一种风力摩擦纳米发电的制造方法

一种风力摩擦纳米发电的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种风力摩擦纳米发电机，包括第一部件和能够发生弹性弯曲形变的第二部件，所述第一部件包括第一导电元件，和,与所述第一导电元件上表面直接贴合的第一摩擦层；所述第二部件包括第二摩擦层，和与所述第二摩擦层上表面直接贴合的第二导电元件；所述第一部件和第二部件至少一端相对固定，并且所述第一摩擦层和第二摩擦层面对面；在风力的作用下至少部分所述第一摩擦层的上表面与所述第二摩擦层的下表面形成接触-分离循环，并通过所述第一导电元件和第二导电元件向外电路输出电信号。对本发明的滑动摩擦纳米发电机施加周期性的切向外力时，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。
【专利说明】—种风力摩擦纳米发电机
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种风力发电机，特别涉及利用风力驱动接触摩擦进行发电的纳米发电机。
【背景技术】
[0002]随着物联网技术的迅速兴起，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]风能作为一种潜能巨大的绿色清洁能源，从古至今一直受到人们的重视。通过高效的利用和储存风能来解决目前面临的能源紧缺问题，已经成了全世界人们的一个共识。其中，风力发电是最为主要和重要的一个风能利用途径。但是目前的风力发电都是通过风驱动风车的转动把风的动能转变成机械能，再通过发电机把机械能转化为电能。而且为了稳定发电，还必须附加一个把风车转速提高到发电机额定转速的齿轮变速箱，和一个调速机构使转速保持稳定。可见，整个风力发电机的结构很复杂，需要很多大型的组件，根本无法满足微型电子器件的供电要求。

【发明内容】

[0004]为了克服现有技术中的上述问题，本发明提供一种基于接触摩擦发电的风力纳米发电机，利用风的动能及动能的变化性驱动两个摩擦层发生接触和分离，进而产生电信号向外输出。
[0005]为实现上述目的，本发明提供一种风力摩擦纳米发电机，包括第一部件和能够发生弹性弯曲形变的第二部件，其特征在于:
[0006]所述第一部件包括第一导电元件，和与所述第一导电元件上表面直接贴合的第一
摩擦层；
[0007]所述第二部件包括第二摩擦层，和与所述第二摩擦层上表面直接贴合的第二导电元件；
[0008]所述第一部件和第二部件至少一端相对固定，并且所述第一摩擦层和第二摩擦层面对面；
[0009]在风力的作用下至少部分所述第一摩擦层的上表面与所述第二摩擦层的下表面形成接触-分离循环，并通过所述第一导电元件和第二导电元件向外电路输出电信号；
[0010]优选地，所述第一摩擦层的上表面材料和所述第二摩擦层的下表面材料之间有摩擦电极序差异；
[0011]优选地，所述第二部件的一端固定在第一部件上，另一端为自由端；[0012]优选地，所述第二部件的两端固定在第一部件上使所述第二摩擦层形成一曲面，并且至少部分所述第一摩擦层的上表面和所述第二摩擦层的下表面之间形成间隙；
[0013]优选地，还包括一挡板，所述挡板与所述第二部件面对面间隔放置，使所述第二部件位于所述挡板和所述第一部件之间；
[0014]优选地，所述挡板与所述第一部件平行；
[0015]优选地，所述挡板在面向第二部件的表面上有立体结构或增设辅助部件；
[0016]优选地，所述第二部件是弹性的，杨氏模量在IOMPa到IOGPa之间；
[0017]优选地，所述第一摩擦层和/或第二摩擦层为绝缘材料或半导体材料；
[0018]优选地，所述绝缘材料选自聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、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、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和派瑞林；所述的半导体材料选自娃、锗、第III和第V族化合物、第II和第VI族化合物、氧化物、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；
[0019]优选地,所述绝缘材料选自聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烧碳酸酯、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；所述氧化物选自锰、铬、铁或铜的氧化物；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；
[0020]优选地，所述第一摩擦层和/或第二摩擦层为非导电氧化物、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
Y2O3。
[0021]优选地，所述第一摩擦层上表面和/或第二摩擦层的下表面分布有微米或次微米量级的微结构；
[0022]优选地，所述微结构选自纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构；
[0023]优选地，所述第一摩擦层上表面和/或第二摩擦层的下表面有纳米材料的点缀或涂层；
[0024]优选地，所述第一摩擦层上表面和/或第二摩擦层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；
[0025]优选地，所述第一摩擦层上表面和/或第二摩擦层的下表面经过化学改性，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；
[0026]优选地，所述第一摩擦层为导电材料并且与所述第一导电元件合二为一，或，所述第二摩擦层为导电材料并且与所述第二导电元件合二为一；
[0027]优选地，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和导电氧化物；
[0028]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;
[0029]优选地，所述第一导电元件和/或第二导电元件选自金属和导电氧化物；
[0030]优选地，所述第一导电元件和/或第二导电元件选自金、银、钼、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金；
[0031 ] 优选地，包括I个所述第一部件和I个所述第二部件；
[0032]优选地，包括I个所述第一部件和2个所述第二部件，其中所述第一部件由导电的所述第一摩擦层构成，2个所述第二部件分别位于所述第一摩擦层的上下两侧；
[0033]优选地，2个所述第二部件中的第二摩擦层与所述第一摩擦层相比，具有相同的摩擦电极序趋势。
[0034]本发明还提供一种发电机组，由2个前述任一种发电机构成，其特征在于:所述2个发电机相对放置，使两个第二部件面对面并有一定间隔；
[0035]优选地，所述2个发电机相同；
[0036]优选地，所述2个发电机的第一部件互相平行；
[0037]优选地，所述2个发电机的第一部件之间形成一夹角；
[0038]优选地，所述2个发电机的方向相同。
[0039]本发明还提供一种层状发电机组，其特征在于由2个以上前述的发电机组纵向叠加构成，并且在两个相邻发电机组的第一部件之间设置连接件使二者相连；
[0040]优选地,所述连接件由绝缘材料制成；
[0041]优选地，所有所述发电机组的第一部件均平行；
[0042]优选地，所有所述发电机组中发电机的方向均相同；
[0043]优选地，所有所述发电机组中的发电机均相同；
[0044]优选地，所有相邻发电机组中互相接触的2个所述第一摩擦层均为导电材料，并
且将二者合二为一成为共用第一摩擦层；
[0045]优选地，所述共用第一摩擦层与其两侧的第二摩擦层相比，具有相同的摩擦电极序趋势。
[0046]与现有技术相比，本发明的风力摩擦纳米发电机具有下列优点:
[0047]1、全新的结构设计使风能微型发电变为现实。本发明的发电机巧妙地利用了弹性材料的弯曲形变和该形变对气体流动的影响，首次成功地实现了由非周期性变化的动力源驱动摩擦纳米发电机正常工作的目的，从而制备出了可以用于各种领域的微型风力发电机。
[0048]2、能量的高效利用。传统的风力发电机必须三级以上的自然风才能驱动，而本发明的发电机在轻微的风力扰动下即可工作。特别是用在某些器件上时，可利用器件本身运动所产生的气流来驱动，使得本发明发电机可以收集更为多样化的能量，并且不受天气条件的影响，实现能量的高效利用。
[0049]3、结构简单、轻巧便携和高度兼容。本发明的风力发电机无需风车、变速箱、调速机、发电机等组件，结构简单，体积很小，制作方便、成本低廉、能够安装在各种微型电子器件上，无需特殊的工作环境，因此具有很高的兼容性。
[0050]4、用途广泛。通过对发电机中第一摩擦层的上表面和第二摩擦层的下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工作时所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。
【专利附图】

【附图说明】
[0051]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。
[0052]图1为本发明风力摩擦纳米发电机的一种典型结构示意图，其中(a)为外观示意图，(b)为剖面结构示意图，(C)和(d)是在风力作用下的结构示意图；
[0053]图2为本发明风力摩擦纳米发电机的发电原理的剖面示意图；
[0054]图3为本发明风力摩擦纳米发电机的另一种典型结构示意图，其中(a)为第一摩擦层和第一导电元件合二为一的情况，(b)为第二摩擦层和第二导电元件合二为一的情况，(C)为两个发电机共用一个导电第一摩擦层的情况；
[0055]图4为本发明带挡板的风力摩擦纳米发电机的典型结构示意图；
[0056]图5为图4所示发电机在风力作用下的结构示意图；
[0057]图6为本发明风力摩擦纳米发电机组的一种典型结构示意图；
[0058]图7为图6所示发电机组在风力作用下的结构示意图；
[0059]图8为本发明的层状风力摩擦纳米发电机组的典型结构示意图，其中(a)为所有发电机方向相同的情况，(b)为发电机的方向不同的情况；
[0060]图9为本发明的层状风力摩擦纳米发电机组的另一种典型结构示意图；
[0061]图10为本发明的层状风力摩擦纳米发电机组的另一种典型结构示意图；
[0062]图11为本发明的层状风力摩擦纳米发电机组的另一种典型结构示意图；
[0063]图12为本发明的层状风力摩擦纳米发电机组的另一种典型结构示意图；
[0064]图13为本发明风力摩擦纳米发电机第一部件单端固定的典型结构示意图；
[0065]图14为本发明风力摩擦纳米发电机在吹风机提供的、5m/s的风速下驱动点亮80盏商用LED灯泡实时照片。
【具体实施方式】
[0066]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。
[0067]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。
[0068]本发明提供一种将风能转化为电能的、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，将风力产生的机械能转化为电能。
[0069]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。
[0070]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。
[0071]本发明中“发电机的方向”指的是平行于发电机第一摩擦层的平面并垂直于第二导电元件中被固定的边长的方向。
[0072]图1是本发明风力摩擦纳米发电机的一种典型结构。从下至上依次包括第一部件和能够发生弹性弯曲形变的第二部件，其中第一部件包括第一导电元件11、与所述第一导电元件11上表面接触放置的第一摩擦层10，第二部件包括与所述第一摩擦层10对面放置的第二摩擦层20、与第二摩擦层20上表面固定接触放置的第二导电元件21 ;其中第二部件为一曲面并通过两端固定在第一部件中第一摩擦层10的上表面，从而使第二摩擦层20的下表面和第一摩擦层10的上表面之间形成拱形空隙(参见图Ι-a和图Ι-b)，为使该空隙能够得以保持，由第二摩擦层20和其上表面的第二导电元件21所构成的第二部件整体应具有弹性弯曲形变的特性；当风吹过纳米发电机时，第二部件在风力的作用下发生弯曲形变，使第二摩擦层20的下表面与第一摩擦层10的上表面发生部分接触形成接触摩擦面，并且风向不同时，发生形变的位置不同，导致该接触摩擦面的面积和位置也不同，图Ι-c和图Ι-d示意出2种比较典型的弯曲形变方式；当风力减弱或风向变化导致作用在第二摩擦层20和第二导电元件21上的力减弱时，自身的弹性使得二者部分或全部恢复原状，或者形变的位置和方式发生变化，导致之前形成的接触摩擦面因第一摩擦层10和第二摩擦层20的局部分离而消失，接触摩擦的面积因此发生变化，从而通过第一导电元件11和第二导电元件21向外电路输出电信号。对于图Ι-c所示的情况，即便风速是恒定的，由于风垂直吹到第二部件后，会改变方向沿着第二部件的表面向四周扩散开去，这样就形成与第二部件平行的气流，该气流会导致第二部件的受迫振动，即颤振，造成两摩擦层之间的分离和接触，从而形成电流的输出。
[0073]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。
[0074]由于本发电机电信号的产生和输出是通过第一摩擦层10和第二摩擦层20的接触-分离过程来实现的，因此此处仅以二者接触部位的局部放大图为例来说明发电机的工作原理，使得整个过程更为清楚，具体参见图2。在没有外力的初始状态下，由于第二部件中的第二摩擦层20和/或第二导电元件21本身的弹性，第一摩擦层10和第二摩擦层20之间存在一定的间隔(参见图2中A步骤)。当有风吹过时，会有部分力作用在第二部件上，使第二摩擦层20和第二导电元件21发生弯曲形变，从而使第二摩擦层20与第一摩擦层10接触，由于这两个摩擦层分别由具有摩擦电极序差的材料形成，因此在接触的瞬间发生表面电荷转移，形成一层表面接触电荷(参见图2中B步骤)。根据第一摩擦层10和第二摩擦层20的材料在摩擦电极序中的相对位置，第二摩擦层20表面产生正电荷，而第一摩擦层10表面产生负电荷，两种电荷的电量大小相同，因此在第一导电兀件11和第二导电兀件21之间没有电势差，也就没有电荷流动。当和第二摩擦层20相互作用的气流的强度和/或方向改变而造成第二摩擦层的颤振时，在第二摩擦层20和/或第二导电元件21的弹性作用下，第一摩擦层10与第二摩擦层20开始分离，此时由第一导电元件11和第一摩擦层10所构成的第一部件具有净剩负电荷，而第二导电元件21和第二摩擦层20所构成的第二部件具有净剩正电荷，因此在第一导电元件11和第二导电元件21之间产生了电势差。为平衡该电势差，电子通过外接导线由第二导电元件21流入第一导电元件11，从而在外电路产生由第一电极层到第二电极层的瞬时电流(参见图2中C步骤)，当第一摩擦层10回到初始位置时，它与第二摩擦层20之间的间距达到最大，二者的电荷都达到平衡，在第一导电元件11和第二导电元件21之间没有电势差，在外电路也就没有电流产生(参见图2中D步骤)。当风力再度作用时，由于第一导电元件11与第二摩擦层20的间距变小，第二摩擦层20表面的正电荷对第一导电元件11中正电荷的排斥作用增强，同时第一摩擦层10表面的负电荷对第二导电元件21中正电荷的吸引作用也增强，由此导致第一导电元件11和第二导电元件21之间产生与之前方向相反的电势差。为进一步平衡该电势差，电子通过外电路由第一导电元件11流入第二导电元件21，从而在外电路产生与第一次方向相反的瞬时电流(参见图2中步骤E)。当作用在第一摩擦层上的外力继续施加使其与第二摩擦层20发生接触后，就又重复上面B-E步骤的情形。由此可以看出，本发明的发电机能够工作前提是风本身所具有的方向、大小的多变性以及弹性物质与风之间的相互作用，使得作用在第二摩擦层20上的有效压力会发生变化，能够实现第一摩擦层10和第二摩擦层20之间不断的接触和分离，形成脉冲电信号向外输出。
[0075]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风力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来作具体选择，从而达到调控发电机输出性能的目的。
[0076]第一摩擦层10和第二摩擦层20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层10和第二摩擦层20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、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、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、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和派瑞林。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。
[0077]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和高分子材料相差较大。因此，半导体和金属也可以作为制备第一摩擦层10或第二摩擦层20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ΙΤ0、掺杂的半导体和导电有机物。其中，导电有机物一般为导电高分子，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。
[0078]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。例如图3所示的实施方式，其中图3-a为由导电材料制备的第一摩擦层10和第一导电元件11合二为一，具体结构包括第一部件和能够发生弹性弯曲形变的第二部件，其中第一部件包括导电的第一摩擦层10，第二部件包括与所述第一摩擦层10对面放置的第二摩擦层20和与第二摩擦层20上表面固定接触放置的第二导电元件21 ;其中第二部件为一曲面并通过两端固定在第一部件中第一摩擦层10的上表面，从而使第二摩擦层20的下表面和第一摩擦层10的上表面之间形成拱形空隙。图3-b为第二摩擦层20和第二导电元件21合为一层，具体包括第一部件和能够发生弹性弯曲形变的第二部件，其中第一部件包括第一导电元件11和与第一导电元件11上表面贴合放置的第一摩擦层10，第二部件包括与所述第一摩擦层10对面放置的导电的第二摩擦层20 ;其中第二部件为一曲面并通过两端固定在第一部件中第一摩擦层10的上表面，从而使第二摩擦层20的下表面和第一摩擦层10的上表面之间形成拱形空隙。图3-c为两个发电机共用一个导电的第一摩擦层10的情形，为了防止在该共用的第一摩擦层10的两个表面所产生的接触电荷由于电性相异而互相中和，应确保该共用的第一摩擦层10与其两侧的第二摩擦层20相比，具有相同的摩擦电极序趋势，S卩如果第一摩擦层10相比于其上侧的第二摩擦层20具有较正的摩擦电极序，那么相对于其下侧的第二摩擦层20也具有较正的摩擦电极序。在满足该条件的情况下，上下两侧的第二摩擦层可以相同也可以不同。
[0079]通过实验发现，当第一摩擦层10和第二摩擦层20材料的得电子能力相差越大(SP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10和第二摩擦层20，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、铜、招、金、银和钢。
[0080]还可以对第一摩擦层10上表面和/或第二摩擦层20下表面进行物理改性，使其表面分布有微米或次微米量级的微结构阵列，以增加第一摩擦层10与第二摩擦层20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。
[0081]也可以对相互接触的第一摩擦层10和/或第二摩擦层20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:
[0082]一种方法是对于相互接触的第一摩擦层10和第二摩擦层20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。
[0083]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。
[0084]为了保证由第二摩擦层20和第二导电元件21所形成的第二部件具有可弯曲形变的弹性，优选第二摩擦层20是柔性的，更优选是弹性的，最好材料的杨氏模量在IOMPa到IOGPa之间。当第二摩擦层不具有弹性时，可以通过其上的第二导电元件21来实现整体的弹性，因为一般的金属薄层都具有弯曲形变的弹性。对于第二摩擦层20的厚度选择，一般综合考虑其弹性和机械强度两方面，较好为薄膜或薄层，具体可以为10nm-5mm，优选100nm-2mm,更优选I μ m-800 μ m,这些厚度对本发明中所有的技术方案都适用。如果第二摩擦层20和第二导电元件21均不具备弹性，还可以考虑在第二导电元件21的上表面附着一层能够发生弹性弯曲形变的材料，例如橡胶薄片等，由该附加材料来赋予第二部件的弹性。[0085]第二摩擦层20和第一摩擦层10之间所形成的拱形间隙的最大高度d主要取决于在使用时的风力大小和第二部件整体的弹性，只要施加到发电机上的风力能够使第二部件发生足够程度的弹性形变，从而第二摩擦层20可以与第一摩擦层10发生部分接触即可。实验结果显示，在接触面积相同的情况下，d值增加，可以提高发电机的输出性能，优选d值在
0.lmm-5mm之间，更优选在0.2_-3_。因此,提高第二部件的弹性无疑是优化发电机性能的一个重要途径。
[0086]对于第二部件的固定方式，虽然图1示出的是通过第二摩擦层20的两端固定在第一摩擦层10的上表面两侧，但实际上该固定位置并没有特殊限定，为了提高固定的牢靠度，还可以将第二摩擦层20的两端夹在第一摩擦层10和第一导电元件11之间，或是夹在第一导电元件和其他的支撑部件之间，如果有外加的支撑部件的话。固定的方式可以直接采用粘合或外加夹合部件。对于第一部件和/或第二部件中还包含例如支撑层等附加部件时，还可以通过这些附加部件来进行固定。
[0087]第一摩擦层10可以是硬质材料，也可以选择柔性材料，因为其平面的保持并不必须仅依靠其自身的特性，还可以借助第一导电元件11或实际应用时的安装环境来实现，其厚度对本发明的实施没有显著影响，本发明优选第一摩擦层10为薄膜或薄层，厚度为10nm_5mm,优选 100nm-2mmo
[0088]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、导电氧化物或导电有机物。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；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；导电有机物一般为导电高分子，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。
[0089]对第一导电元件11的厚度没有特别限定，可选范围为lOnm-lcm，优选为50nm-2mm,优选为IOOnm-1mm ;而第二导电元件21优选为薄层或薄膜，以使其具有更好的弯曲弹性，优选厚度为IOnm-1mm,更优选500nm_500 μ m。导电元件最好与相应的摩擦层表面紧密接触，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膜；具体的沉积方法可以为电子束蒸发、溶液电镀、等离子体溅射、磁控溅射或蒸镀。
[0090]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。
[0091]为了保证本发电机的机械强度，可以在第一导电元件的下表面和/或第二导电元件的上表面接触设置支撑层，优选为绝缘材料或半导体材料，例如塑料板、硅片或硅薄层
坐寸ο
[0092]图4为本发明风力纳米发电机的另一种典型结构。该发电机由I个图1所示的纳米发电机和一块挡板30组成，具体结构包括第一部件、能够发生弹性弯曲形变的第二部件和挡板30，其中第一部件包括第一导电元件11和与所述第一导电元件11上表面接触放置的第一摩擦层10，第二部件包括与所述第一摩擦层10对面放置的第二摩擦层20、与第二摩擦层20上表面固定接触放置的第二导电元件21 ;其中第二部件为一曲面并通过两端固定在第一部件中第一摩擦层10的上表面，从而使第二摩擦层20的下表面和第一摩擦层10的上表面之间形成拱形空隙；所述挡板30与弯曲的第二部件面对面间隔放置，使所述第二部件位于所述挡板30和所述第一部件之间，并且在所述第二部件和挡板30之间形成气流通道。当有气流通过该气流通道时，由于第二部件是弯曲的，而且具有弹性可变形性，会使得通过的气流在该气道中形成逆压力降，从而对空气动力产生影响(参见图5-a)，这种影响反过来再作用于第二部件的弹性形变使之发生变化(参见图5-b)，这样就构成了一种结构变形与空气动力交互作用的所谓气动弹性现象，使得第二摩擦层20发生周期性并不明显的形变，即为颤振，与在风中的旗帜飘动飞扬的现象极为类似。在颤振的过程中，第二摩擦层20完成了与第一摩擦层10的局部接触-分离过程(如A点从接触到分离，B点从分离到接触)，从而使得在第一导电兀件11和第二导电兀件21之间有电信号产生并向外电路输送。形成颤振的基本因素是空气动力、弹性力和惯性力三者的耦合作用，其中弹性力和惯性力是与材料本身的性质所决定的，当颤振的频率与第二部件，特别是第二摩擦层20和/或第二导电元件21本身的固有频率相同时，会形成共振，使得第二部件的颤振振幅达到最大，纳米发电机产生的电信号也最强。
[0093]图1和图3所示的实施方式中对第一摩擦层10、第一导电元件11、第二摩擦层20和第二导电元件21的各种限定都适合图4所示的发电机组，因此不再赘述。本发电机中挡板30与第二导电元件21之间的间距D1，主要是由第二部件的弹性模量和第二部件的厚度共同决定的，可选范围为10 μ m-lcm,优选100 μ m-2mm,优选为500 μ m-lmm。
[0094]挡板30的作用仅仅是提供一个气体流动的阻挡部件，可以选用各种材料，例如绝缘材料、半导体、导体。对其厚度也没有限定，可以是厚板，也可以是薄板或薄层，最好为硬质的，整体具有一定强度的弹性材料也可以。还可以在其面对第二导电元件21的一侧的表面制作立体结构或增设辅助部件，以调整气流的湍流程度，使第二摩擦层20和第二导电元件21的颤振幅度和频率增加，改善发电机的输出性能。立体结构和辅助部件的选择可以根据气体动力学的原理来设计，例如设置多个凸起或导流槽。
[0095]图6为本发明风力纳米发电机组的一种典型结构。该发电机组由2个图1所示的纳米发电机组成，具体结构为:由2个发电机单元构成，其中所述发电机单元包括第一部件和能够发生弹性弯曲形变的第二部件，其中第一部件包括第一导电元件11、与所述第一导电元件上表面直接贴合的第一摩擦层10，第二部件包括与所述第一摩擦层10对面放置的第二摩擦层20、与第二摩擦层20上表面直接贴合的第二导电元件21 ;其中第二部件为一曲面并通过两端固定在第一部件中第一摩擦层10的上表面，从而使第二摩擦层20的下表面和第一摩擦层10的上表面之间形成拱形空隙；所述2个发电机单元相对放置，使两个第二导电元件21面对面并有一定间隔，该间隔即为气流通道。与图4所示的实施方式类似，由于该气流通道表面的不平整性和第二部件的可弹性弯曲变形性，使得2个发电机单元中的第二部件在气流通过时都会发生颤振现象，从而实现了第二摩擦层20与第一摩擦层10局部的接触-分离过程(参见图7)，因此在2个第一导电元件11和第二导电元件21之间均有电信号产生并向外电路输送。同样，当颤振的频率与第二部件，尤其是与第二摩擦层20和/或第二导电元件21本身的固有频率相同时，会形成共振，使得第二部件的颤振振幅达到最大，纳米发电机产生的电信号也最强。
[0096]组成该发电机组的两个纳米发电机单元可以完全相同，也可以不同。使用不同的发电机尤其适用于气体流速会发生变化的情况，因为气体流速会影响第二部件的颤振频率，可以同过设计使得其中的一个发电机第二部件的固有频率与高气体流速下形成的颤振频率相同或接近，而另一个发电机则具有固有频率与低气体流速下形成的颤振频率相同或相近的第二部件。这样能够使发电机的电信号在不同气体流速下都能够达到比较优化的状态。
[0097]本发电机组中两个发电机单元之间的间距D2，主要是由两个发电机单元第二部件的弹性模量和第二部件的厚度共同决定的，可选范围为10ym-5cm,优选100 μ m-lmm,优选为 500 μ m-5mm0
[0098]图8是本发明发电机组的另一种典型实施方式，由3个图6所示的发电机组纵向叠加而成，并且在每两个图6所示的发电机组之间加入绝缘部件40，使相邻的两个第一导电元件11形成绝缘连接。该绝缘部件40可以采用常规的各种绝缘材料，最好具有一定的硬度或弹性，使其能够实现隔离功能。其形式可以为板或膜，形状可以为条状、柱状(参见图8-b)，还可以与第一导电元件11的形状相同(参见图8-a)，尺寸和数量本领域的技术人员可以根据具体情况来选择，只要满足能够隔离相邻导电元件的条件即可。
[0099]本实施方式中，3个发电机组的叠加方式有很多种，其中图8-a中示出的是所有3个发电机组上下平行并且同向的叠加成一列的情况；图8-b示出的也是3个发电机组上下平行叠加成一列，但是中间的发电机组方向与其他的两个发电机组垂直，这种方式更适合气流来自不同方向的情况。因为本发明的发电机在气流方向与发电机方向相同时，具有最大的发电效率。所以，可以根据气流的方向，将叠加的发电机按照不同的方向摆放，则可以使气流方向发生变化时，仍然能够最大效率的驱动部分发电机，使发电机组能保证有电流输出。很显然，虽然图8-b仅示出了不同发电机的方向垂直的情况，但实际上各发电机的方向是可以根据需要形成任何角度的，这在实际操作过程中并没有任何技术难点，因此这些变形都在本申请的保护范围内。
[0100]虽然图8所示出的各发电机的尺寸、材料组成都相同，但是因为各发电机其实是独立工作，所以各发电机完全可以采用不同的材料和尺寸，以满足不同负载对电信号的输出要求。而且组成发电机组的发电机的数目也是可以自由调整的，可以是单数，也可以是奇数，并不必须限定发电机组的两端一定是以第一导电元件11为终点，也可以以弯曲的第二导电元件21为终点。
[0101]图9是本发明发电机组的另一种典型实施方式，主要结构与图8-a所示的实施例相同，区别在于相对的2个发电机单元的第一摩擦层10不是互相平行放置，而是形成一定的角度，相邻的两个发电机单元之间依然用绝缘部件40实现绝缘连接。该设计的优势在于可以增加对不同方向的气流的利用率。为了形成有效的气流通道，面对面放置的2个第一摩擦层10之间形成的角度应为锐角。根据不同的需要，各发电机的叠加方向也可以不同，类似于图8-b的结构。可见，针对图8所示发电机组的各种描述都适用于图9所示的实施方式，此处不再赘述。
[0102]图10和图11是本发明发电机组的另外两种典型实施方式，分别与图8和图9所示的实施方式类似，区别仅在于每个发电机的第一摩擦层10为导电材料，因此省略了第一导电元件11的设置，在相邻的两个第一导电元件11之间也用绝缘部件40形成绝缘连接。对于图8和图9的各种限定均适用于图10和图11所示的实施方式。
[0103]图12示出了一种结构更为简单的发电机组，该发电机组由多个图3-a所示的发电机组成，具体为:由2个发电机以第二导电元件21对面间隔的方式放置形成一个发电机组单元，多个这样的发电机组单元纵向叠加、并且将相互接触的2个由导电材料制成的第一摩擦层合二为一，即相邻的两个发电机组单元共用一个第一摩擦层102。为了防止在该共用的第一摩擦层102的两个表面所产生的接触电荷由于电性相异而互相中和，应确保该共用的第一摩擦层102与其两侧的第二摩擦层202和203相比，具有相同的摩擦电极序趋势，即如果第一摩擦层102相比于其上侧的第二摩擦层202具有较正的摩擦电极序，那么相对于其下侧的第二摩擦层203也具有较正的摩擦电极序。图12中有2类第二摩擦层，分别是在两端发电机上的第二摩擦层201，和共用一个第一摩擦层102的发电机中的第二摩擦层202和203 ;也存在2类第一摩擦层，分别是位于两端的发电机上的第一摩擦层101和被两个发电机共用的第一摩擦层102。其中，第一摩擦层101和102对材料的选择没有相关性，二者可以相同也可以不同，特别是处于两端的第一摩擦层101还可以使用非导电材料，但是被共用的第一摩擦层102则必须为导电材料。同时，两端发电机上的第二摩擦层201与中间发电机上的第二摩擦层202和203在材料选择上也没有相关性，优选第二摩擦层202和203的材料相同。
[0104]图13是本发明风力发电机的另一种典型实施方式，与图1所示的结构基本相同，区别仅在于图1所示的发电机的第二部件是两端固定在第一部件上，而本实施例中的第二部件则仅有一端固定在第一部件上，另一端为自由端，具体为:包括第一部件和能够发生弹性弯曲形变的第二部件，其中第一部件包括第一导电元件11，和与所述第一导电元件11上表面直接贴合的第一摩擦层10 ;第二部件包括第二摩擦层20，和与所述第二摩擦层上表面直接贴合的第二导电元件21 ;第二部件的一端与第一部件相对固定，并且第一摩擦层10和第二摩擦层20面对面；在风力的作用下至少部分第一摩擦层10的上表面与第二摩擦层20的下表面形成接触-分离循环，并通过所述第一导电元件和第二导电元件向外电路输出电信号。本实施例的第二部件整体具有可弯曲形变的弹性，当其一端固定、另一端可自由运动时，能够与作用于其表面的风力发生相互作用，从而产生颤振现象，造成第二摩擦层20与第一摩擦层10的接触(图13-b)与分离(图13-a)循环。
[0105]很显然，图1所示的实施例中对第一部件和第二部件中各组成部分的材料和结构的限定同样适用于本实施例的发电机，而且当第一摩擦层10或第二摩擦层20为导电材料时，本实施例的发电机也可以做成类似图3所示的结构，只是将第二部件的两端固定改为
一端固定即可。
[0106]对于图4至图12所示的实施例，也可以用图13所示的发电机代替图1所示的发电机来构成，但是需要注意在制作图7至图12所示的结构时，面对面放置的两个发电机的第二部件的固定端应在同一侧，避免两个第二部件的自由端在运动的过程中相互影响。
[0107]对于上述所有实施方式，为了方便使用，并增加发电机和发电机组的机械强度，延长其使用寿命，还可以在第一导电元件11与第一摩擦层10相对的另一表面上设置柔性或硬性支撑元件。对于支撑元件的材料没有特别限定，优选使用半导体或绝缘体。同样，在第二导电元件21上没有摩擦材料的另一表面也可以设置柔性的支撑元件，优选该支撑元件具有弹性，以不影响第二摩擦层20和第二导电元件21的弹性弯曲形变。
[0108]实施例1
[0109]第一导电元件采用厚度为Imm的金属铜板，在其上涂覆一层厚度为25微米的特氟龙(聚四氟乙烯)薄膜作为第一摩擦层，第二摩擦层和第二导电元件采用厚度为40μπκ长5cm、宽3cm的金属铝薄膜层，将该薄膜层的两端固定在特氟龙层上表面的两侧，使得在金属铝层和特氟龙层之间形成高度约为2mm的拱形空隙。将金属铜薄膜层和金属铝层通过导线连接到外电路上，吹风机沿发电机方向提供气流，流速约为5m/s，可以明显看到金属铝薄膜层发生颤振，使其和特氟龙层之间不断的形成接触-分离循环，能够驱动80盏商用LED灯泡发光，具体见图14的照片。
[0110]由于聚四氟乙烯在摩擦电极序中具有极负的极性，而金属铝在电极序中的极性较正，本实施例的材料组合有利于提高摩擦纳米发电机的输出。
[0111]实施例2:
[0112]第一摩擦层采用特氟龙(聚四氟乙烯)薄膜，第一导电元件采用厚度为200nm的金属铜薄膜，以磁控溅射的方法将第一导电原件沉积到第一摩擦层上。第二摩擦层和第二导电原件采用厚度为200nm，长5cm，宽2.5cm的金属铝薄膜层，以磁控溅射的方法将该第二摩擦层和第二导电原件沉积在厚度为25 μ m的高分子基底上。该基底为聚酰亚胺薄膜，长度和宽度和金属铝薄膜层一致。采用激光切割制备高度为2mm，长2.5cm,宽2mm的有机玻璃长条，将该长条固定在特氟龙层上表面。将沉积有金属铝薄膜层的聚酰亚胺薄膜的一端固定在该长条上表面。将金属铜薄膜层和金属铝层通过导线连接到外电路上，吹风机沿发电机方向提供气流，流速约为5m/s，可以明显看到金属铝薄膜层发生颤振，使其和特氟龙层之间不断的形成接触-分离循环。
[0113]实施例3
[0114]以厚度为100微米的聚二甲基硅氧烷(英文简写为PDMS)作为第二摩擦层，在其上通过磁控溅射的方式沉积一层厚度约为IOOnm的金属金膜，作为第二导电元件。以厚度为500 μ m的硅片作为第一摩擦层，其下表面为沉积上的一层金属银膜，厚度约lOOnm。将硅片的另一侧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。而当硅片与PDMS两种材料在气流的作用下接触时，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，从而增大了与硅片之间的摩擦接触面积，可以获得更好的电输出效果。
[0115]实施例4
[0116]本实施例在实施例1的基础上仅对聚四氟乙烯薄膜做改性，其他均与实施例1相同，此处不再赘述。在聚四氟乙烯薄膜表面采用电感耦合等离子体刻蚀方法制备纳米线阵列，首先在聚四氟乙烯表面用溅射仪沉积约10纳米厚的金，之后，将聚四氟乙烯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，得到基本垂直于绝缘薄膜层的长度约为1.5微米的高分子聚四氟乙烯纳米棒阵列。
[0117]实施例5
[0118]将6个实施例1中的发电机上下平行、同向排列,第一导电兀件相邻的两个发电机之间用2_厚的塑料板隔开，并将第一导电元件用胶粘合在塑料板的两侧，从而构成一图10所示的发电机组。当气流沿着发电机方向吹过该发电机组时，各发电机同时工作，均能独立地向外输出电信号。[0119]本发明的风力摩擦纳米发电机可以利用风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组。
[0120]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】
1.一种风力摩擦纳米发电机，包括第一部件和能够发生弹性弯曲形变的第二部件，其特征在于: 所述第一部件包括第一导电元件，和，与所述第一导电元件上表面直接贴合的第一摩擦层； 所述第二部件包括第二摩擦层，和与所述第二摩擦层上表面直接贴合的第二导电元件； 所述第一部件和第二部件至少一端相对固定，并且所述第一摩擦层和第二摩擦层面对面； 在风力的作用下至少部分所述第一摩擦层的上表面与所述第二摩擦层的下表面形成接触-分离循环，并通过所述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，所述第一摩擦层的上表面材料和所述第二摩擦层的下表面材料之间有摩擦电极序差异。
3.如权利要求1或2所述的发电机，其特征在于，所述第二部件的一端固定在第一部件上，另一端为自由端。
4.如权利要求1或2所述的发电机，其特征在于，所述第二部件的两端固定在第一部件上使所述第二摩擦层形成一曲面，并且至少部分所述第一摩擦层的上表面和所述第二摩擦层的下表面之间形成间隙。
5.如权利要求1-4任一项所述的发电机，其特征在于，还包括一挡板，所述挡板与所述第二部件面对面间隔放置，使所述第二部件位于所述挡板和所述第一部件之间。
6.如权利要求5所述的发电机，其特征在于，所述挡板与所述第一部件平行。
7.如权利要求5或6所述的发电机，其特征在于，所述挡板在面向第二部件的表面上有立体结构或增设辅助部件。
8.如权利要求1-7任一项所述的发电机，其特征在于，所述第二部件是弹性的，杨氏模量在IOMPa到IOGPa之间。
9.如权利要求1-8任一项所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦层和/或第二摩擦层为绝缘材料或半导体材料。
10.如权利要求9所述的发电机，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、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、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、聚三氟氯乙烯、聚偏二 氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和派瑞林；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、氧化物、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。
11.如权利要求10所述的发电机，其特征在于，所述绝缘材料选自聚苯乙烯、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；所述氧化物选自锰、铬、铁或铜的氧化物；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。
12.如权利要求1-8任一项所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦层和/或第二摩擦层为非导电氧化物、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。
13.如权利要求1-12任一项所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦层上表面和/或第二摩擦层的下表面分布有微米或次微米量级的微结构。
14.如权利要求13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、纳米棒、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构。
15.如权利要求13所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦层上表面和/或第二摩擦层的下表面有纳米材料的点缀或涂层。
16.如权利要求1-15任一项所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦层上表面和/或第二摩擦层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。
17.如权利要求1-16任一项所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦层上表面和/或第二摩擦层的下表面经过化学改性，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。
18.如权利要求1-17任一项所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦层为导电材料并且与所述第一导电元件合二为一，或，所述第二摩擦层为导电材料并且与所述第二导电兀件合二为一。`
19.如权利要求18所述的发电机，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和导电氧化物。
20.如权利要求19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。
21.如权利要求1-20任一项所述的发电机,其特征在于,所述第一导电兀件和/或第二导电兀件选自金属和导电氧化物。
22.如权利要求21所述的发电机，其特征在于，所述第一导电元件和/或第二导电元件选自金、银、钼、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金。
23.如权利要求1-22任一项所述的发电机，其特征在于，包括I个所述第一部件和I个所述第二部件。
24.如权利要求1-22任一项所述的发电机，其特征在于，包括I个所述第一部件和2个所述第二部件，其中所述第一部件由导电的所述第一摩擦层构成，2个所述第二部件分别位于所述第一摩擦层的上下两侧。
25.如权利要求24所述的发电机，其特征在于，2个所述第二部件中的第二摩擦层与所述第一摩擦层相比，具有相同的摩擦电极序趋势。
26.—种风力摩擦纳米发电机组，由2个如权利要求1-25任一项所述的发电机构成，其特征在于:所述2个发电机相对放置，使两个第二部件面对面并有一定间隔。
27.如权利要求26所述的发电机组，其特征在于，所述2个发电机相同。
28.如权利要求26或27所述的发电机组，其特征在于，所述2个发电机的第一部件互相平行。
29.如权利要求26或27所述的发电机组，其特征在于，所述2个发电机的第一部件之间形成一夹角。
30.如权利要求26-29任一项所述的发电机组,其特征在于,所述2个发电机的方向相同。
31.一种层状风力发电机组，其特征在于由2个以上权利要求26-30任一项所述的发电机组纵向叠加构成，并且在两个相邻发电机组的第一部件之间设置连接件使二者相连。
32.如权利要求31所述的层状风力发电机组，其特征在于，所述连接件由绝缘材料制成。
33.如权利要求31或32所述的层状风力发电机组，其特征在于，所有所述发电机组的第一部件均平行。
34.如权利要求31-33任一项所述的层状风力发电机组，其特征在于，所有所述发电机组中发电机的方向均相同。
35.如权利要求31-34任一项所述的层状风力发电机组，其特征在于，所有所述发电机组中的发电机均相 同。
36.如权利要求31-35任一项所述的层状风力发电机组，其特征在于，所有相邻发电机组中互相接触的2个所述第一摩擦层均为导电材料，并且将二者合二为一成为共用第一摩擦层。
37.如权利要求36所述的层状风力发电机组，其特征在于，所述共用第一摩擦层与其两侧的第二摩擦层相比，具有相同的摩擦电极序趋势。
【文档编号】H02N1/04GK103780128SQ201310131027
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年4月16日 优先权日:2013年4月16日
【发明者】王中林, 朱光, 林宗宏 申请人:国家纳米科学中心