表征摩擦纳米发电机的品质因数的方法与流程

本发明涉及发电机领域，特别涉及反映将机械能转化为电能的摩擦纳米发电机输出性能的品质因数的表征方法。

背景技术：

随着可穿戴式电子设备的快速发展，可移动式电源受到越来越多的关注。目前给这些电子器件供电的主要是电池。但是有限的充电寿命、难以避免的环境问题，使得对大量电池的管理和替换成为巨大而不可能的工作。

近年来，摩擦纳米发电机已经被发明，成为一个高效廉价、能够把环境中机械能转化为电能、转化效率高达85％的能量收集技术。作为电池的替代解决方案，可以用摩擦纳米发电机来从环境中获得能量而实现器件的自充电。其中，基于摩擦发电和静电感应耦合的摩擦纳米发电机已经体现出高输出、高能量转化效率、多种可选材料、柔性等优点。

为了提高此发电机的性能，人们已经在提高表面电荷密度和研发新结构上做了许多工作。目前，已经开发了多种基本模式的摩擦纳米发电机，每种模式都有它们自己结构、材料和机械触发条件。但是，由于没有一个共同的标准，如何评价这些发电机的性能成为一个难题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种表征摩擦纳米发电机的品质因数的方法，能够既从结构又从材料两个角度定量的评价和比较不同模式的摩擦纳米发电机的性能。

为实现上述目的，本发明从摩擦纳米发电机的电压V-转移电荷量Q曲线 出发，首次提出了摩擦纳米发电机的最大能量输出循环。基于此循环，提出了发电机的性能品质因数，其中包括一个与发电机设计相关的结构品质因数和一个等于表面电荷密度平方的材料品质因数。为了表征和比较不同结构的摩擦纳米发电机，得出了摩擦纳米发电机的结构品质因数。本发明还提供一种标准方法来表征材料品质因数，采用液态金属较为准确测量了摩擦层材料的表面电荷密度。

本发明提出的表征摩擦纳米发电机性能品质因数的方法为摩擦纳米发电机的进一步应用和工业化奠定了基础。

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1a至图1e为5种结构摩擦纳米发电机的结构示意图；

图2为摩擦纳米发电机的工作原理示意图；

图3为摩擦纳米发电机的外接电阻R为100MΩ的能量输出循环(CEO)；

图4为摩擦纳米发电机连接不同外接电阻R的能量输出循环(CEO)；

图5为摩擦纳米发电机的外接电阻R为100MΩ的最大化能量输出循环(CMEO)；

图6为摩擦纳米发电机连接不同外接电阻R的最大化能量输出循环(CMEO)；

图7a为摩擦纳米发电机连接250MΩ外接电阻的V-Q曲线测试结果；图7b和图7c分别为外接电阻为250MΩ和无穷大的V-Q曲线测试结果；

图8不同结构摩擦纳米发电机相对于相对位移最大值x_max与结构品质因素关系曲线；

图9为不同材料相对于标准材料的摩擦起电表面电荷密度测试结果。

具体实施方式

摩擦纳米发电机的基本原理是摩擦发电和静电感应的耦合。一个基本的发电机具有至少一对相应的摩擦层来通过物理接触产生相反的摩擦电荷。发电机内一般还有两个相互绝缘的电极使得自由电子只能从外电路流过。在外部机械作用力的驱动下，摩擦层之间周期性的相对运动使得静电荷的原有平衡被打破，自由电子会通过外电路来建立新的平衡，形成对外输出。

本发明提供的表征方法适用于所有摩擦纳米发电机，这里仅列出5种结构的摩擦纳米发电机，

五种基本的结构为垂直接触分离模式(CS)、平行滑动模式(LS)、单电极接触结构(SEC)、滑动式摩擦层自由移动结构(SFT)和接触式摩擦层自由移动结构(CFT)。下面参照附图具体介绍每种模式发电机的典型结构：

垂直接触分离模式(CS)摩擦纳米发电机的结构参见图1a，两个相对运动部件中，第一部件包括摩擦层a2和设置在摩擦层a2上的第一电极层a1，第二部件包括第二电极层a3，在第一部件与第二部件互相垂直接触分离相对运动时，第二电极层a3同时充当另一个摩擦层，与摩擦层a2互相接触和分离，摩擦层a2的材料与第二电极层a3的材料不同，第一电极层a1和第二电极层a3为摩擦纳米发电机的输出端，连接外电路可以形成电信号输出。

平行滑动模式(LS)摩擦纳米发电机的结构参见图1b，两个相对运动部件中，第一部件包括摩擦层b2和设置在摩擦层b2上的第一电极层b1，第二部件包括第二电极层b3，在第一部件与第二部件互相平行滑动时，第二电极层b3同时充当另一个摩擦层，与摩擦层b2互相滑动摩擦，摩擦层b2的材料与第二电极层b3的材料不同，第一电极层b1和第二电极层b2为摩擦纳米发电机的输出端，连接外电路可以形成电信号输出。

单电极接触结构(SEC)摩擦纳米发电机的结构参见图1c，两个相对运动部件中，第一部件包括摩擦层c2，第二部件包括第一电极层c1和第二电极层或等电位c3，在摩擦层c2与第二部件的第一电极层c1互相垂直接触分离或者相对滑动运动时，摩擦层c2的材料与第一电极层c1的材料不同，第一电极层c1和第二电极层c3为摩擦纳米发电机的输出端，连接外电路可以形成电信号输出。

滑动式摩擦层自由移动结构(SFT)摩擦纳米发电机的结构参见图1d，两个相对运动部件中，第一部件包括摩擦层d2，第二部件包括互相分隔的第一电极层d1和第二电极层d3，在第一部件与第二部件互相滑动时，摩擦层d2从第一电极层d1滑动到第二电极层d3，第一电极层d1和第二电极层d3充当另一个摩擦层，摩擦层d2的材料与第一电极层d1和第二电极层d3的材料不同，第一电极层d1和第二电极层d2为摩擦纳米发电机的输出端，连接外电路可以形成电信号输出。

接触式摩擦层自由移动结构(CFT)摩擦纳米发电机的结构参见图1e，两个相对运动部件中，第一部件包括摩擦层e2，第二部件包括互相分隔的第一电极层e1和第二电极层e3，摩擦层e2设置在第一电极层e1和第二电极层e3之间，摩擦层e2在两个电极层之间运动分别与两个电极层互相接触分离，第一电极层d1或第二电极层d3充当另一个摩擦层，摩擦层e2的材料与第一电极层e1和第二电极层e3的材料不同，第一电极层e1和第二电极层e3为摩擦纳米发电机的输出端，连接外电路可以形成电信号输出。

滑动式摩擦层自由移动结构(SFT)和接触式摩擦层自由移动结构(CFT)均为摩擦层自由移动模式的摩擦纳米发电机。

摩擦纳米发电机的四种工作模式已经被证实，每种模式有不同的结构设计和材料选择，以适应相应的机械触发条件。因此，为了定量表征和比较不同模式发电机的输出和性能，还需要一个共同的标准。类似的，其它的发电 机已经有了它们各自的标准，例如热机和热释电纳米发电机的卡诺效率，热电材料的ZT因子，以及太阳能电池的能量转化效率等。为了定量评价和比较不同模式摩擦纳米发电机的性能，需要建立一个广泛适用的标准。

本发明提供的表征方法可以应用在任何结构的摩擦纳米发电机中，除了列出的5种结构摩擦纳米发电机，也可以应用在其他结构的摩擦纳米发电机中。

本发明从发电机的电压-转移电荷量曲线出发，确定摩擦纳米发电机的输出能量，首次提出了摩擦纳米发电机的最大能量输出循环。基于此循环，提出了表征摩擦纳米发电机的输出性能的性能品质因数的方法，其中包括一个与发电机设计相关的结构品质因数和一个等于表面电荷密度平方的材料品质因数，该方法是定量的既从结构又从材料两个角度评价摩擦纳米发电机的标准方法。

下面参照附图详细介绍本发明。

本发明提供一种表征摩擦纳米发电机品质因数的标准方法，所述品质因数表征摩擦纳米发电机的输出性能，可以适用于图1a至图1d中四种模式摩擦纳米发电机，五种结构的摩擦纳米发电机的工作原理为，在外部机械作用力的驱动下，两个部件的摩擦层与电极层(同时充当另一个摩擦层)之间周期性的相对运动(互相滑动或者接触分离)使得静电荷的原有平衡被打破，自由电子会通过外电路来建立新的平衡，形成对外输出。因此，描述摩擦纳米发电机状态的公式主要由以下三个量之间的关系决定：电极间转移的电荷量Q、电极间的电压V以及摩擦层之间(图1中为摩擦层与电极层)的相对位移量x。以一个平行滑动模式(LS)的摩擦纳米发电机为例，对x的定义如图2表示，定义x＝0的时候绝对短路电荷转移量Q_SC(x)和绝对开路电压V_OC(x)均为0。这里只考虑Q_SC(x)和V_OC(x)能在相对位移最大值x_max分别取得最大值Q_SC,max和V_OC,max的基本型摩擦纳米发电机，即不包括Q_SC(x)和V_OC(x)能在 不同位移上取得多个峰值的发电机，例如电极层为栅极结构或者其他图形化结构的摩擦纳米发电机。

理想状态时，摩擦面相互完全接触的状态为x＝0，而x＝x_max表示最远可达位移即最大位移量x_max。其中，x_max可以是任何一个大于0的位移。具体器件的x_max往往是选定在一定范围内的。对于不同的模式的摩擦纳米发电机的具体定义如图1所示。

对于连续的周期性机械运动，摩擦纳米发电机的电信号输出也会是周期性的。这样，和外接电阻相关的平均输出功率一般被用来评价发电机的品质。当周期T确定时，每周期输出能量E可以被推导为：

因此，摩擦纳米发电机的静电状态和能量输出可以用电压V相对转移电荷量Q的曲线来表示。这里，首先用有限元分析法模拟了一个外接100兆欧电阻的平行滑动模式的发电机，初始状态从(Q,V)＝(0,0)开始。这个示例的摩擦纳米发电机的参数参见表1。

表1 用来模拟的示例平行滑动模式摩擦纳米发电机的参数

模拟表1参数摩擦纳米发电机的V-Q曲线(附图中Charge-Voltage曲线)，仅仅几个周期后发电机的运行会达到一个稳定状态(图3)，因此可以直接关注这个稳态的输出。因为摩擦纳米发电机的稳态输出信号是相对应于 周期性机械运动，相应的V-Q曲线应该是一个闭合的环路。由公式(1)可以知，这个闭合环路所围住的面积就是摩擦纳米发电机每周期所输出的能量。这里还用有限元分析法模拟了此发电机相对应于不同外接电阻的稳态V-Q曲线，如图4所示。由此可见，每周期输出能量E可以由一个匹配电阻所优化。这种循环这里称之为能量输出循环(cycles for energy output，CEO)。对于每个CEO，稳态下最大和最小的转移电荷量的差值称为总循环电荷Q_C，如图3所示。

由图3和4所示，对于每个能量输出循环CEO来说，总循环电荷Q_C总是小于最大转移电荷Q_SC,max，特别是对于具有大的外接电阻的循环来说。如果能够在这些循环的运行中最大化总循环电荷Q_C到Q_SC,max，每周期输出能量E可以被进一步提高。在短路条件下，Q_C＝Q_SC,max。

下面介绍如何实现总循环电荷Q_c等于最大电荷转移量Q_SC,max：

发明人设计了一套不断重复的步骤来达到瞬时的短路条件。这套步骤利用了一个和外接电阻R并联的开关来实现，如图5所示。摩擦纳米发电机如图2中所示，外接电阻R(100MΩ)连接在摩擦纳米发电机的两个电极层之间，这套步骤为：步骤1(图5中Step1阶段)，摩擦层b2在开关为开路时与第二电极层b3相对运动，从x＝0到x＝x_max；步骤2(图5中Step2阶段)，闭合开关，获得相对电荷转移量Q＝最大电荷转移量Q_SC,max，然后打开开关；步骤3(图5中Step3阶段)，摩擦层b2在开关为开路时与第二电极层b3相对运动，从x＝x_max到x＝0；步骤4(图5中Step4阶段)，闭合开关，获得相对电荷转移量Q＝0，然后打开开关。这样，在这个开关的控制下，步骤2和4中的瞬时短路条件实现了最大化的总循环电荷Q_C＝Q_SC,max。对于不同外接电阻(4.4MΩ、44MΩ、100MΩ、250MΩ、+∞)下的这种循环，如图6所示。本方法中采用的外接电阻的阻值可以从兆欧至无穷大。这些循环被命名为最大化能量输出循环(cycles for maximized energy output，CMEO)。显然，由于最大化的总循环电荷，对于相同的外接电阻，CMEO的每周期输出能量总是比CEO的每周期输出能量要大，如图4和6所示。

对于CMEO，外接电阻越高，每周期能量输出越高。因此当R＝+∞(无穷大)，也就是开路的时候，可以获得最大的能量输出。通过去除外接电阻并且把剩下部分的电路如前一样操作，发明人模拟了这个最大的能量输出。对应的V-Q曲线如图6所示，此曲线具有一个梯形的形状。这个梯形的每个顶点由最大短路转移电荷量Q_SC,max、最大开路电压V_OC,max、和在Q＝Q_SC,max情况下的最大绝对电压V’_max所决定。

为了证明CEO和CMEO这两种循环可以很容易在实验上实现，发明人制作了一个平行滑动模式的发电机，其参数接近于表1中的参数。用了一块铝箔作为它的第二部件(第二电极层b3)为移动的第二部件，在氟化乙烯-丙烯共聚物(FEP)膜(摩擦层b2)上镀上铜薄膜(第一电极层b1)作为固定的第一部件。这样铝箔和FEP膜就形成了一对摩擦层。第一部件和第二部件分别被固定在一个亚克力板上，为了操作发电机，移动的第二部件被固定在一个线性马达上而固定的第一部件被固定在一个三维台上。FEP膜和铝箔紧密接触，被用作摩擦面。线性马达做周期性的运动，每周期单向位移3.5厘米。对于CEO，线性马达做连续性周期运动，每周期0.34秒，外接电阻250兆欧。对于CMEO，每次单向运动完后，线性马达会暂停5秒。这5秒钟，并联的开关会闭合再打开。外接电阻为250兆欧或无穷大(开路)。所有的电流和电压都用一个Keithley 6514电表测量。

利用这个发电机，首先我们测量并绘制了在外接电阻250兆欧下CEO的V-Q曲线，如图7a所示。发明人注意到CEO的稳态在工作了仅仅几个周期后就达到了。然后，利用一个并联的开关，还绘制了外接电阻250兆欧和无穷大两种情况下的CMEO的V-Q曲线，如图7b和图7c分别所示。所有这三个V-Q曲线的特点都和我们在图3-7中所模拟的结果相同。从图7三个曲线所 围成的面积看到，外接电阻无穷大情况下的CMEO每周期所输出的能量是这三个中的最大值。根据实验的结果，利用公式(1)计算了每个循环的每周期输出能量，分别为1.99μJ、1.48μJ和0.47μJ。这些结果证明了CMEO可以获得最大的输出能量，并且是实验可以实现的。

可以证实对于发电机操作的各种不同的V-Q曲线都会限定在图6的梯形以内，也就是V-Q曲线的四个边界。

这里只考虑0≤Q≤Q_SC,max的情况，因为相对位移量只能在x＝0和x＝x_max变动。0≤Q≤Q_SC,max本身就是两条边界。

在任意位移x，两个电极层之间的电容是C(x)。因此，总的电压可以表示为：

这里可以定义变量V’(x)为在Q＝Q_SC,max、位移x情况下的电压的绝对值。因此，在固定的位移x下，(Q,V)曲线也就是公式(2)应该包括(Q_SC(x),0),(0,V_OC(x))和(Q_SC,max,-V’(x))三点。把他们带入公式(2)可得：

因此Q_SC(x),V_OC(x),C(x)和V’(x)的关系可以表示为：

如果我们把公式(2)中的C(x)替换为公式(4)可得：

如前所述，V_OC(x)和Q_SC(x)在x＝0时取得最小值V_OC(0)＝0和Q_SC(0)＝0；在x＝x_max时取得最大值V_OC(x_max)＝V_OC,max和Q_SC(x_max)＝Q_SC,max。因此，0≤Q_SC(x)≤Q_SC,max，0≤V_OC(x)≤V_OC,max。同样有0≤V’(x)≤V’_max。

任意(Q,V)在位移x满足公式(S4)：

当V≥0，总是成立，

且

当总是成立，

且

因此对于一个任意状态下的发电机的(Q,V)曲线：

此公式代表另外两条边界。这样所有的四条边界都固定了。

下面由公式推导最大可能的每周期输出能量E_m：对于任意操作方式下的摩擦纳米发电机，每周期输出能量为：这可以分为两部分：

第一部分：当V≥0，dQ/dt＝I＝V/R≥0，因此Q在V≥0时 总是增长，假定是从Q_1min到Q_1max；

第二部分：当V<0，dQ/dt＝I＝V/R<0，因此Q在V<0时总是减少，假定是从Q_2max到Q_1min；

因此：由于公式(6)由于

因此，这个具有最大能量输出的循环的每周期能量输出可以由以下公式计算：

对于工作在无穷大外接电阻CMEO循环的摩擦纳米发电机，周期T包括两个部分。一部分来自摩擦纳米发电机内部的相对运动，另一部分来自短路情况下的放电过程。由于是短路条件下，第二部分的时间消耗非常的小，所以只需要考虑第一部分。因此这时的平均输出功率表示为：

其中，是发电机内部相对运动的平均速度，这和外界机械输入有关。在这个公式中，E_m/x_max是唯一一个和摩擦纳米发电机有关的项。

对于工作在无穷大外接电阻CMEO循环的摩擦纳米发电机，能量转换效率η为

其中，是两个部件相对移动过程中的平均耗散力，它可以是空气阻力、摩擦力等等。

由公式(8)和(9)可以认为E_m/x_max项从摩擦纳米发电机本身特征出发，既决定了平均输出功率，也决定了能量转换效率。并且摩擦纳米发电机的输出能量E_m公式(7)中，E_m包括了Q_SC,max，而这是一个和摩擦面面积A成正比的量。因此，为了排除摩擦纳米发电机尺寸对输出性能的影响，这里认为面积应该放在这个项的分母上。所以综上所述，发明人认为E_m/Ax_max项能够决定摩擦纳米发电机的品质。摩擦面面积A可以是从x＝0到x＝x_max过程中，摩擦纳米发电机的两个部件接触的最大面积。

注意到在公式(7)中，Q_SC,max、V_OC,max和V’_max都与表面电荷密度σ成正比。因此，E_m应该和σ的平方成正比。可以定义摩擦纳米发电机的一个无量纲的结构品质因数FOM_S，作为只和结构以及最大位移量x_max相关的一个量:

这里，ε₀是真空的介电常数。这个结构的品质因数代表了发电机从结构设计角度的品质。发电机总的性能品质因数(FOM_P)可以被定义为：

其中，σ²可被称为材料的品质因数(FOM_M)，它只和材料的性质有关。由于和最大可能的平均输出功率及能量转换效率都有关，而与发电机的模式和尺寸都无关，因此这个性能品质因数可以作为评价不同发电机的统一标准。因此，本发明提供一种表征摩擦纳米发电机的性能品质因数的方法，该性能品质因数表征摩擦纳米发电机的输出性能，其特征在于，包括下列步骤：

提供摩擦纳米发电机的结构参数和相对运动模式，所述结构参数中包括摩擦纳米发电机的两个相对运动部件摩擦层的相对位移量x，x的变化范围为0到最大位移量x_max；

在所述摩擦纳米发电机的输出端外接电阻R，在所述外接电阻R两端并联开关，依次进行下列操作：闭合开关，将V变为0；在开关为开路时两个部件相对运动，从x＝0到x＝x_max，记录最大开路电压V_OC,max；闭合开关，将V变为0，记录最大转移电荷量为Q_SC,max；然后在开关为开路时两个部件相对运动，从x＝x_max到x＝0，记录最大绝对电压V’_max；

计算摩擦纳米发电机的最大能量输出E_m，

测量摩擦纳米发电机两个相对运动部件摩擦层的摩擦面面积A；

获得所述性能品质因数FOM_P，

其中，ε₀是真空的介电常数。

图1中的五种发电机的基本结构已经被运用在多种应用中，为了从结构设计的角度比较不同模式的摩擦纳米发电机，发明人用解析式和有限元模拟两种方法计算了不同结构的结构品质因数。这些结构包括垂直接触分离模式 (CS)、平行滑动模式(LS)、单电极接触结构(SEC)、滑动式摩擦层自由移动结构(SFT)和接触式摩擦层自由移动结构(CFT)。设置了相同的初始表面电荷密度σ和面积A。表2中列出了五种结构的参数和解析式。计算所得的结构品质因数和最大位移量的关系如图9所示。

表2.模拟所用的五种模式摩擦纳米发电机结构的参数

对于CS、SEC和CFT三种结构而言，在计算中分别考虑了一边(1S)和两边(2S)边界效应的非理想平行板电容。其中有限元分析法只能考虑一边的边界效应。有限元分析法的结果(图中FEM表示)和解析式计算的结果(图8中Analytical表示)相互吻合的很好。可以把其中结构品质因数的最大值(FOM_S,max)提出来作为对结构的表征标准，5种模式发电机的最大结构品质因数FOM_S,max分别为：6.81(CFT模式)、0.98(CS模式)、0.45(SFT模式)、0.15(LS)和0.022(SEC模式)。由图8中f图所示，我们发现对于不同结构这个最大结构品质因数有：

CFT>CS>SFT>LS>SEC

以上结构可以说明：首先，具有成对电极的摩擦纳米发电机比相同尺寸相同材料的单电极摩擦纳米发电机性能要好很多，这是由于单电极摩擦纳米 发电机的转移电荷量Q和电压V都比较低。其次，由接触-分离运动驱动的发电机比滑动驱动的发电机性能要高，这是因为为了取得同样的最高开路电压V_OC,max，滑动驱动的发电机需要更高的最大位移量x_max。最后，摩擦层自由移动(CFT)的结构设计提高了发电机的性能，这是由于电极层之间的电容被大大提高了。由于中间摩擦层(也是介电层)的双面起电从而获得了更高的转移电荷，接触式摩擦层自由移动结构的最大结构品质因数FOM_S,max被进一步提高了。

本发明提供的方法可以获得摩擦纳米发电机的最大结构品质因数，具体方法为：给定所述摩擦纳米发电机的结构参数和相对运动模式不变，获得摩擦纳米发电机的最大结构品质因数FOM_S,max：

改变所述最大位移量x_max，计算不同最大位移量x_max对应的所述结构品质因数FOM_S；

绘制FOM_S与x_max关系曲线，从所述关系曲线读取所述最大结构品质因数FOM_S,max。

表面摩擦电荷密度σ是公式(10)品质因数中唯一和材料相关的参数。它的优化将大大提升发电机的性能，因为品质因数和它的平方成正比。这个量和相互接触材料的摩擦起电性能有关。

表面摩擦电荷密度可以通过摩擦纳米发电机电极间电荷转移量和摩擦层的摩擦面面积A进行计算，σ＝Q_S/A，Q_S为表面带电电荷总量，通过电极间电荷转移量进行测量。

本发明中，优选利用液态金属与摩擦层材料接触摩擦，计算摩擦分离过程中与摩擦层材料接触设置的电极与液态金属直接转移电荷的量，结合摩擦层材料与液态金属摩擦面积，方便地获得摩擦层材料表面摩擦电荷密度。由于液态金属与摩擦层材料互相紧密接触，本发明的方法获得准确的接触面积和电荷转移量，可以为摩擦纳米发电机进行摩擦层材料的选择提供重要的评 价标准和方法。

具体的，确定摩擦纳米发电机摩擦表面的表面电荷密度，采用下列方法：

选取作为摩擦表面的摩擦层材料，在所述摩擦层材料上表面设置测试电极；

将设置有所述测试电极的摩擦层材料与导电液体接触后分离，并测量所述测试电极与导电液体之间的电荷转移量Q；或者测量电极与导电液体之间的电流I，并通过积分获得整个过程中电荷转移量Q；

获取所述摩擦层材料与所述液态金属的最大接触面积S；

将所述电荷转移量Q除以最大接触面积S，得到所述摩擦材料的表面电荷密度。

所述摩擦层材料与导电液体分离的相对最大位移量大于摩擦层材料厚度的100倍。

采用的液态金属可以为液态镓、含镓液态合金、镓铟合金、锡合金或者汞等液态金属。

下面以一个具体例子介绍该方法。

用亚克力板连接一个亚克力块(横截面积19毫米×19毫米)做成了一个悬臂梁。所有的测试材料都被切成了同样面积，镀上铜膜作为电极，然后贴到悬臂梁中的亚克力块上，铜膜面向亚克力。然后整个结构被装在三维台上。然后这个结构和一些培养皿以及液态金属被转移到手套箱中。这个手套箱受氩气保护。对于液态镓，未开封的样品瓶先被加热到50℃五分钟来融化镓，再放入手套箱。在手套箱中，液态金属被倒入培养皿中，置于测试材料的正下方。两根铜导线被用来连接两个电极和电表。悬臂梁的高度被精密调节使得测试材料的下表面正好在液面上，而两个电极间没有直接接触。然后整个悬臂梁被周期性的提起来、放下去来进行接触和分离。所有的电流和 电压都用一个Keithley 6514电表测量。对固态镓的测量是在液态镓冷却之后进行的。

当摩擦层材料表面(没有铜的一面)接触液态金属表面时，由于摩擦起电效应接触的表面会产生电荷。然后把所测材料提出页面，提高到一个高度为材料厚度一百倍以上的位置后，绝大多数在液态金属表面产生的电荷就会被几乎完全转移到铜电极上。根据电流表测量所转移的电荷量，可以算出电荷密度。

发明人对多种材料进行了测试，测试的材料包括氟化乙烯-丙烯共聚物(FEP)、聚酰亚胺(Kapton)、极化后的聚偏二氟乙烯(polarized PVDF)、聚乙烯(PE)、天然橡胶(nature rubber)和纤维素(cellulose)。测量结果由图9所示。如果发现所测材料比液态金属要更倾向带负电，那么所测得电荷密度则标为正值；反之，标为负值(如cellulose)。

在这些结果中，和液态金属接触所测得的不同材料的电荷密度总是比和固态镓接触所测得的值要高。这是因为接触紧密度被大大提高了。接触不同液态金属所测得的不同值可能是因为它们吸引电子的能力不一样。

在这些结果中，和液态金属接触所测得的不同材料的电荷密度总是比和固态镓接触所测得的值要高。这是因为和液态金属接触时接触紧密度被大大提高了。由实验所得的摩擦起电顺序为(最负)FEP–Kapton–PVDF–PE–Nature Rubber–Galinstan–Cellulose(最正)，和目前报道的摩擦起电顺序相符。各种材料的摩擦起电性能可以用相对同一个液态金属的摩擦起电表面电荷密度来定量表征。例如，FEP的摩擦起电性能可以被表征为相对galinstan为σ_{FEP/galinstan}＝133.24μC/m²或者为相对液态镓σ_FEP/Ga(L)＝218.64μC/m²。一般认为特氟龙(包含FEP和PTFE)是摩擦起电序列中最为负的材料；而液态galinstan应该在摩擦起电序列的中间位置，因为它和天然橡胶差不多而且比cellulose还要负。因此，可以把FEP接触 galinstan所得的表面电荷密度作为标准的参照摩擦起电表面电荷密度，其中FEP为参考材料。然后定义归一化的摩擦起电电荷密度σ_N和无量纲的材料品质因数FOM_DM如下：

我们计算了不同材料的这两个量，如表4所示。对于特定材料，如果σ_N<0那么这种材料就比参照液态金属要正；如果0<σ_N<1，那么这种材料就比参照液态金属要负而比FEP要正；如果σ_N>1，那么这种材料比FEP要负。

表3.相对于接触FEP和galinstan电荷密度的归一化摩擦起电电荷密度σ_N和无量纲的材料品质因数FOM_DM

本发明提供的方法，适用于包括各种模式/结构、使用各种材料的任何 一种基本型摩擦纳米发电机。本研究将会为摩擦纳米发电机的实用化和工业化建立标准。

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。