一种摩擦纳米发电的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种摩擦纳米发电机，包括壳体和置于壳体空腔中可自由运动的芯体，所述芯体自内向外依次包括：内芯、附着在所述内芯外表面的第一导电层以及与所述第一导电层的外表面接触设置的第一摩擦层，所述第一摩擦层的外表面面向所述空腔；所述壳体自外向内依次包括：外壳、附着在所述外壳内表面的第二导电层以及与所述第二导电层的内表面接触设置的第二摩擦层，所述第二摩擦层的内表面面向所述空腔。在外力作用下，芯体在所述空腔中运动，使所述第一摩擦层的外表面与第二摩擦层的内表面接触和分离，所述第一导电层和第二导电层能够向外电路输出电信号。本发明提供的摩擦纳米发电机是一种结构简单、应用范围广泛的装置。
【专利说明】一种摩擦纳米发电机【技术领域】
[0001]本发明涉及能量转化领域，特别涉及一种摩擦纳米发电机，该摩擦纳米发电机能够将机械能转化为电能。
【背景技术】
[0002]在微电子和材料技术高速发展的今日，大量具有多种功能和高度集成化的新型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]目前已经开发出基于两种不同摩擦性质的材料之间的接触和分离来发电的摩擦电纳米发电机，可以将自然存在的机械能转化为电能。现有的摩擦电纳米发电机通常由两种不同摩擦性质的材料构成，两种不同摩擦性质的材料之间通过弹性的分离材料隔离，受到外力作用时，弹性的分离材料被压缩使两种不同摩擦性质的材料表面互相接触或摩擦而产生电荷转移，实现发电。但是，这种摩擦电纳米发电机中，两种不同摩擦性质的材料之间通过弹性的分离材料实现互相接触和分离，不能实现自动分离和接触，不仅发电机的结构复杂，而且接收外界机械能的范围也受到结构的限制。
【发明内容】
[0004]为了克服现有技术中的上述问题，本发明提供一种结构简单的摩擦纳米发电机，可以用来回收震动、冲击、风力或海潮等产生的机械能量，能够将施加在摩擦纳米发电机上的机械能转化为电能。
[0005]为实现上述目的，本发明提供一种摩擦纳米发电机，包括壳体和芯体，其中，
[0006]所述芯体置于所述壳体的空腔中，所述芯体自内向外依次包括:内芯，附着在所述内芯外表面的第一导电层，以及与所述第一导电层的外表面接触设置的第一摩擦层，所述第一摩擦层的外表面面向所述空腔；
[0007]所述壳体自外向内依次包括:外壳，附着在所述外壳内表面的第二导电层，以及与所述第二导电层的内表面接触设置的第二摩擦层，所述第二摩擦层的内表面面向所述空腔；
[0008]在外力作用下，芯体在所述空腔中运动，使所述第一摩擦层的外表面与第二摩擦层的内表面接触和分离，所述第一导电层和第二导电层向外电路输出电信号。
[0009]优选的，所述第一摩擦层的外表面与第二摩擦层的内表面的材料存在摩擦电极序差异。
[0010]优选的，所述外壳为封闭结构。
[0011]优选的，所述第二摩擦层形成封闭结构。[0012]优选的，所述第一摩擦层形成封闭结构。
[0013]优选的，所述第一摩擦层的外表面为球面、椭球面或不规则球面。
[0014]优选的，所述第二摩擦层的内表面为球面、椭球面、不规则球面或柱面。
[0015]优选的，所述第一摩擦层的外表面为封闭结构球面，第二摩擦层的内表面为封闭结构球面。
[0016]优选的，所述第一摩擦层的外表面围成的结构为柱体。
[0017]优选的，所述柱体选自圆柱体、椭圆柱体或棱柱体。
[0018]优选的，所述第二摩擦层的内表面为球面、椭球面、不规则球面或柱面。
[0019]优选的，所述第一摩擦层包括互相不连通的多个第一摩擦单元；和/或
[0020]所述第二摩擦层包括互相不连通的多个第二摩擦单元。
[0021]优选的，所述外壳为对称结构的球壳或柱壳，所述第二摩擦层包括多个第二摩擦单元，并且多个所述第二摩擦单元在外壳的内表面上均匀设置。
[0022]优选的，所述第一摩擦层包括两个第一摩擦单元，所述第一导电层包括两个第一导电单元，所述内芯为柱体，在所述柱体的上下表面分别设置第一导电单元，在两个所述第一导电单元上分别接触设置第一摩擦单元；
[0023]所述第二摩擦层包括两个第二摩擦单元，所述第二导电层包括两个第二导电单兀，所述外壳的内表面围成的结构为柱体，在所述外壳内表面的上下底面分别设置第二导电单元，在两个所述第二导电单元上分别接触设置第二摩擦单元；
[0024]两个所述第一摩擦单元分别与两个所述第二摩擦单元面对面设置，在所述外力作用下，所述内芯在所述外壳中沿着外壳内表面围成柱体的轴线方向运动。
[0025]优选的，面对面设置的所述第一摩擦单元与第二摩擦单元的的表面互相平行或图形互补。
[0026]优选的，内芯外侧面的尺寸与外壳内表面的尺寸相匹配。
[0027]优选的，所述内芯为圆柱体、椭圆柱体或棱柱体；所述外壳的内表面围成的结构为圆柱体、椭圆柱体、棱柱体结构。
[0028]优选的，所述内芯的高度小于两个第二摩擦单元之间距离的10%。
[0029]优选的，所述壳体中还包括若干个弹性部件，所述第二导电单元通过所述弹性部件设置在所述外壳的内表面。
[0030]优选的，所述芯体与壳体之间包括多个弹性部件，其中，所述内芯的上表面与所述外壳内表面的上底面之间包括至少一个弹性部件；所述内芯下表面与外壳内表面的下底面之间包括至少一个弹性部件。
[0031]优选的，所述第一摩擦层的外表面和/或第二摩擦层的内表面分布有微米或次微米量级的微结构，或者纳米材料的点缀或涂层。
[0032]优选的，所述第一摩擦层的外表面材料和/或所述第二摩擦层的内表面材料为绝缘材料或半导体材料。
[0033]优选的，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、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、聚三氟氯乙烯和聚四氟乙烯；
[0034]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。
[0035]优选的，所述第一摩擦层的外表面和/或第二摩擦层的内表面经过化学改性，使得在极性为正的材料表面引入容易得到电子的官能团和/或在极性为负的材料表面引入容易失去电子的官能团。
[0036]优选的，所述第一摩擦层的外表面和/或第二摩擦层的内表面经过化学改性，使得在极性为负的材料表面引入负电荷和/或在极性为正的材料表面引入正电荷。
[0037]优选的，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层或第二摩擦层。
[0038]优选的，构成所述第一摩擦层或第二摩擦层的所述导电材料选自金属、导电氧化物和导电高分子。
[0039]优选的，所述第一摩擦层和/或第二摩擦层为薄膜或薄片。
[0040]优选的，所述第一摩擦层和/或第二摩擦层为柔性材料。
[0041]优选的，所述第一摩擦层和/或第二摩擦层为硬性材料。
[0042]优选的，所述第一导电层和/或第二导电层为薄膜或薄片。
[0043]优选的，所述外壳为柔性或硬性材料。
[0044]与现有技术相比，本发明的摩擦纳米发电机具有下列优点:
[0045]1、本发明的摩擦纳米发电机结构简单、应用范围广:芯体和壳体采用核壳结构设计，并且芯体直接置于壳体中，互相之间不需要特意设置弹性连接件或隔离材料，在受到外力作用时，芯体与壳体自动接触和分离，即芯体最外层的第一摩擦层与壳体最内层的第二摩擦层发生接触和分离，并发生表面电荷转移，能够在与两个摩擦层接触设置的导电层之间产生电信号输出，实现将外力的机械能转变为电能的目的。突破了现有摩擦电发电机中复杂的结构、高的成本、大的体积、低的稳定性和低的转化效率。极大的简化了结构和制备工艺，降低了生产成本，非常有利于在工业上的推广和应用。特别可以应用在震动、冲击等产生的冲击力机械能的收集。
[0046]2、本发明的摩擦纳米发电机，当外壳为封闭结构时，可以隔绝液体、气体等，使摩擦纳米发电机的发电过程不受周围环境的影响，因此可以应用于风力、水流等环境下的长
期稳定工作。
[0047]3、本发明的摩擦纳米发电机中，第一摩擦层采用多个摩擦单元的设计，可以根据芯体与第二摩擦单元的接触产生的电信号来确定施加在发电机上外力的方向。因此，摩擦纳米发电机可以是一个无需电源供电的惯量和机械传感装置，能够应用在飞行器的自动控制、微机械和定位系统中。
[0048]4、本发明的摩擦纳米发动机中，柱体结构的内芯在壳体中只能沿着一维方向运动的设计，能够将往复振动、翻转等能量转变为电能。特别是首次利用重物(内芯)在壳体中的上下移动，通过和摩擦电发电机相结合，实现将重力能有效地转化成电能，具有广泛的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0049]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。
[0050]图1为根据本发明的摩擦纳米发电机实施例一的典型结构示意图；
[0051]图2a为实施例一的具体发电机的实物照片；
[0052]图2b为实施例一中的摩擦纳米发电机在受到周期性外力作用时所测试到的开路电压和短路电流随时间的变化；
[0053]图3为根据本发明的摩擦纳米发电机的发电过程示意图；
[0054]图4为根据本发明的摩擦纳米发电机的实施例二的典型结构示意图；
[0055]图5为实施例二中摩擦纳米发电机的优选实施方式的结构示意图；
[0056]图6为根据本发明的摩擦纳米发电机的实施例三的结构示意图；
[0057]图7为实施例三中的摩擦纳米发电机的发电过程示意图；
[0058]图8为实施例三中的具体摩擦纳米发电机的实物图片；
[0059]图9和图10为实施例三中包括弹性部件的摩擦纳米发电机的结构示意图；以及
[0060]图11为包括弹性部件的摩擦纳米发电机在转动装置上应用的示意图。
【具体实施方式】
[0061]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。
[0062]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的保护范围。
[0063]本发明提供一种结构简单的摩擦纳米发电机，其能够将运动、振动、风力、潮汐和水流等自然存在的机械能转化为电能。根据本发明的摩擦纳米发电机的技术方案是:采用壳体包围芯体的结构，受到外力作用时，壳体最内层的第二摩擦层与芯体最外层的第一摩擦层互相接触和分离，第一摩擦层与第二摩擦层之间产生电荷转移。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第一摩擦层和第二摩擦层接触时产生表面电荷转移的现象，能够高效的将各个方向的机械能转变为电能。
[0064]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。
[0065]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。
[0066]为了便于理解本发明的技术方案，下面结合附图详细介绍本发明的【具体实施方式】。
[0067]实施例一:
[0068]参见图1，本发明的摩擦纳米发电机的一种典型基本结构包括壳体和芯体，其中，所述芯体自内向外依次包括:内芯1、附着在内芯I外表面的第一导电层2以及与第一导电层2的外表面接触设置的第一摩擦层3，第一摩擦层3的外表面面向壳体的空腔7 ;所述壳体自外向内依次包括:外壳4、附着在外壳4内表面的第二导电层5以及与第二导电层5的内表面接触设置的第二摩擦层6，第二摩擦层6的内表面面向空腔7。该摩擦纳米发电机结构中还包括与摩擦纳米发电机结构必然相关的电极弓丨出线，用于将第一导电层2和第二导电层5的信号引出到摩擦纳米发电机的外部。其中，第一摩擦层3和第二摩擦层6均为连续结构，即第一摩擦层3为一个整体，第二摩擦层6为一个整体。
[0069]需要说明的是，根据该摩擦纳米发电机的具体结构，第一导电层2的电极引出线(导线)的长度要适当，不应该限制芯体在壳体中的自由运动。
[0070]由于芯体直接置于壳体中，互相之间不需要连接件进行连接，在外力作用下，芯体在壳体中运动，使第一摩擦层3的外表面与第二摩擦层6的内表面接触和分离，第一导电层2和第二导电层5向外电路输出电信号。
[0071]本发明的摩擦纳米发电机中，外壳可以为封闭结构的球壳、柱壳等，也可以为非封闭结构的柱形筒状、部分球壳等。优选外壳为封闭结构，例如可以为球壳、椭球壳或柱壳等封闭的壳状结构，参见图1，封闭结构的外壳4将第二导电层5、第二摩擦层6、芯体都封闭在外壳内。采用封闭结构外壳的摩擦纳米发电机可以隔绝液体、气体，从而可以在液体、气体等环境中使用根据本发明的摩擦纳米发电机，而发电过程不受外部环境的影响。需要将第一导电层2和第二导电层5分别通过导线从外壳4内引出发电机，用于为发电机连接负载或测试设备。外壳的材料可以为柔性材料也可以为硬性材料，外壳的材料优选为抗酸碱性的材料，例如柔性有机物绝缘材料。
[0072]本实施例所述的壳体的空腔7，具体为壳体的内表面围成的空间，更具体的可以为第二摩擦层6的内表面和外壳的部分内表面围成的空间，或者为第二摩擦层6的内表面围成的空间。对于封闭结构的外壳，如果第二摩擦层6也为封闭结构，例如图1中第二摩擦层6也为球壳状，则第二摩擦层6的内表面围成的空间为空腔7 ;如果第二摩擦层6为非封闭结构，由于第二导电层5与第二摩擦层6对应设置，外壳4的部分内表面未被第二摩擦层6覆盖，因此，第二摩擦层6的内表面和外壳4的部分内表面围成的空间为空腔7。空腔可以为包括开口的空腔，也可以为密闭的空腔。本实施例中优选第二摩擦层6为封闭结构，当芯体在壳体中运动时，可以增加第二摩擦层6与第一摩擦层3接触的几率。封闭结构的第二摩擦层6的内表面可以为球面、椭球面或不规则球面。[0073]相应的，本发明的摩擦纳米发电机的芯体最外层的第一摩擦层3可以为封闭结构，也可以为非封闭结构。本实施例中，第一摩擦层3优选为封闭结构，当芯体在壳体中运动时，可以增加第一摩擦层3与第二摩擦层6接触的几率。封闭结构的第一摩擦层3的外表面围成的结构可以为球形、柱形、椭球形等结构。封闭结构的第一摩擦层3的外表面为球面、椭球面或不规则球面。
[0074]封闭结构的第一摩擦层3的外表面围成的结构也可以为柱体，可以为圆柱体、椭圆柱体或棱柱体。优选的，封闭结构的第二摩擦层6的内表面也可以为球面、椭球面、不规则球面或柱面。
[0075]本实施例中，优选为第一摩擦层3、第二摩擦层6和外壳都为封闭结构，第二摩擦层6的内表面围成的空间为无开口的空腔，当摩擦纳米发电机受到外力作用，芯体在壳体中运动时，使第一摩擦层3与第二摩擦层6发生接触和分离，由于第一摩擦层3外表面的材料与第二摩擦层6内表面的材料之间存在摩擦电极序差异，在第一摩擦层3的外表面与第二摩擦层6的内表面发生表面电荷转移,通过第一导电层2与第二导电层5向外电路输出电信号。
[0076]第一摩擦层3 (或第一摩擦层3的外表面)与第二摩擦层6 (或第二摩擦层6的内表面)的材料可以选择任意两种具有摩擦电极序差异的材料，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接触或摩擦的过程中能够在表面产生接触电荷。
[0077]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层3和第二摩擦层6的材料，此处列举一些常用的有机物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(PA)、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(PTFE)。
[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层3或第二摩擦层6的材料。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11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纳米发电机中的第一摩擦层3和第二摩擦层6，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IT0。[0079]可以采用导电材料替换绝缘材料或半导体材料制备第一摩擦层3或第二摩擦层
6。这样，可以用第一摩擦层3或第二摩擦层6的材料代替第一导电层2或第二导电层5，进一步简化根据本发明的摩擦纳米发电机的结构。导电材料可以选自上述金属、导电氧化物和导电闻分子材料。
[0080]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供参考，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。
[0081]通过实验发现，当第一摩擦层3和第二摩擦层6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，根据本发明的摩擦纳米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3和第二摩擦层6，以获得更好的输出效果。
[0082]为了增加第一摩擦层3的外表面与第二摩擦层6的内表面之间的接触面积，从而增大接触电荷量，还可以对第一摩擦层3的外表面和/或第二摩擦层6的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，或者纳米材料的点缀或涂层。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等。
[0083]还可以对第一摩擦层3的外表面和/或第二摩擦层6的内表面进行化学改性，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:
[0084]一种方法是对于相互接触的第一摩擦层3和第二摩擦层6的材料，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，从而在摩擦单元的材料表面引入氨基。
[0085]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，故会使整个基板变成带正电性。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。
[0086]本发明第一摩擦层3和第二摩擦层6可以采用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。本实施例中优选第一摩擦层3和第二摩擦层6至少有一个为柔性材料，可以增大第一摩擦层3和第二摩擦层6的接触面积。[0087]第一摩擦层3和第二摩擦层6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层强度与发电效率等因素。本发明优选第一摩擦层3和/或第二摩擦层6为薄膜或薄片，厚度为50nm-2cm,优选I μ m-50 μ m, 50 μ m-500 μ m,更优选500 μ m-800mm,更优选lmm-500mm，这些厚度对本发明中所有的技术方案都适用。
[0088]第一导电层2和第二导电层5的材料可以选自金属、导电氧化物和导电高分子材料。金属可以选自金、银、钼、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金。内芯和外壳的材料选择不特别要求，可以为柔性材料也可以为硬性材料。内芯优选为密度较大的陶瓷、金属等材料。第一导电层2与内芯，以及第二导电层5与外壳之间可以通过粘贴等方式进行结合，只要能够使第一导电层2附着在内芯的外表面(或者第二导电层5附着在外壳的内表面)上即可。第一导电层2和第二导电层5优选为薄膜材料,而第一摩擦层3与第一导电层2之间、第二摩擦层6与第二导电层5之间需要有良好的接触，可以采用在第一摩擦层3上制备第一导电层2、在第二摩擦层6上制备第二导电层5的方法进行制备，例如采用蒸镀、溅射等方法在摩擦层材料上制备导电层薄膜材料，能够保证摩擦层材料与导电层材料的良好接触。根据摩擦层材料和导电层材料的不同，本领域技术人员能够选择合适的方法进行制备。
[0089]一个具体实施例为:第一摩擦层3采用厚度为25微米的PA膜，在PA膜的一个表面上蒸镀厚度为250纳米的Cu膜(为第一导电层2)，在第一导电层2的Cu膜表面用银浆连接导线后，将PA膜制备有Cu膜的表面附着在直径为50毫米的小球外表面上形成芯体，芯体的最外层为PA膜，将该芯体置于一个尺寸较大的玻璃球壳内，该球壳的内表面为直径大于I厘米的球面。第二摩擦层6采用厚度为25微米的PTFE膜，在PTFE膜的一个表面上蒸镀厚度为250纳米的Cu膜(为第二导电层5)，在第二导电层5的Cu膜表面用银浆连接导线后，将制备有Cu膜的PTFE膜附着在前述玻璃球壳的内表面形成壳体，将第一导电层2和第二导电层5的导线连出玻璃球壳后将玻璃球壳进行密封形成封闭结构外壳。PTFE膜内表面围成的结构形成封闭的空腔7，芯体位于该空腔7内，PA膜的外表面面向空腔7。图2a为本实施例的摩擦纳米发电机的实物照片，该发电机受到外力作用，芯体和壳体不断接触和分离，通过与第一导电层2和第二导电层5连接的导线引出发电机的输出信号，图2b示出了摩擦纳米发电机的开路电压和短路电流随时间变化的测试结果，从测量结果看出，该摩擦纳米发电机的最大开路电压约为120V，最大短路电流约为7μ A。
[0090]下面以图2所示的摩擦纳米发电机为例，详细介绍根据本发明的摩擦纳米发电机的发电过程。参见图3，外力作用在摩擦纳米发电机上，使芯体在壳体中运动，带动PA膜(第一摩擦层)31外表面与PTFE膜(第二摩擦层)61内表面相互接触或摩擦发生表面电荷转移，由于PA膜31外表面和PTFE膜61内表面的材料在摩擦电极序中的位置不同，形成一层表面接触电荷(参见图3a)。PA膜31外表面产生正电荷，而和PTFE膜61内表面产生负电荷，两种电荷的电量大小相同，因此在第一导电层21和第二导电层51之间没有电势差，也就没有电荷流动。当PA膜31外表面与PTFE膜61内表面分离后，此时，由第一导电层21和PA膜31所构成的整体具有净剩正电荷，而第二导电层51和PTFE膜61所构成的整体具有净剩负电荷，因此在第一导电层21和第二导电层51之间产生了电势差。为平衡摩擦电荷导致的电势差，电子通过外电路由第二导电层51流入第一导电层21，从而在外电路产生由第一导电层21到第二导电层51的瞬时电流(参见图3b)，当第一导电层21上的负电荷与PA膜外表面的正电荷达到平衡时，第二导电层51上的正电荷与PTFE膜内表面的负电荷达到平衡时，在第一导电层21和第二导电层51之间没有电势差,在外电路也就没有电流产生(参见图3c)。PA膜31的内表面与PTFE膜的外表面再次靠近时，第二摩擦层61对第一导电层21负电荷的排斥增强，第一导电层21上的电子向第二导电层51流动(参见图3d),形成一个反向电流信号(参见图3d)。当PA膜31的外表面与PTFE膜61的内表面再次发生接触后，由摩擦电荷导致的电势降低到最小，参见图3a。由此可见，发电机的芯体在壳体空腔中的往复运动，会促使内芯11带动的第一摩擦层31和外壳41带动的第二摩擦层61发生不断接触和分离，从而不断地形成电信号输出。本发明的发电机采用封闭结构外壳，可以应用在空气、液体、气体环境中以回收震动、水流、潮汐或风产生的能量。
[0091]实施例二:
[0092]实施例一中，摩擦纳米发电机的第一摩擦层3和第二摩擦层6均为连续结构，本实施例与实施例一的区别仅在于，第一摩擦层和第二摩擦层中至少有一个为非连续结构，即第一摩擦层包括互相不连通的多个第一摩擦单元，和/或第二摩擦层包括互相不连通的多个第二摩擦单元。发电机各部分的材料可以与实施例一中完全相同。
[0093]在本发明中，第一导电层为第一摩擦层的电极层，第二导电层为第二摩擦层的电极层，因此，在本实施例中，所述第一摩擦层包括互不连通的多个第一摩擦单元，相应的，第一导电层也包括互不连通的多个第一导电单元，以保证多个第一摩擦单元之间互不连通。同样，第二摩擦层包括互不连通的多个第二摩擦单元，相应的，第二导电层也包括互不连通的多个第二导电单元。
[0094]本实施例中，以第一摩擦层包括2个摩擦单元、第二摩擦层包括2个摩擦单元为例，具体介绍本实施例中发电机的结构。参见图4，发电机包括壳体和置于壳体空腔中的芯体，其中，所述芯体自内向外依次包括:内芯12、附着在内芯12外表面的第一导电层以及与第一导电层的外表面接触设置的第一摩擦层，其中，第一导电层包括两个互相不连通的第一导电单元221和222，相应的，第一摩擦层包括多个互相不连通的第一摩擦单元321和322,每个第一摩擦单兀的外表面面向壳体的空腔72。所述壳体自外向内依次包括:外壳42、附着在外壳42内表面的第二导电层以及与第二导电层内表面接触设置的第二摩擦层，第二摩擦层的内表面面向空腔7，其中，第二导电层包括两个互相不连通的第二导电单元521和522，相应的，第二摩擦层包括多个互相不连通的第二摩擦单元621和622 ;每个第二摩擦单元的外表面面向壳体的空腔72。发电机结构中还包括与发电机结构必然相关的导电单元引出线(图4中未标出)，用于将多个第一导电单元和多个第二导电单元引出发电机后连接负载或测试设备。
[0095]多个第一摩擦单元的材料和形状可以相同也可以不同，同样，多个第二摩擦单元的材料和形状可以相同也可以不同。
[0096]由于芯体直接置于壳体中，互相之间不需要连接件进行连接，在外力作用下，芯体在壳体中运动，使第一摩擦层单元的外表面与第二摩擦单元的内表面接触和分离，相应的第一导电单元和第二导电单元向外电路输出电信号。
[0097]本发明的发电机中，外壳可以为封闭结构的球壳、柱壳等，也可以为非封闭结构的柱形筒状、部分球壳等，参见图4。优选外壳为封闭结构,例如可以为球壳、椭球壳或柱壳等封闭的壳状结构，封闭结构的外壳将第二导电层、第二摩擦层、芯体都封闭在外壳内。采用封闭结构外壳的发电机可以使用在液体、气体等环境中，发电过程不受环境的影响。
[0098]本实施例所述壳体的空腔72，具体为壳体的内表面围成的空间，对于第二摩擦层包括多个互相不连通的第二摩擦单元的情况，空腔为多个第二摩擦单元的内表面和外壳的部分内表面围成的空间。对于封闭结构的外壳，空腔为密闭结构；对于非封闭结构的外壳，空腔为包括开口的空腔。外壳可以为柔性也可以为硬性材料，只需要保证外壳的内表面为绝缘材料即可，外壳的材料优选为抗酸碱性的材料，例如柔性有机物绝缘材料。
[0099]本实施例中，优选为第二摩擦层包括多个第二摩擦单元，更优选为多个第二摩擦单兀均勻分布。本实施例中发电机的一个优选结构可以参见图5,外壳43为封闭的球壳、柱壳等对称结构，第二摩擦层53包括多个第二摩擦单元，并且多个所述第二摩擦单元在外壳的内表面上均匀分布；相应的，第二导电层63包括多个第二导电单元，并且每个第二导电单元位于一个第二摩擦单元与外壳之间，用于连接第二摩擦单元与外壳的内表面，并且为第二摩擦单元充当电极。第一摩擦层33和第一导电层23可以为连续结构也可以为封闭结构。这种结构的发电机，当芯体与第二摩擦单元发生碰撞时，与第二摩擦单元接触设置的第二导电单元有电信号输出，根据第二摩擦单元或第二导电单元在外壳内表面的位置，可以定位发电机受到力的方向。
[0100]本实施例中的第一摩擦层和第二摩擦层可以采用与实施例一中相同的材料，在此不在复述。优选的，第一摩擦层和第二摩擦层至少有一个为柔性材料，可以增大第一摩擦层和第二摩擦层的接触面积。
[0101 ] 本实施例中，如果第一摩擦层为包括多个第一摩擦单元的情况，则要求内芯的外表面为绝缘材料，可以采用陶瓷、有机物等绝缘材料的内芯。如果第二摩擦层为包括多个第二摩擦单元的情况，则要求外壳的内表面为绝缘材料，可以采用玻璃、绝缘橡胶等材料。这是本领域的技术人员根据发电机的结构容易想到的，可以根据具体应用情况进行内芯和外壳材料的选择，在此不应限定本发明的保护范围。
[0102]实施例三:
[0103]实施例二中，芯体在壳体中的运动不受限制，可以在三维空间的任意方向运动。本实施例与实施例二的区别在于，芯体在壳体中只能在一维方向运动。发电机各部分的材料可以与实施例一或实施例二中完全相同。
[0104]参见图6,发电机包括壳体和置于壳体空腔中的芯体,其中，芯体的内芯14为柱体，内芯14的上、下表面分别设置第一导电单兀241和242,在第一导电单兀241和242上分别接触设置第一摩擦单元341和342 ;所述壳体的外壳44内表面围成的结构也为柱体，在外壳44内表面的上下底面分别设置第二导电单兀541和542,在第二导电单兀541和542上分别接触设置第二摩擦单元641和642。两个第一摩擦单元341和342分别与两个第二摩擦单元641和642面对面设置。第二摩擦单元641和642的内表面(即面向芯体的表面)与外壳44的部分内表面(未被第二导电单兀覆盖的内表面)围成的空间为壳体的空腔74。在这里，第一摩擦单元341或342面向第二摩擦单元的表面称为第一摩擦单元的外表面，第二摩擦单元641或642面向第一摩擦单元的表面称为第二摩擦单元的内表面。芯体在空腔74中可以沿着外壳内表面围成柱体的轴线方向(箭头方向)进行一维运动。芯体向上运动可以使第一摩擦单元341的外表面与第二摩擦单元641的内表面接触，芯体向下运动可以使第二摩擦单元342的外表面与第二摩擦单元642的内表面接触。可以将该实施例中的发电机看作是两个发电机单元NGl和NG2形成的发电机组，发电机单元NGl由第一导电单元241、第一摩擦单元341、第二导电单元541和第二摩擦单元641共同组成。另一个发电机单元NG2由第一导电单元242、第一摩擦单元342、第二导电单元542和第二摩擦单元642共同组成。
[0105]所述的第一摩擦单元的外表面、第二摩擦单元的内表面的名称只是为了与实施例一和实施例二中的名称统一，以方便描述。
[0106]这样结构的发电机，在外力作用下使芯体在壳体中运动，使第一摩擦单元341的外表面与第二摩擦单元641的内表面接触，或者使第一摩擦单元342的外表面与第二摩擦单元642的内表面接触，能够在第一发电机单元NGl和/或第二发电机单元NG2的导电单元向外电路输出电信号。这里所述的外力可以是一种振动或者晃动的力，能够使芯体在壳体内沿着箭头所示方向进行往复运动；也可以是将发电机进行快速的上下翻转的外力，芯体在自身重力(主要是内芯14的重力)作用下在壳体内进行往复运动。
[0107]为了说明方便，将第二摩擦单元642所在的部位称为壳体的底部，第二摩擦单元641所在的部位称为壳体的顶部。
[0108]下面通过图7详细介绍本实施例的发电机的发电过程，第一发电机单元NGl的第一摩擦单元341与第二摩擦单元641的材料摩擦电极序不同，二者之间存在得电子能力的差异。同样，第二发电机单元NG2的第一摩擦单元342与第二摩擦单元642的材料摩擦电极序不同，二者之间存在得电子能力的差异。以第一摩擦单元341 (342)的表面电子能力强而第二摩擦单元641 (642)的表面则更容易失去电子，通过外力上下翻转发电机为例，具体进行说明。当芯体由于重力的作用在空腔74中运动至壳体的底部时，带动第一摩擦单元342的外表面与第二摩擦单元642的内表面接触，使第一摩擦单元342表面带有负电荷，而第二摩擦单元642表面则带正电荷(参见图7a)。当发电机在外力作用下上下翻转后，由于重力作用，芯体向壳体的顶部移动，第一摩擦单元342与第二摩擦单元642分离。为了达到电荷的平衡，电子会从第一导电单兀242向第二导电单兀542移动(参见图7 b),从而对外输出电信号。当芯体到达壳体的顶部时，将带动第一摩擦单元341的外表面与第二摩擦单元641的内表面接触,使第二摩擦单元641的表面带正电,第一摩擦单元341的表面带负电，而第一导电单元242和第一摩擦单元342组成的整体与第二导电单元542与第二摩擦单元642组成的整体之间的电荷达到平衡(参见图7c)。当发电机再次翻转，使芯体又向底部移动时，接触的第一摩擦单元341和第二摩擦单元641分离。为了达到电荷的平衡，电子会从第一导电单兀241向第二导电单兀541移动，同时，电子也会从第二导电单兀542向第一导电单元242移动(参见图7d)。当芯体接触底部后，第一摩擦单元342与第二摩擦单元642的表面电荷完全平衡后，并没有电子的流动(参见图7e)。当芯体又从底部向顶部移动时，第一摩擦单元342与第二摩擦单元642再次分离，将导致电子从第一导电单元242向第二导电单兀542移动，同时，电子也会从第二导电单兀541向第一导电单兀241移动(参见图7f)，对外输出电流。当第一摩擦单元341的外表面与第二摩擦单元641的内表面完全接触后，此时，并没有电子在外电路中流动，观察不到电流输出。此后的整个循环过程如图7c-7f所示。
[0109]本实施例的发电机中，优选为，面对面设置的第一摩擦单元与第二摩擦单元的表面互相平行或图形互补，以保证第一摩擦单元与第二摩擦单元每次接触时接触面积最大。具体的，第一摩擦单元341与第二摩擦单元641的表面互相平行或图形互补，第一摩擦单元342与第二摩擦单元642的表面互相平行或图形互补。
[0110]本实施例的发电机中，优选为,外壳为封闭结构，多个第一导电单兀和第二导电单元的导线引出外壳后，将芯体、第二摩擦单元、第二导电单元全部密封在所述外壳中。这样结构的发电机，为全封闭的发电机，可以在气体、液体等环境下进行发电，工作过程不受环境的影响。外壳的材料优选能够抗酸碱的材料，例如有机绝缘材料等。
[0111]优选的，内芯14外侧面的尺寸与外壳44内表面的尺寸相匹配，在所述外力作用下，内芯14在外壳44中运动时,不会改变内芯与外壳的相对取向，即内芯在外壳中运动时，外壳内表面围成柱体的轴线方向与内芯的轴线方向的夹角基本不变。
[0112]本实施例中，内芯可以为圆柱体、椭圆柱体、棱柱体等柱体。外壳的内表面围成的结构可以为圆柱体、椭圆柱体、棱柱体等柱体结构。本发明中所述的椭圆柱体中，沿着垂直与柱体轴线方向的截面为椭圆。
[0113]优选的，内芯14的高度小于两个第二摩擦单元641和642之间距离的10%。两个第二摩擦单元641和642之间的距离优选为大于5cm，内芯14的高度小于5mm。
[0114]一个具体实施例为:采用磁控溅射法在两片半径6cm、厚度25 μ m的聚四氟乙烯(PTFE)圆片上表面均匀镀一层Al薄膜，冷却后分别在铝Al薄膜的外侧通过焊接固定导线，实现铝Al薄膜与导线的连接。采用磁控溅射法在在两半径6cm、厚度25 μ m的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的下表面均匀镀上一层铝Al薄膜，冷却后分别在铝Al薄膜的外侧通过焊接固定导线，实现铝Al薄层与导线的连接。以圆柱型玻璃壳体为外壳，外壳的内部为半径7cm、高度15cm的圆柱形空腔，在圆柱形空腔的上下底面分别粘贴上述制备有Al薄层的PET圆片，使两个PET圆片的上表面面对面设置，PET为第二摩擦单元材料，完成壳体的制作。以半径6cm、高度Icm的圆柱形陶瓷柱为内芯,将上述制备的2片半径6cm、厚度25 μ m的聚四氟乙烯(PTFE)制备有Al薄膜的表面分别贴在内芯的上下表面，完成芯体的制作。将所有连接在Al薄膜的导线引出玻璃外壳，并用绝缘胶将玻璃外壳的开口密封，完成全封闭发电机的制备，见图8。当陶瓷内芯在外壳里面上下移动的时候，由于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚四氟乙烯(PTFE)的不断接触和分离，电压表有相应的电信号输出，说明能够将机械能转化为电能进行发电。
[0115]本实施例中，柱体结构的内芯在壳体中只能沿着一维方向运动的设计，能够将往复振动、翻转等能量转变为电能。而且，首次利用重物(内芯)在壳体中的上下移动，通过和摩擦电发电机相结合，实现将重力能有效的转化成电能，具有广泛的应用前景。
[0116]本实施例的发电机中，还可以将两个发电机单元进行并联或串联，提高发电机的输出性能。例如，将两个第一导电单元241和242连接在一起，将两个第二导电单元541和542连接在一起，实现两个发电机单元的并联。将两个第一导电单元241和242连接在一起或两个第二导电单元541和542连接在一起，实现两个发电机单元的串联。
[0117]本实施例中，发电机还可以包括若干个弹性部件，使第一摩擦单元与第二摩擦单元接触后，在弹性部件的作用下，芯体与壳体能够自动分离，而不需要额外施加外力。弹性部件可以为弹簧、弹性海绵等常用的弹性部件。本实施例中，弹性部件优选为绝缘材料制成的部件。所述弹性部件可以设置在壳体中，也可以设置在壳体与芯体之间。下面结合附图分别介绍两种情况。[0118]壳体中包括若干个弹性部件的情况，第二导电单元通过弹性部件设置在外壳的内表面，使所述第二导电单元可以远离或靠近外壳内表面的上下底面。参见图9，在第二导电单兀541与外壳44内表面的上底面之间设置弹性部件811,在第二导电单兀542与外壳44内表面的下底面之间设置弹性部件812，使第二摩擦单元641和第二导电单元541组成的整体通过弹性部件811连接在外壳44内表面的上底面，第二摩擦单元642和第二导电单元542组成的整体通过弹性部件812连接在外壳44内表面的下底面。在外力作用下，芯体在壳体中运动，内芯带动第一摩擦单元341与第二摩擦单元641接触，同时使弹性部件811被压缩，弹性部件811储存能量。之后，弹性部件811弹性回复释放储存的能量，使第二摩擦单元641和第二导电单元541组成的整体向下运动，同时芯体在弹性部件811的作用下离开第二摩擦单元641，向着外壳44内表面的下底面运动。内芯带动第一摩擦单元342与第二摩擦单元642接触，同时使弹性部件812被压缩储存能量，之后，弹性部件812弹性回复，使芯体在弹性部件812的作用下离开第二摩擦单元642，再次向着外壳内表面的上底面运动，如此循环。弹性部件811和812的设置，不需要为发电机施加周期性外力，即可使内芯在外壳中往复运动。
[0119]图9中，弹性部件811和812的一端连接在弟二导电单兀表面的中部，另一端连接在外壳内表面的上下底面的中部。实际中，弹性部件与第二导电单元和外壳的连接部位可以任意选择，而且弹性部件的数量也不限定在两个，弹性部件的连接位置和数量只要满足第二导电单元与第二摩擦单元组成的整体(541和641，541和642)在壳体中的运动方向基本沿着壳体内表面围成柱体的轴线方向即可。根据实际需要，可以只在一个第二导电单元与外壳之间设置弹性部件。 [0120]芯体与壳体之间包括多个弹性部件的情况，具体为:内芯的上表面与外壳内表面的上底面之间包括至少一个弹性部件，内芯下表面与外壳内表面的下底面之间包括至少一个弹性部件，使内芯可以远离或靠近外壳内表面的上下底面。参见图10，在芯体和壳体之间包括多个弹性部件，两个弹性部件821的一端连接在外壳44柱形内表面的上底面，另一端连接在柱形内芯14的上表面；两个弹性部件822的一端连接在外壳44柱形内表面的下底面，另一端连接在柱形内芯14的下表面。外力作用下，芯体向壳体的底部运动，使第一摩擦单元342的外表面与第二摩擦单元642的内表面接触或摩擦，同时，使弹性部件822被压缩而弹性部件821被拉伸。弹性部件821和822的弹性回复力使芯体向着外壳内表面的顶部运动，使第一摩擦单元341的外表面与第二摩擦单元641的内表面接触或摩擦，同时，使弹性部件821被压缩而弹性部件822被拉伸。由于弹性部件821和822的设置，芯体可以在壳体中上下往复运动，而不需要多次施加外力使芯体在壳体中运动，也不需要外力将壳体翻转来依靠芯体自身的重力促使第一摩擦单元与第二摩擦单元的接触。
[0121]图10中，弹性部件821和822的一端连接在柱形内芯的上下表面的边缘，另一端连接在外壳内表面的上下底面的边缘。实际中，弹性部件与内芯和外壳的连接部位可以任意选择，而且弹性部件的数量也不限定在四个，弹性部件的连接位置和数量只要满足芯体在壳体中运动时不会改变内芯与外壳的相对取向即可，即内芯在外壳中运动时，外壳内表面围成柱体的轴线方向与内芯的轴线方向的夹角基本不变。
[0122]包括弹性部件的摩擦纳米发电机，可以应用在车轮等转动装置上，参见图11，在车轮9上设置若干个图9或图10所示的摩擦纳米发电机10，摩擦纳米发电机的设置方向优选为芯体在壳体中的运动方向沿着车轮的径向，使壳体的顶部靠近车轮的转动中心，底部远离车轮的转动中心。当车轮沿着箭头方向转动时，芯体在弹性部件作用下在壳体中作往复运动，使面对面设置的第一摩擦单元与第二摩擦单元接触和分离，将车轮转动的机械能转变为电能。
[0123]本发明所有实施例中的发电机都可以与整流器连接，将发电机产生的电信号转变为直流电，为小型用电器或电池供电。
[0124]本发明的摩擦纳米发电机的各部分都可以采用现有的技术制备，具体的制备方法在这里不做特别限定。
[0125]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】
1.一种摩擦纳米发电机，其特征在于，该摩擦纳米发电机包括壳体和芯体，其中， 所述芯体置于所述壳体的空腔中，所述芯体自内向外依次包括:内芯、附着在所述内芯外表面的第一导电层以及与所述第一导电层的外表面接触设置的第一摩擦层，所述第一摩擦层的外表面面向所述空腔； 所述壳体自外向内依次包括:外壳、附着在所述外壳内表面的第二导电层以及与所述第二导电层的内表面接触设置的第二摩擦层，所述第二摩擦层的内表面面向所述空腔； 在外力作用下，所述芯体在所述空腔中运动，使所述第一摩擦层的外表面与所述第二摩擦层的内表面接触和分离，所述第一导电层和所述第二导电层向外电路输出电信号。
2.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一摩擦层的外表面与所述第二摩擦层的内表面的材料之间存在摩擦电极序差异。
3.根据权利要求1或2所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述外壳为封闭结构。
4.根据权利要求1-3任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第二摩擦层形成封闭结构。
5.根据权利要求1-4任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一摩擦层形成封闭结构。
6.根据权利要求1-5任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一摩擦层的外表面为球面、椭球面或不规则球面。
7.根据权利要求6所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第二摩擦层的内表面为球面、椭球面、不规则球面或柱面。`
8.根据权利要求1-5任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一摩擦层的外表面为封闭结构球面，第二摩擦层的内表面为封闭结构球面。
9.根据权利要求1-5任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一摩擦层的外表面围成的结构为柱体。
10.根据权利要求9所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述柱体选自圆柱体、椭圆柱体或棱柱体。
11.根据权利要求10所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第二摩擦层的内表面为球面、椭球面、不规则球面或柱面。
12.根据权利要求1-3任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一摩擦层包括互相不连通的多个第一摩擦单元；和/或 所述第二摩擦层包括互相不连通的多个第二摩擦单元。
13.根据权利要求12所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述外壳为对称结构的球壳或柱壳，所述第二摩擦层包括多个第二摩擦单元，并且多个所述第二摩擦单元在外壳的内表面上均匀设置。
14.根据权利要求12所述的摩擦纳米发电机，其特征在于， 所述第一摩擦层包括两个第一摩擦单元，所述第一导电层包括两个第一导电单元，所述内芯为柱体，在所述柱体的上下表面分别设置第一导电单元，在两个所述第一导电单元上分别接触设置第一摩擦单元； 所述第二摩擦层包括两个第二摩擦单元，所述第二导电层包括两个第二导电单元，所述外壳的内表面围成的结构为柱体，在所述外壳内表面的上下底面分别设置第二导电单元，在两个所述第二导电单元上分别接触设置第二摩擦单元； 两个所述第一摩擦单元分别与两个所述第二摩擦单元面对面设置，在所述外力作用下，所述内芯在所述外壳中沿着外壳内表面围成柱体的轴线方向运动。
15.根据权利要求14所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，面对面设置的所述第一摩擦单元与第二摩擦单元的的表面互相平行或图形互补。
16.根据权利要求14或15所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述内芯外侧面的尺寸与所述外壳内表面的尺寸相匹配。
17.根据权利要求14或15所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述内芯为圆柱体、椭圆柱体或棱柱体；所述外壳的内表面围成的结构为圆柱体、椭圆柱体、棱柱体结构。
18.根据权利要求14-17任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述内芯的高度小于两个第二摩擦单元之间距离的10%。
19.根据权利要求14-18任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述壳体中还包括若干个弹性部件，所述第二导电单元通过所述弹性部件设置在所述外壳的内表面。
20.根据权利要求14-18任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述芯体与壳体之间包括多个弹性部件，其中，所述内芯的上表面与所述外壳内表面的上底面之间包括至少一个弹性部件；所述内芯下表面与外壳内表面的下底面之间包括至少一个弹性部件。
21.根据权利要求1-20任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一摩擦层的外表面和/或第二摩擦层 的内表面分布有微米或次微米量级的微结构，或者纳米材料的点缀或涂层。
22.根据权利要求1-21任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一摩擦层的外表面材料和/或所述第二摩擦层的内表面材料为绝缘材料或半导体材料。
23.根据权利要求22所述的摩擦纳米发电机，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、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、聚三氟氯乙烯和聚四氟乙烯； 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.根据权利要求1-23任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一摩擦层的外表面和/或第二摩擦层的内表面经过化学改性，使得在极性为正的材料表面引入容易得到电子的官能团和/或在极性为负的材料表面引入容易失去电子的官能团。
25.根据权利要求1-23任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一摩擦层的外表面和/或第二摩擦层的内表面经过化学改性，使得在极性为负的材料表面引入负电荷和/或在极性为正的材料表面引入正电荷。
26.根据权利要求1-25任一项所述的摩擦纳米发电机，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层或第二摩擦层。
27.根据权利要26所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，构成所述第一摩擦层或第二摩擦层的所述导电材料选自金属、导电氧化物和导电高分子。
28.根据权利要求1-26任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一摩擦层和/或第二摩擦层为薄膜或薄片。
29.根据权利要求1-28任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一摩擦层和/或第二摩擦层为柔性材料。
30.根据权利要求1-28任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一摩擦层和/或第二摩擦层为硬性材料。
31.根据权利要求1-30任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一导电层和/或第二导电层为薄膜或薄片。
32.根据权利要求1-31任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述外壳为柔性或硬性材料。`
【文档编号】H02N1/04GK103780127SQ201310129681
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年4月15日 优先权日:2013年4月15日
【发明者】王中林, 杨亚 申请人:国家纳米科学中心