一种套层滑动式摩擦纳米发电的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种套层滑动式摩擦纳米发电机，包括第一导电元件，与第一导电元件外表面接触放置的第一摩擦层，第二导电元件，与第二导电元件内表面接触放置的第二摩擦层，其中，第一摩擦层中包含若干第一摩擦单元，第二摩擦层中包含若干第二摩擦单元，并且所有所述第一摩擦单元的外表面同属于第一曲面，所有所述第二摩擦单元的内表面同属于第二曲面，所述第一曲面与其外侧的所述第二曲面形成内外套层结构；所述第一摩擦单元的外表面与第二摩擦单元的内表面发生相对滑动摩擦、同时摩擦面积发生变化，并通过第一导电元件和第二导电元件向外电路输出电信号。本发明的摩擦纳米发电机可以用来作为新的能源技术，也可用来做传感技术。
【专利说明】一种套层滑动式摩擦纳米发电机
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种发电机，特别涉及将施加外力的机械能转化为电能的套层滑动式摩擦纳米发电机。
【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]为了克服现有技术中的上述问题，本发明提供一种套层滑动式摩擦纳米发电机，能够将施加在摩擦纳米发电机上的轴向或转动机械能转化为电能。
[0005]为实现上述目的，本发明提供一种摩擦纳米发电机，包括:第一导电元件，与第一导电元件外表面接触放置的第一摩擦层，第二导电元件，与第二导电元件内表面接触放置的第二摩擦层，其中，第一摩擦层中包含若干第一摩擦单元，第二摩擦层中包含若干第二摩擦单元，并且所有所述第一摩擦单元的外表面同属于第一曲面，所有所述第二摩擦单元的内表面同属于第二曲面，所述第一曲面与其外侧的所述第二曲面形成内外套层结构；所述第一摩擦单元的外表面与第二摩擦单元的内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，并通过第一导电元件和第二导电元件向外电路输出电信号；
[0006]优选地，所述第一摩擦单元外表面的材料和所述第二摩擦单元内表面的材料之间存在摩擦电极序差异；
[0007]优选地，至少部分所述第一摩擦单元的外表面与第二摩擦单元的内表面接触放置；
[0008]优选地，在没有外力作用时，所述第一摩擦单元的外表面与第二摩擦单元的内表面完全分离，在外力作用下，至少部分所述第一摩擦单元的外表面与第二摩擦单元的内表面接触并发生相对滑动摩擦；
[0009]优选地，所述第一曲面和/或第二曲面为柱面、锥面或锥台面；[0010]优选地，所述第一曲面和/或第二曲面与轴向垂直的横截面为圆形、椭圆形、多边形或不规则图形；
[0011]优选地，所述多边形为所有边长均相等的正多边形；
[0012]优选地，所述第一曲面与第二曲面的形状相同；
[0013]优选地，所述第一曲面与第二曲面为同轴套层结构；
[0014]优选地，所述第一曲面与第二曲面为同轴圆柱形套筒结构；
[0015]优选地，所述第一摩擦层和第二摩擦层之间的相对滑动摩擦为轴向和/或径向的；
[0016]优选地，所述第一摩擦层中包含至少2个所述第一摩擦单元和/或所述第二摩擦层中至少包含至少2个所述第二摩擦单元；
[0017]优选地，所述第一摩擦单元在所述第一摩擦层中的排列图案与所述第二摩擦单元在所述第二摩擦层中的排列图案相呼应，使得所述第一摩擦层与所述第二摩擦层相对放置时，在外力的作用下每个所述第一摩擦单元的外表面至少能与一个所述第二摩擦单元的内表面部分接触；
[0018]优选地，所述第一摩擦单元与所述第二摩擦单元的形状、尺寸和/或排列图案相同，使得所述第一摩擦层与所述第二摩擦层相对放置时，在外力的作用下每个所述第一摩擦单元的外表面都能与一个所述第二摩擦单元的内表面基本完全接触；
[0019]优选地，所述第一摩擦单元和第二摩擦单元的排列图案为阵列式离散排列；
[0020]优选地，所述第一摩擦单元和第二摩擦单元的排列图案为棋盘状排列，使得所述第一摩擦层和第二摩擦层中形成孔洞结构；
[0021 ] 优选地，所述第一摩擦单元和第二摩擦单元的排列图案为间隔的条状或沿轴向螺旋形排列的条状；
[0022]优选地，所述第一摩擦单元为与所述第一曲面同轴的环，并且，所述第二摩擦单元为与所述第二曲面同轴的环；
[0023]优选地，所述条状的长度方向或所述环的径向方向与所述第一摩擦单元和第二摩擦单元的相对摩擦方向垂直；
[0024]优选地，在2个所述摩擦面相对摩擦的方向上，所述第一摩擦单元外表面和第二摩擦单元内表面的宽度为0.1 μ m-50cm ；
[0025]优选地,所述宽度为10 μ m-lcm ；
[0026]优选地，所述第一摩擦单元的外表面材料和/或所述第二摩擦单元的内表面材料为绝缘材料或半导体材料；
[0027]优选地，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；所述半导体材料选自硅、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；
[0028]优选地，所述第III和第V族化合物选自砷化镓和磷化镓；所述第II和第VI族化合物选自硫化镉和硫化锌；所述由II1- V族化合物和I1-VI族化合物组成的固溶体选自镓铝砷和镓砷磷；
[0029]优选地，所述第一摩擦单元外表面材料和/或所述第二摩擦单元内表面材料为非导电氧化物、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和Y2O3 ；
[0030]优选地，所述第一摩擦单元的外表面和/或第二摩擦单元的内表面分布有微米或次微米量级的微结构；
[0031]优选地，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；
[0032]优选地，所述第一摩擦单元的外表面和/或第二摩擦单元的内表面有纳米材料的点缀或涂层；
[0033]优选地，所述第一摩擦单元的外表面和/或第二摩擦单元的内表面经过化学改性，使得在所述第一摩擦单元的外表面材料引入容易得到电子的官能团和/或负电荷，和/或，在所述第二摩擦单元的内表面材料引入容易失去电子的官能团和/或正电荷；
[0034]优选地，所述容易失去电子的官能团包括氨基、羟基或烷氧基，所述容易得到电子的官能团包括酰基、羧基、硝基或磺酸基；
[0035]优选地，用导电材料替换绝缘材料或半导体材料制备所述第一摩擦单元或第二摩擦单元；
[0036]优选地，所述第一摩擦单元或第二摩擦单元的所述导电材料选自金属、导电氧化物和导电有机物；
[0037]优选地,所述第一导电兀件和第二导电兀件选自金属、导电氧化物和导电有机物；
[0038]优选地，所述金属选自金、银、钼、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金，所述的导电有机物选自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺和聚噻吩；
[0039]优选地，所述第一导电元件为棒、薄膜或薄层，第二导电元件为薄膜或薄层；
[0040]优选地，所述第一导电元件、第二导电元件、第一摩擦层和/或第二摩擦层为硬质的；
[0041]优选地，所述第一导电元件、第二导电元件、第一摩擦层和/或第二摩擦层为柔性的；
[0042]优选地，所述第一导电元件固定在所述第一摩擦层内表面，和/或，所述第二导电元件固定在所述第二摩擦层外表面；
[0043]优选地，所述第一摩擦层中还包含第一填充介质用于填充除第一摩擦单元以外的空间和/或所述第二摩擦层中还包含第二填充介质用于填充除第二摩擦单元以外的空间；
[0044]优选地，所述第一填充介质和第二填充介质由具有相对于第一摩擦单元和第二摩擦单元显中性摩擦电极序的材料构成；[0045]优选地，所述具有中性摩擦电极序的材料选自聚异丁烯、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、聚偏二氯乙烯和聚(2，6- 二甲基聚亚苯基氧化物)；
[0046]优选地，所述第一填充介质的厚度小于或等于第一摩擦单元的厚度，第二填充介质的厚度小于或等于第二摩擦单元的厚度；
[0047]优选地，所述第一填充介质和/或第二填充介质为不导电的固体、不导电的液体、不导电的气体或真空环境；
[0048]优选地，所述第一导电元件内表面和/或第二导电元件外表面还包括柔性或硬性支撑兀件；
[0049]优选地，所述第一导电元件由若干与第一摩擦单元具有相同的尺寸和形状的第一导电单元组成，和/或，所述第二导电元件由若干与第二摩擦单元具有相同的尺寸和形状的第二导电单元组成。
[0050]对本发明的套层滑动式摩擦纳米发电机施加周期性的轴向或旋转动力时，可以在第一导电元件和第二导电元件之间形成交流脉冲信号输出。与现有技术相比，本发明的套层滑动式摩擦纳米发电机具有下列优点:
[0051]1、原理和应用上的新突破。本发明发电机的两个摩擦层之间不需要间隙，与两摩擦层周期性全接触和全分离的器件在发电原理上不同，给社会提供了一个全新的设计思路。而且无间隙的设计省略了弹性距离保持件的安装，也为封装技术提供了方便。
[0052]2、结构上的极大创新。之前的纳米发电机均为平板式发电机，为保证其正常工作需提供方向呈周期性变化的外力，而本发明的纳米发电机因采用了内外套层结构，不仅在轴向平移动力的驱动下能够正常工作，同时还能够充分利用非周期性变换方向的旋转动力，极大地扩展了其应用范围。
[0053]3、能量的高效利用。本发明的发电机无需大规模、高强度的能量输入，仅需输入的机械能能够驱动第一摩擦层和第二摩擦层的相对滑动或转动即可，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，实现能量的高效利用；而且，本摩擦纳米发电机同时包含多个发电单元，可以大大提高输出功率，并且所施加的外力不管来自那个方向，它都可以有功率输出，这大大提高了发电机的效率。
[0054]4、结构简单、轻巧便携和高度兼容。本发明的发电机无需磁铁、线圈、转子等部件，结构简单，体积很小，制作方便、成本低廉、能够安装在各种可以使第一摩擦层和第二摩擦层产生相对滑动的器件上，无需特殊的工作环境，因此具有很高的兼容性。
[0055]5、用途广泛。通过对发电机中第一摩擦层的外表面和第二摩擦层的内表面表面进行物理改性或化学改性，引入纳米结构图案或涂纳米材料等，还可以进一步提高摩擦纳米发电机在切向外力作用下两摩擦层接触并相对滑动时产生的接触电荷密度，从而提高发电机的输出能力。因此，本发明的发电机不仅能作为小型功率源，同时也可用于大功率发电。此外，本发明的摩擦纳米发电机可以通过桥式整流电路，提供直流电流输出，以供需要直流电的设备使用。
【专利附图】
【附图说明】[0056]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。
[0057]图1为本发明的摩擦纳米发电机的典型结构轴向剖面示意图；
[0058]图2为本发明的摩擦纳米发电机的发电原理的剖面示意图；
[0059]图3为本发明的摩擦纳米发电机第一曲面和第二曲面典型形状示意图，其中(a)为圆柱套筒形，(b)为圆台套筒形，(c)为不规则柱形的轴向剖视图，(d)为第一曲面和第二曲面形状不同的横截面示意图；
[0060]图4为本发明摩擦纳米发电机的第一曲面和第二曲面在与轴垂直方向上的横截面的典型图形示意图，其中(a)为同轴矩形，(b)为同轴三角形，(c)为同轴八边形，Cd)为同轴椭圆形，Ce)为同轴不规则图形，Cf)为不同轴圆形；
[0061]图5为本发明摩擦纳米发电机中第一摩擦单元和第二摩擦单元的环形条布局方案示意图，其中(a)为第一摩擦单元的布局，(b)为第二摩擦单元的布局，(C)为组装后摩擦纳米发电机沿与轴垂直方向的截面视图；
[0062]图6为本发明摩擦纳米发电机中第一摩擦单元和第二摩擦单元的条状布局方案示意图，其中(a)为第一摩擦单元的布局，(b)为组装后摩擦纳米发电机沿与轴垂直方向的截面视图；
[0063]图7为本发明摩擦纳米发电机中第一摩擦单元和第二摩擦单元的棋盘形布局示意图，以第一导电元件和第二导电元件平铺后的示意图展示；
[0064]图8为本发明摩擦纳米发电机中第一摩擦单元和第二摩擦单元的阵列式分散布局的示意图，以第一导电元件和第二导电元件平铺后的示意图展示；
[0065]图9为本发明柔性摩擦纳米发电机的典型结构示意图；
[0066]图10为本发明设置弹性支撑层的典型结构示意图；
[0067]图11为本发明包含填充介质的摩擦纳米发电机的典型结构示意图，以第一导电元件和第二导电元件平铺后的示意图展示；
[0068]图12为本发明实施例的开路电压信号图。
【具体实施方式】
[0069]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。
[0070]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。
[0071]本发明提供一种将运动、振动等自然存在的机械能转化为电能的结构简单的摩擦纳米发电机，能够为微型电子器件提供匹配的电源。本发明的摩擦纳米发电机利用了在摩擦电极序中的极性存在差异的材料接触时产生表面电荷转移的现象，将外力的机械能转化为电能。
[0072]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摩擦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。
[0073]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。
[0074]本发明中所述的摩擦单元的厚度是指由摩擦单元下端面到上端面的垂直距离；填充介质的厚度是指由填充介质下端面到上端面的垂直距离。
[0075]本发明所述的“多边形”为所有边长为直线且边长数目多于2个的图形，其中“正多边形”为所有边长相等的多边形。
[0076]本发明所述的“不规则图形”是指至少一个边为弧形且边长数目多于2个的图形。
[0077]本发明所述的“柱面”是指两类曲面，一类是指一动直线或曲线围绕一定直线沿某一曲线移动所形成的曲面，其中所述动线可以为直线也可以为曲线；另一类是指一动曲线围绕与之形状相同的一定曲线沿某曲线移动所形成的曲面。
[0078]本发明的摩擦纳米发电机的一种典型基本结构，参见图1，包括:第一筒形导电元件11、所述第一筒形导电元件11外表面上设置的若干第一摩擦单元101，这些摩擦单元构成了第一摩擦层10 ;第二筒形导电元件21、所述第二筒形导电元件21内表面设置的若干第二摩擦单元201，这些摩擦单元构成了第二摩擦层20 ;第一摩擦单元101和第二摩擦单元201相对放置，当施加轴向外力时，所述第一摩擦单元101的外表面与第二摩擦单元201的内表面发生轴向相对滑动摩擦、由于各第一摩擦单元101和各第二摩擦单元201导致二者的摩擦面积发生变化时，由于第一摩擦单元101的材料和第二摩擦单元201的材料之间有摩擦电极序差异，能够通过第一导电元件11和第二导电元件21向外电路输出电信号。
[0079]为了方便说明，以下将结合图1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。
[0080]本发明的摩擦纳米发电机的工作原理，参见图2。为了方便说明，此处仅示出一个第一摩擦单元101和一个第二摩擦单元201之间的作用情况，摩擦层中的每个摩擦单元的状态和所经历的过程都与此相同，就不再另外重复。图2 (a)为纳米发电机开始工作前的原始状态图，其中所述第一摩擦层10中第一摩擦单元101的外表面与所述第二摩擦层20中第二摩擦单元201的内表面接触放置。
[0081]参见图2 (b)，在外力的作用下，第一导电元件11带动第一摩擦单元101沿筒形的轴向上移动，从而使第一摩擦单元101的外表面和第二摩擦单元201的内表面发生相对滑动摩擦。由于构成第一摩擦单元101与第二摩擦单元201的材料在摩擦电极序中存在差异，因此该摩擦过程引发二者的表面电荷转移。为了屏蔽由于错位而残留在第一摩擦单元101和第二摩擦单元201中因摩擦产生的表面电荷所形成的电场，第一筒形导电元件21中的自由电子就会通过外电路流到第二导电元件11，产生一瞬时电流。
[0082]参见图2 (C)，当外力反方向时，第一摩擦单元101和第二摩擦单元201的相对滑动错位消失，两导电元件恢复原状，第二导电元件11中的电子流回第一导电元件21，从而给出一相反方向的电流。
[0083]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作具体选择，从而达到调控发电机输出性能的目的:
[0084]本实施例中，所有第一摩擦单元101均与一个第二摩擦单元201呈接触放置，无论是否有外力施加于其上，二者始终保持面接触。这是本发明发电机的最典型结构，通过控制第一摩擦单元101和第二摩擦单元201的尺寸、以及相对位移量，很容易实现在相对滑动摩擦的过程中摩擦面积发生变化。本领域的技术人员很容易想到，在第一摩擦单元101与第二摩擦单元201的数量不对等的情况下，在初始状态可能只有部分第二摩擦单元201与第一摩擦单元101接触，另一部分第二摩擦单元201则是处于空闲状态。很显然，这种情况并不影响本发明发电机的工作，因为在发电机工作过程中，也就是第一摩擦层10和第二摩擦层20之间发生相对滑动的过程中，总会有部分第一摩擦单元101与第二摩擦单元201形成摩擦面积发生变化的相对滑动摩擦，从而能够向外电路输送电信号。
[0085]但是本发明并不限定第一摩擦单元101和第二摩擦单元201自始至终一直保持部分接触，只要在外力作用下，二者能够接触并发生与接触面相切的相对滑动摩擦即可，而在没有外力作用时，第一摩擦单元101和第二摩擦单元201可以完全分离。这样的设计能够满足需要间隔式发电的情况。而且摩擦过程可以同时有接触摩擦，也可以有滑动摩擦。实现这一目的的技术手段有很多，例如第一摩擦单元101外表面所形成的第一曲面的直径，与第二摩擦单元201内表面所形成的第二曲面的直径相比较小，可以将支撑第一摩擦单元101及第一导电元件11的轴设置为可动轴。在该轴的初始位置，能够保证所有第一摩擦单元101都与第二摩擦单元201之间形成径向空隙，而在外力的作用下，该可动轴能够调整位置，使部分第一摩擦单元101与第二摩擦单元201接触，并且二者之间能够形成滑动摩擦。另外，该实施方式对于与其他产品结合使用的发电机比较有利，可以将第一摩擦层10和第二摩擦层20分别连接到其他产品中2个互相分隔的部件上，利用这2个部件的间歇性接触和相对滑动来带动发电机工作，从而实现间隔式发电。
[0086]第一摩擦单元101和第二摩擦单元201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。常规的绝缘材料都具有摩擦电特性，均可以作为制备本发明第一摩擦单元101和第二摩擦单元201的材料，此处列举一些常用的绝缘材料并按照摩擦电极序由正极性到负极性排序:苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺
11、聚酰胺6-6、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、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(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，其中派瑞林包括派瑞林C、派瑞林N、派瑞林D、派瑞林HT或派瑞林AF4。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。
[0087]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单元101或第二摩擦单元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，还包括氧化娃、氧化猛、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ITO和导电有机物，其中常用的导电有机物为导电高分子，包括自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺和/或聚噻吩。当使用导电材料作为摩擦层时，可以将导电元件与摩擦层合二为一，这样可以简化制备工序、降低成本，更利于工业上的推广和应用。
[0088]通过实验发现，当第一摩擦单元101和第二摩擦单元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单元101和第二摩擦单元201，以获得更好的输出效果。具有负极性摩擦电极序的材料优选聚苯乙烯、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、聚三氟氯乙烯和聚四氟乙烯和派瑞林,包括派瑞林C、派瑞林N、派瑞林D、派瑞林HT或派瑞林AF4 ;具有正极性的摩擦电极序材料优选苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙U、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、铜、招、金、银和钢。
[0089]还可以对第一摩擦单元101外表面和/或第二摩擦单元201内表面进行物理改性，使其表面分布有微米或次微米量级的微结构阵列，以增加第一摩擦单元101与第二摩擦单元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。
[0090]也可以对相互接触的第一摩擦单元101和/或第二摩擦单元201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:
[0091]一种方法是对于相互接触的第一摩擦单元101和第二摩擦单元201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，从而在摩擦层材料表面引入氨基。
[0092]另外一种方法是在极性为正的摩擦层材料表面弓I入正电荷，而在极性为负的摩擦层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PDMS摩擦层表面利用水解-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层上利用金-硫的键结修饰外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。
[0093]第一摩擦单元101和第二摩擦单元201的厚度对本发明的实施没有显著影响，只是在设置的过程中需要综合考虑摩擦单元强度与发电效率等因素。本发明优选摩擦层为薄膜或薄层，厚度为10nm-2cm,优选50nm-5mm,这些厚度对本发明中所有的技术方案都适用。
[0094]本发明中所有第一摩擦单元101的外表面同属于第一曲面，所有第二摩擦单元201的内表面同属于第二曲面，第一曲面和其外侧的第二曲面形成了本发明所提出的套层结构，使得第一摩擦单元101和第二摩擦单元201可以直接接触或在外力的作用下发生接触，并通过旋转和/或轴向平移实现相对的滑动摩擦。众所周知，滑动摩擦的发生仅仅和两个面的接触有关，而与摩擦面的自身形状无关。因此，本发明中的第一曲面和第二曲面可以为各种形状，例如柱面、锥面或锥台面。图3给出了几种比较典型的形状，其中图3-a为圆柱面、图3-b为圆锥台面，还可以是不规则的柱面，例如图3-c所示出的以一曲线围绕一定直线所形成的类似灯笼形的柱面。两个曲面的形状可以相同也可以不同(参见图3-d，其中第一曲面为圆柱面，而第二曲面为椭圆形柱面)，只要两个曲面能够在力的作用下发生接触并相对滑动即可。其垂直于轴向的横截面也可以采用各种形状，例如圆形、椭圆形、多边形或不规则图形(参见图4)，其中多边形可以为规则的矩形、三角形、六边形、八边形等，不规则的图形可以为扇形等其他形状。这些形状都可以根据实际应用环境的空间情况来选择使用。优选第一曲面和第二曲面具有相同的形状，以保证第一摩擦单元101和第二摩擦单元201的摩擦面积最大。
[0095]第一曲面和第二曲面可以同轴也可以不同轴，当二者同轴时，例如同轴的圆柱套筒结构，更容易实现第一摩擦层10和第二摩擦层20之间的轴向和/或径向的相对滑动摩擦。但是当二者不同轴时(参见图3-d和图4-f所示)，依然可以通过两个轴的相对运动来完成第一摩擦单元101和第二摩擦单元201之间的滑动摩擦过程。因此，第一曲面和第二曲面是否同轴设置，要取决于所应用环境的具体要求。至于实现两个曲面相对滑动摩擦的连接方式，都是本领域中最为常规的方式，例如能够完成平面旋转、轴向滑动和/或螺旋式滑动的各种轴承连接等。
[0096]本实施例中，第一摩擦单元101和第二摩擦单元201接触放置，无论是否有外力施加于其上，至少部分第一摩擦单元101和第二摩擦单元201保持面接触。这是本发明发电机的最典型结构，通过控制第一摩擦单元101和第二摩擦单元201的尺寸、以及相对位移量，很容易实现在相对滑动摩擦的过程中摩擦面积发生变化。
[0097]但是本发明并不限定第一摩擦单元101和第二摩擦单元201自始至终一直保持面接触，只要在外力作用下，至少部分第一摩擦单元101能够与第二摩擦单元201接触并发生相对滑动摩擦即可，而在没有外力作用时，第一摩擦单元101和第二摩擦单元201可以完全分离。这样的设计能够满足需要间隔式发电的情况。而且摩擦过程可以同时有接触摩擦，也可以有滑动摩擦。实现这一目的的技术手段有很多，可以采用本领域中控制距离时所使用的常规部件，例如将支撑第一导电元件11的轴和支撑第二导电元件21的轴之间用弹性部件连接，使得在没有外力作用时两个轴尽量接近，而半径相对较小的第一曲面与半径相对较大的第二曲面分离。当有外力作用于支撑第一导电元件11的轴使其发生运动时，会带动第一摩擦单元101也发生运动，并与第二摩擦单元201至少部分接触同时发生滑动摩擦，此时弹性部件被拉伸；而当外力撤销后，由于弹性部件的作用第一摩擦单元101与第二摩擦单元201又恢复分离状态。该实施方式对于与其他产品结合使用的发电机比较有利，可以将第一摩擦单元101和第二摩擦单元201分别连接到其他产品中2个互相分隔的部件上，利用这2个部件的间歇性接触和相对滑动来带动发电机工作，从而实现间隔式发电。
[0098]第一摩擦单元101和第二摩擦单元201的排布方式有很多种。图5给出了一种第一摩擦单元101和第二摩擦单元201的典型排布情况。第一摩擦单元101呈细条环状间隔排列在第一导电元件11的外表面，形成的环状平面与轴向方向垂直(参见图5-a)，由此构成了不连续的第一摩擦层10 ;第二摩擦单元201在第二导电元件21的内表面也呈相同的细条环状间隔排列(参见图5-b，此为结构示意图，并不能由此判断摩擦单元的数量和尺寸等相对关系)，与第一摩擦单元101相呼应，构成了同样不连续的第二摩擦层20 ；由此，当第一摩擦层10和第二摩擦层20相对放置时(参见垂直于轴向的横截面图5-c)，能保证每个第一摩擦单元101都至少与一个第二摩擦单元201部分接触。当对发电机施加能使第一摩擦单元101和第二摩擦单元201之间发生轴向相对滑动、并且二者的接触面积发生改变的外力时，发电机向外电路输出信号。如果能精确控制每个第一摩擦单元101和相应的第二摩擦单元201的形状、尺寸和排布位置，则可以使这些摩擦单元实现完全接触，滑动摩擦引起的错位/失配的面积达到最大，这样在摩擦过程中产生的电荷密度和总电量最大。当然，如果不能完全精确的控制每个摩擦单元的形状、尺寸和位置，则尽量保证大部分的第一摩擦单元101都能与一个第二摩擦单元201至少部分接触，这样也能够使二者在滑动摩擦的过程中发生电荷转移，实现本发明的目的。
[0099]图6给出了第一摩擦单元101和第二摩擦单元201沿轴向长条状排列的情况。采用这种设计的发电机优势在于不仅能够被轴向力驱动，而且还能够被与圆筒面相切的旋转动力驱动，甚至在这两种力同时作用时，发电机仍然能够正常工作。这使得纳米发电机的应用范围得到了极大的扩展。而且为了适应与圆筒面相切的旋转动力和轴向驱动力的同时作用，还可以将条状摩擦单元设置成沿轴向螺旋形排布。这样通过控制第一摩擦层10和第二摩擦层20的相对摩擦速度，能够使第一摩擦单元101和第二摩擦单元201的接触面积达到最大。
[0100]第一摩擦单元101和第二摩擦单元201采用棋盘式布局设计，同样也具有能够同时被轴向和切向力所驱动的优势，为了使该布局得到更为清晰的展示，我们将形成内外套筒结构的第一导电元件11和第二导电元件21平铺后的图形进行展示，具体参见图7。可以看出，第一摩擦单元101和第二摩擦单元201均呈规则的棋盘状排列，使得第一摩擦层10和第二摩擦层20中形成了规则的孔洞结构，该孔洞结构保证了第一摩擦层10和第二摩擦层20在发生相对滑动摩擦时，摩擦面积能够发生变化，从而能够产生电信号向外输出。这种棋盘式的排布方式给本发明带来另一个非常显著的优势，即只要第一摩擦层10和第二摩擦层20之间发生较小的相对滑动，都能引起第一摩擦单元101和第二摩擦单元201接触面积的变化，亦即本发明的发电机在相对较小的驱动力的作用下，仍然能够正常工作；或者是在第一摩擦层10和第二摩擦层20之间的相对位移受到限制的情况下，该实施方式就显得尤为重要。
[0101]与棋盘式布局类似的是阵列式分散布局，具体参见图8。该布局方式与棋盘式布局的区别在于相邻的第一摩擦单元101之间没有任何接触，同样，相邻的第二摩擦单元201之间也没有任何接触。阵列单元(即第一或第二摩擦单元)的横截面形状可以为长方形、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、三角形等图形排列。除了具有棋盘式布局的上述优势外，该布局方式更为方便制备，有利于工业推广和应用。
[0102]虽然上述实施例中，第一摩擦单元101和第二摩擦单元201的形状、尺寸和排布方式都相同或相近，但是本领域的技术人员应该认识到这些并不是本发明的发电机能够正常工作的必要条件，因为只要能够使部分第一摩擦单元101和第二摩擦单元201在滑动摩擦的过程中摩擦面积发生变化，就能够使本发明的发电机输出电信号。因此，本领域的技术人员完全可以根据实际需要来设计第一摩擦单元101和第二摩擦单元201的形状、尺寸和排布方式，而这些设计都是在本发明所公开的原理下指导完成的，应属于本发明的保护范围。
[0103]本发明人发现，摩擦层中所包含的摩擦单元密度越大，滑动摩擦后产生的电荷量越大，二者呈线性正相关的关系，与此同时开路电压有所下降。因此，为了获得更大的输出电荷密度，优选第一摩擦层10中至少包含2个第一摩擦单元101，而第二摩擦层20中至少包含2个第二摩擦单元201，更优选工作状态下，每个第一摩擦单元101的外表面能与一个第二摩擦单元201的内表面基本完全接触。
[0104]第一摩擦单元101和第二摩擦单元201在与二者相对摩擦方向上的宽度一般没有限制，可以根据发电机的尺寸来确定，优选为0.1 μ m-5cm,更优选为10 μ m-lcm,本发明人发现，当该尺寸与摩擦单元的厚度相当时，摩擦层中的摩擦单元密度对表面电荷量的影响更为显著。在应用过程中可以根据该规律来选择合适的摩擦单元尺寸和排布密度。
[0105]本发明并不限定第一摩擦单元101和第二摩擦单元201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，例如我们常见的动物纤维很柔软，但是在相互摩擦的过程中会产生相当多的静电荷，因此本领域的技术人员可以根据实际情况选择硬质或柔性的材料。图9所示的是一种用超柔软并具有弹性的高分子材料做成的筒形摩擦纳米发电机，该发电机的优势在于柔软轻薄的摩擦层受到轻微的外力作用就会发生形变，而这种形变会引起两个摩擦层的相对位移，从而通过滑动摩擦向外输出电信号。柔性材料的使用使本发明的纳米发电机在生物和医学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102和202，将导电元件封装以方便使用并提高强度。同时，第一导电层和第二导电层均可以用柔软的导电高分子材料组成，以提高发电机整体的柔软性和可变形性。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，从而形成柔性和/或可以拉伸型的纳米发电机，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。
[0106]第一导电元件11和第二导电元件21作为发电机的两个电极，只要具备能够导电的特性即可，可选自金属、导电有机物或导电氧化物，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；常用的导电有机物为导电高分子聚合物，例如聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺和聚噻吩等。导电元件最好与相应的摩擦单元表面紧密接触，以保证电荷的传输效率；导电材料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，也可以直接利用金属板作为导电元件。导电元件并不必须限定是硬质的，也可以是柔性的，因为柔性导电元件同样可以起到对摩擦层的支撑和导电作用。
[0107]导电元件可以是薄膜或薄层，厚度的可选范围为10nm-5cm,优选为50nm-lcm,优选100nm-5mm,优选I μ m-lmm。另外，在内侧的第一导电元件还可以是实心的棒(参见图4-c)。导电元件可以与其相应的摩擦层具有相同的分布图案，具体的制备可以采用半导体制备中常规的掩膜-刻蚀、溅射沉积等方法。
[0108]导电元件还可以由若干与相应摩擦单元具有相同尺寸和形状的导电单元(111和211)组成，亦即导电元件不是连续的。这种实施方式更适合于在不连续的导电元件另一侧还设置支撑元件(103和203)的情况(参见图10)，由支撑材料形成内外套层结构，并在支撑材料上形成所需的导电元件和摩擦层，具体的制备方法可以采用本领域常规的方法，例如刻蚀、溅射沉积相结合的方式等。该实施方式的优势在于，可以利用支撑元件半径能够被撑开扩大和收缩变小的弹性，在第一曲面和第二曲面同轴的情况下，实现第一摩擦单元101和第二摩擦单元201的接触和分离。具体可以为:第一摩擦单元101通过其上所沉积的第一导电单元111负载于弹性支撑层103上，第二摩擦单元201通过第二导电单元211负载于支撑元件203的内表面，从而形成同轴的内外套层结构。初始状态下，由于弹性支撑层103的作用，使得第一摩擦单元101与第二摩擦单元201分离(参见图ΙΟ-a)。在工作状态下，在弹性支撑层103内侧设置施力部件，该施力部件能够将弹性支撑层撑开，使第一曲面的半径扩大，同时带动第一摩擦单元101与第二摩擦单元201接触并发生滑动摩擦(参见图ΙΟ-b)，从而产生电信号向外电路输送。其中的施力部件可以是本领域中常规的、半径能够控制的部件，例如与伞的龙骨类似的部件，或者多个长度可以伸缩的推力施加部件组合等。
[0109]第一导电元件11和第二导电元件21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。
[0110]图11是本发明摩擦纳米发电机的另一种典型结构示意图，为了清晰的说明摩擦单元的布局和该实施例的主要特点，展示的仍然是形成套筒结构的第一导电元件和第二导电元件平铺后的结构示意图。其主要结构分别与图7所示的实施例相同，区别仅在于:第一摩擦层10中除第一摩擦单元101之外的空间填充有第一填充介质102，第二摩擦层20中除第二摩擦单元201之外的空间填充有第二填充介质202，第一填充介质102和第二填充介质202为相对于摩擦单元材料而言具有中性摩擦电极序的材料，在摩擦过程中不易发生电荷转移。第一填充介质102和第二填充介质202的加入使得第一摩擦层10和第二摩擦层20的机械强度大大增强，从而使本发明的发电机能够用于更为广泛的领域，并具有更长的寿命。虽然本实施例是棋盘式布局，但是显然在本发明的其他实施方式中加入填充介质也是完全可以的，而且第一填充介质102和第二填充介质202可以同时添加，也可以视情况分别添加，这些并不影响本发明发电机的正常工作。
[0111]第一填充介质102和第二填充介质202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)。
[0112]显然，如果发电机在使用的过程中需要液体、气体或真空环境，上述第一填充介质102和第二填充介质202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。
[0113]第一填充介质102和第二填充介质202的形状以满足对摩擦层强度的要求为基本原则，具体可以根据实际情况进行调整。例如，在第一摩擦层10和第二摩擦层20中都有填充介质，并且所述填充介质的高度均低于相应的摩擦单元，这种设置方式能够在保证发电机工作效率的同时，有效改善摩擦层的强度。当然，也可以只在机械强度稍弱的一个摩擦层中设置填充层。填充介质一般比摩擦单元的高度矮，但是也可以基本相同，这种情况适用于摩擦单元材料本身强度较小的情况。由于填充介质是由具有相对中性摩擦电特性的材料构成的，因此即便在滑动的过程中与另一摩擦层中的摩擦单元发生摩擦，但是由于其不易发生电荷转移的特性，使得这种摩擦不会对发电机的整体效率产生明显影响。
[0114]为了方便使用，同时也为了使发电机能够在液体以及湿度较大的环境下或具有腐蚀性的环境下工作，在第一导电元件内表面和/或第二导电元件外表面还可以包括柔性或硬性支撑元件，例如图4-b中的支撑元件103和图10中的支撑层103和203。支撑元件的主要作用是提高发电机的机械强度，对于材料本身的性质没有特别限定，优选使用半导体或绝缘体。同时，第二导电元件外侧的支撑元件还可以做成层状，用来作为封装层使用，以保护发电机的核心部件，延长其寿命。
[0115]实施例1
[0116]第一导电兀件米用尺寸为6.4cmX3.8cm的金属铜薄片，第二导电兀件米用
6.4cmX 4.5cm的金属招片,第一摩擦单元的材料采用特富龙(聚四氟乙烯)薄膜，第二摩擦单元的材料为聚对苯二甲酸乙二酯(PET)。聚四氟乙烯和聚对苯二甲酸乙二酯在摩擦电极序中分别具有极负和极正的极性。特富龙被制作成2个长宽高分别为6cm、1.6cm和0.2cm的条状薄膜结构，并且按照图6的方式用导电胶间隔粘贴在铜片上，聚对苯二甲酸乙二酯以相同的尺寸和间隔分布在铝片上在。将铜片粘贴有特富龙的一面朝外、围绕一个直径约
0.6cm、长IOcm的塑料棒卷成一个圆筒形并用胶条将两端固定，将铝片粘贴有聚对苯二甲酸乙二酯一面朝内、围绕之前形成的铜圆筒卷成一个直径稍大的筒形，并调整位置使得2个聚对苯二甲酸乙二酯条分别与2个特富龙条相对并能够表面接触，调整好位置后用胶条将圆筒固定成型，其外侧通过胶固定在绝缘支撑件上。
[0117]在金属铝片和金属铜片上引出导线后，将聚对苯二甲酸乙二酯条和聚四氟乙烯条相对放置，使二者尽量完全正对接触。通过电动机给塑料棒施加外力，使其以0.6米/秒的平均线速率发生转动，聚对苯二甲酸乙二酯条和聚四氟乙烯条之间产生滑动摩擦，并且摩擦面积发生周期性变化，从而促使摩擦纳米发电机工作，所产生的开路电压输出图见图12。
[0118]实施例2
[0119]本实施例与实施例1基本相同，区别仅在于:以厚度为600 μ m的硅片为第二摩擦单元材料，在硅片表面旋转涂覆上一层光刻胶，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，将光刻完成后的硅片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。然后将其分割成长2cm、宽2cm的小块，并按照棋盘状布置在第二导电元件的表面；在聚丙烯酸酯棒的表面，通过掩膜刻蚀-金属沉积的方式形成与第二摩擦单元的图形相同的棋盘状Ag薄层，该薄层同时充当第一导电元件。当硅片与Ag两种材料在外力作用下接触并发生相对滑动时，由于硅片表面具有凹陷结构，较水平面接触增大了接触面积，因此能够改善发电机的输出性能。
[0120]实施例3
[0121]本实施例与实施例1基本相同，区别在于先通过掩膜-刻蚀-金属沉积-掩膜除去等常规方式在六棱柱的聚氯醚套管外形成如图5所示的环形金Au条，条沿轴向的宽度约为100 μ m。然后在其上继续通过旋涂、刻蚀的方式在金条顶部制备聚二甲基硅氧烷(PDMS)环形条作为第一摩擦单元，并且表面进一步采用电感耦合等离子体刻蚀方法制备纳米线阵列，具体步骤为:在PDMS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，对沉积有金的一面进行刻蚀，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，得到基本垂直于膜层的长度约为1.5微米的PDMS纳米棒阵列。
[0122]为了与第一摩擦单元的形状匹配，在铝片上通过旋涂、刻蚀的方式形成与PDMS条尺寸和形状相似的PET环形条，并且将修饰后的铝片折成与聚氯醚套管相匹配的六棱柱面，使PDMS条与PET条表面接触(结构与图4-c类似)。向聚氯醚套管施加速度为lOm/s的周期性轴向外力，使得PDMS条与PET条产生滑动摩擦，并且二者之间的接触面积发生周期性的变化，从而向外输出周期性的电信号。由于PDMS薄膜表面具有微结构，使之与PET的接触面积增加，发电机的输出性能得到改善。
[0123]实施例4
[0124]以厚度为100 μ m金属铜薄膜为第二导电元件，通过光刻掩膜的方法在其表面形成预设的、直径约2 μ m孔洞图案，金属铜表层通过孔洞底部露出，再通过气相沉积的方法在图案处选择性沉积出长度约ΙΟμπι的氧化锌棒。接着，利用半导体加工工艺中的甩膜技术在上述制得的器件上均匀甩上一层聚丙烯腈进行填充，然后对填充材料进行如加热或曝光等处理，待其机械强度达到要求范围后，利用等离子体干法刻蚀技术将填充材料顶部均匀除去合适厚度，使氧化锌顶部露出适当的高度即可形成所需第二摩擦层。以直径为2μπ?的金属铝柱为第一导电元件，利用光刻掩膜的方法在其表面形成与金属铜片上相应的类似图案，并通过溅射的方法在图案处沉积出长度约ΙΟμπι的金属铝柱，然后按照与第二摩擦层类似的制备方式，经甩膜、刻蚀等过程用聚丙烯腈对其进行填充，从而形成连续的第一摩擦层。最后，在金属铜层和金属铝层上引出导线连入外电路，将金属铜膜在铝柱外围绕一周形成套层结构，使氧化锌柱与铝柱面对面正对放置，即完成本发明的发电机制备。对铝柱同时施加轴向的平移动力和切向的旋转动力，其中轴向的平移动力为周期性往复动力。在外力的作用下，第一摩擦层和第二摩擦层发生相对滑动，并向外电路输出电信号。
[0125]本实施例中使用了填充层对发电机的摩擦层进行封装，能够显著增强摩擦单元的机械强度、延长发电机的工作寿命。
[0126]本发明的摩擦纳米发电机可以利用平动动能使发电机产生电能，为小型用电器提供电源，而不需要电池等电源供电，是一种使用方便的发电机。另外，本发明的摩擦纳米发电机制备方法简便、制备成本低廉，是一种应用范围广泛的摩擦纳米发电机和发电机。
[0127]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】
1.一种套层滑动式摩擦纳米发电机，其特征在于包括: 第一导电兀件， 与第一导电元件外表面接触放置的第一摩擦层， 第二导电元件， 与第二导电元件内表面接触放置的第二摩擦层， 其中，第一摩擦层中包含若干第一摩擦单元，第二摩擦层中包含若干第二摩擦单元，并且所有所述第一摩擦单元的外表面同属于第一曲面，所有所述第二摩擦单元的内表面同属于第二曲面，所述第一曲面与其外侧的所述第二曲面形成内外套层结构； 所述第一摩擦单元的外表面与所述第二摩擦单元的内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，并通过第一导电元件和第二导电元件向外电路输出电信号。
2.如权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦单元外表面的材料和所述第二摩擦单元内表面的材料之间存在摩擦电极序差异。
3.如权利要求1或2所述的发电机，其特征在于，至少部分所述第一摩擦单元的外表面与第二摩擦单元的内表面接触放置。
4.如权利要求1或2所 述的发电机，其特征在于，在没有外力作用时，所述第一摩擦单元的外表面与第二摩擦单元的内表面完全分离，在外力作用下，至少部分所述第一摩擦单元的外表面与第二摩擦单元的内表面接触并发生相对滑动摩擦。
5.如权利要求1-4任一项所述的发电机，其特征在于所述第一曲面和/或第二曲面为柱面、锥面或锥台面。
6.如权利要求1-5任一项所述的发电机，其特征在于所述第一曲面和/或第二曲面与轴向垂直的横截面为圆形、椭圆形、多边形或不规则图形。
7.如权利要求6所述的发电机，其特征在于所述多边形为所有边长均相等的正多边形。
8.如权利要求1-7任一项所述的发电机，其特征在于所述第一曲面与第二曲面的形状相同。
9.如权利要求1-8任一项所述的发电机，其特征在于所述第一曲面与第二曲面为同轴套层结构。
10.如权利要求9所述的发电机，其特征在于所述第一曲面与第二曲面为同轴圆柱形套筒结构。
11.如权利要求1-10任一项所述的发电机，其特征在于所述第一摩擦层和第二摩擦层之间的相对滑动摩擦为轴向和/或径向的。
12.如权利要求1-11任一项所述的发电机，其特征在于所述第一摩擦层中包含至少2个所述第一摩擦单元和/或所述第二摩擦层中至少包含至少2个所述第二摩擦单元。
13.如权利要求12所述的发电机，其特征在于所述第一摩擦单元在所述第一摩擦层中的排列图案与所述第二摩擦单元在所述第二摩擦层中的排列图案相呼应，使得所述第一摩擦层与所述第二摩擦层相对放置时，在外力的作用下每个所述第一摩擦单元的外表面至少能与一个所述第二摩擦单元的内表面部分接触。
14.如权利要求13所述的发电机，其特征在于所述第一摩擦单元与所述第二摩擦单元的形状、尺寸和/或排列图案相同，使得所述第一摩擦层与所述第二摩擦层相对放置时，在外力的作用下每个所述第一摩擦单元的外表面都能与一个所述第二摩擦单元的内表面基本完全接触。
15.如权利要求12-14任一项所述的发电机，其特征在于所述第一摩擦单元和第二摩擦单元的排列图案为阵列式离散排列。
16.如权利要求12-14任一项所述的发电机，其特征在于所述第一摩擦单元和第二摩擦单元的排列图案为棋盘状排列，使得所述第一摩擦层和第二摩擦层中形成孔洞结构。
17.如权利要求12-14任一项所述的发电机，其特征在于所述第一摩擦单元和第二摩擦单元的排列图案为间隔的条状或沿轴向螺旋形排列的条状。
18.如权利要求12-14任一项所述的发电机，其特征在于所述第一摩擦单元为与所述第一曲面同轴的环，并且，所述第二摩擦单元为与所述第二曲面同轴的环。
19.如权利要求17或18所述的发电机，其特征在于所述间隔的条状的长度方向或所述环的径向方向与所述第一摩擦单元和第二摩擦单元的相对摩擦方向垂直。
20.如权利要求1-19任一项所述的发电机，其特征在于在2个所述摩擦层相对摩擦的方向上，所述第一摩擦单元外表面和第二摩擦单元内表面的宽度为0.lym-5cm。
21.如权利要求20所述的发电机，其特征在于所述宽度为lOym-lcm。
22.如权利要求1-21任一项所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦单元的外表面材料和/或所述第二摩擦单元的内表面材料为绝缘材料或半导体材料。
23.如权利要求22所述的发电机，其特征在于，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；所述半导体材料选自硅、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。
24.如权利要求23所述的发电机，其特征在于，所述第III和第V族化合物选自砷化镓和磷化镓；所述第II和第VI族化合物选自硫化镉和硫化锌；所述由II1- V族化合物和I1-VI族化合物组成的固溶体选自镓铝砷和镓砷磷。
25.如权利要求1-21任一项所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦单元外表面材料和/或所述第二摩擦单元内表面材料为非导电氧化物、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和Y2O3。
26.如权利要求1-25任一项所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦单元的外表面和/或第二摩擦单元的内表面分布有微米或次微米量级的微结构。
27.如权利要求26所述的发电机，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。
28.如权利要求1-25任一项所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦单元的外表面和/或第二摩擦单元的内表面有纳米材料的点缀或涂层。
29.如权利要求1-28任一项所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦单元的外表面和/或第二摩擦单元的内表面经过化学改性，使得在所述第一摩擦单元的外表面材料引入容易得到电子的官能团和/或负电荷，和/或，在所述第二摩擦单元的内表面材料引入容易失去电子的官能团和/或正电荷。
30.如权利要求29所述的发电机，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，所述容易得到电子的官能团包括酰基、羧基、硝基或磺酸基。
31.如权利要求1-30任一项所述的发电机，其特征在于用导电材料替换绝缘材料或半导体材料制备所述第一摩擦单元或第二摩擦单元。
32.如权利要求31所述的发电机，其特征在于构成所述第一摩擦单元或第二摩擦单元的所述导电材料选自金属、导电氧化物和导电有机物。
33.如权利要求1-32任一项所述的发电机,其特征在于所述第一导电兀件和第二导电兀件选自金属、导电氧化物和导电有机物。
34.如权利要求32或33所述的发电机，其特征在于所述金属选自金、银、钼、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金，所述的导电有机物选自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺和聚噻吩。
35.如权利要求1-34任一项所述的发电机,其特征在于所述第一导电兀件为棒、薄膜或薄层，第二导电元件为薄膜或薄层。
36.如权利要求1-35任一项所述的发电机,其特征在于所述第一导电兀件、第二导电元件、第一摩擦层和/或第二摩擦层为硬质的。
37.如权利要求1-35任一项所述的发电机,其特征在于所述第一导电兀件、第二导电元件、第一摩擦层和/或第二摩擦层为柔性的。
38.如权利要求1-37任一项所述的发电机，其特征在于所述第一导电元件固定在所述第一摩擦层内表面，和/或，所述第二导电元件固定在所述第二摩擦层外表面。
39.如权利要求1-38任一项所述的发电机，其特征在于所述第一摩擦层中还包含第一填充介质用于填充除第一摩擦单元以外的空间和/或所述第二摩擦层中还包含第二填充介质用于填充除第二摩擦单元以外的空间。
40.如权利要求39所述的发电机，其特征在于所述第一填充介质和第二填充介质由具有相对于第一摩擦单元和第二摩擦单元显中性摩擦电极序的材料构成。
41.如权利要求40所述的发电机，其特征在于所述具有中性摩擦电极序的材料选自聚异丁烯、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)。
42.如权利要求39-41任一项所述的发电机,其特征在于所述第一填充介质的厚度小于或等于第一摩擦单元的厚度，第二填充介质的厚度小于或等于第二摩擦单元的厚度。
43.如权利要求39-42任一项所述的发电机，其特征在于所述第一填充介质和/或第二填充介质为不导电的固体、不导电的液体、不导电的气体或真空环境。
44.如权利要求1-43任一项所述的发电机,其特征在于所述第一导电兀件内表面和/或第二导电元件外表面还包括柔性或硬性支撑元件。
45.如权利要求1-44任一项所述的发电机,其特征在于所述第一导电兀件由若干与第一摩擦单元具有相同的尺寸和形状的第一导电单元组成，和/或，所述第二导电元件由若干与第二摩擦单元具有相同的`尺寸和形状的第二导电单元组成。
【文档编号】H02N1/04GK103780125SQ201310079478
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年3月13日 优先权日:2013年3月13日
【发明者】王中林 申请人:国家纳米科学中心