电流保持在6μ A左右，不随发电机的转速变化而变化。图19是发电机在负载500Ω，转速1600rpm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0.26A和33.8W，脉冲输出频率达到167.7Hz，对应的输出电流密度和输出功率密度分别是104A/m2和1.4X 104W/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。
[0101 ] 本发明各实施不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。
[0102] 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。
【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、钼、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SnO2, ZnO, TiO2, In2O3, 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、钼、铝、镍、铜、钛、铬或硒；所述合金选自金、银、钼、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、钼、铝、镍、铜、钛、铬或硒；所述合金选自金、银、钼、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，包括步骤: 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步骤。
【文档编号】H02N1/04GK103780133SQ201310309226
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年7月22日 优先权日:2013年7月22日
【发明者】程纲, 林宗宏, 王中林 申请人:国家纳米科学中心