一種滑動式摩擦納米發電機組的制作方法
【專利摘要】本發明提供一種滑動摩擦納米發電機組，包括第一導電元件、與第一導電元件上表面接觸放置的第一摩擦層、第二導電元件、與第二導電元件下表面接觸放置的第二摩擦層，其中，第一摩擦層中包含若干第一摩擦單元，第二摩擦層包含若干第二摩擦單元；所述第一摩擦單元的上表面與第二摩擦單元的下表面在外力作用下發生相對滑動摩擦、同時摩擦面積發生變化，并通過第一導電元件和第二導電元件向外電路輸出電信號。本發明的摩擦納米發電機中，對發電機的摩擦層施加周期性的外力時，可以在第一導電元件和第二導電元件之間形成交流脈沖信號輸出。它可以用來作為新的能源技術，也可用來做傳感技術。
【專利說明】一種滑動式摩擦納米發電機組
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種發電機組，特別涉及將施加外力的機械能轉化為電能的滑動式摩擦納米發電機組。
【背景技術】
[0002]在微電子和材料技術高速發展的今日，大量新型具有多種功能和高度集成化的微型電子器件不斷被開發出來，并在人們日常生活的各個領域展現出前所未有的應用前景。然而，和這些微型電子器件所匹配的電源系統的研究卻相對滯后，一般說來，這些微型電子器件的電源都是直接或者間接來自于電池。電池不僅體積較大、質量較重，而且含有的有毒化學物質對環境和人體存在潛在的危害。因此，開發出能將運動、振動等自然存在的機械能轉化為電能的技術具有極其重要的意義。
[0003]但是，目前能將上述機械能有效地轉化為電能的發電機均是以電磁感應為基礎的，由水輪機、汽輪機、柴油機或其它動力機械驅動，將水流，氣流，燃料燃燒或原子核裂變產生的能量轉化為機械能傳給發電機，再由發電機轉換為電能加以利用。這些發電機都需要相對集中、大強度的能量輸入，而對于人們日常活動中產生的以及自然界存在的強度較小的動能，基本都無法將其有效的轉化為電能。同時，傳統發電機的體積較大、結構復雜，根本不能作為微型電子器件的供電元件使用。
【發明內容】
[0004]為了克服現有技術中的上述問題，本發明提供一種滑動摩擦納米發電機組，能夠將施加在摩擦納米發電機上的切向外力的機械能轉化為電能。
[0005]為實現上述目的，本發明提供一種摩擦納米發電機組，包括:
[0006]第一導電元件、與第一導電元件上表面接觸放置的第一摩擦層、第二導電元件、與第二導電元件下表面接觸放置的第二摩擦層，其中，第一摩擦層中包含若干第一摩擦單元，第二摩擦層中包含若干第二摩擦單元；所述第一摩擦單元的上表面與第二摩擦單元的下表面在外力作用下發生相對滑動摩擦、同時摩擦面積發生變化，并通過第一導電元件和第二導電兀件向外電路輸出電信號；
[0007]優選地，所述第一摩擦單元的上表面材料和所述第二摩擦單元的下表面材料之間存在摩擦電極序差異；
[0008]優選地，所述第一摩擦單元的上表面和所述第二摩擦單元的下表面接觸放置；
[0009]優選地，在沒有外力作用時，所述第一摩擦單元的上表面和所述第二摩擦單元的下表面分離，在外力作用下，所述第一摩擦單元的上表面和所述第二摩擦單元的下表面接觸并發生與接觸面相切的相對滑動摩擦；
[0010]優選地，所述第一摩擦單元上表面材料和/或所述第二摩擦單元下表面材料為絕緣材料或半導體材料；
[0011]優選地，所述絕緣材料選自苯胺甲醛樹脂、聚甲醛、乙基纖維素、聚酰胺尼龍11、聚酰胺尼龍66、羊毛及其織物、蠶絲及其織物、紙、聚乙二醇丁二酸酯、纖維素、纖維素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯、再生纖維素海綿、棉及其織物、聚氨酯彈性體、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木頭、硬橡膠、醋酸酯、人造纖維、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚異丁烯、聚氨酯彈性海綿、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇縮丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡膠、天然橡膠、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-Co-丙烯腈)、聚雙酚A碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚(2，6- 二甲基聚亞苯基氧化物)、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亞胺、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；
[0012]優選地，所述半導體材料選自硅、鍺、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族化合物組成的固溶體、非晶態的玻璃半導體和有機半導體；
[0013]優選地，所述第III和第V族化合物選自砷化鎵和磷化鎵；所述第II和第VI族化合物選自硫化鎘和硫化鋅；所述由II1- V族化合物和I1-VI族化合物組成的固溶體選自鎵鋁砷和鎵砷磷；
[0014]優選地，所述第一摩擦單元上表面材料和/或所述第二摩擦單元下表面材料為非導電氧化物、半導體氧化物或復雜氧化物，包括氧化硅、氧化鋁，氧化錳、氧化鉻、氧化鐵、氧化鈦、氧化銅、氧化鋅、BiO2和Y2O3 ；
[0015]優選地，所述第一摩擦單元的上表面為具有負極性的摩擦電極序材料，選自聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亞胺、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。
[0016]優選地，所述第二摩擦單元的下表面為具有正極性的摩擦電極序材料，選自苯胺甲醛樹脂、聚甲醛、乙基纖維素、聚酰胺尼龍11、聚酰胺尼龍66、羊毛及其織物、蠶絲及其織物、紙、聚乙二醇丁二酸酯、纖維素、纖維素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯、再生纖維素海綿、棉及其織物、聚氨酯彈性體、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木頭、硬橡膠、醋酸酯、人造纖維、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、銅、鋁、金、銀、鋼和娃。
[0017]優選地，所述第一摩擦單元的上表面和/或第二摩擦單元的下表面分布有微米或次微米量級的微結構；
[0018]優選地，所述微結構選自納米線,納米管,納米顆粒,納米溝槽、微米溝槽，納米錐、微米錐、納米球和微米球狀結構；
[0019]優選地，所述第一摩擦單元的上表面和/或第二摩擦單元的下表面有納米材料的點綴或涂層；
[0020]優選地，所述第一摩擦單元的上表面和/或第二摩擦單元的下表面經過化學改性，使得在所述第一摩擦單元的上表面材料引入容易得到電子的官能團和/或在所述第二摩擦單元的下表面材料引入容易失去電子的官能團；
[0021]優選地，所述容易失去電子的官能團包括氨基、羥基或烷氧基；
[0022]優選地，所述容易得到電子的官能團包括酰基、羧基、硝基或磺酸基；
[0023]優選地，所述第一摩擦單元上表面和/或第二摩擦單元下表面經過化學改性，使得在所述第一摩擦單元的上表面材料引入負電荷和/或在所述第二摩擦單元的下表面材料引入正電荷；[0024]優選地，所述化學改性通過化學鍵合引入帶電荷基團的方式實現；
[0025]優選地，用導電材料替換絕緣材料或半導體材料制備所述第一摩擦單元或第二摩擦單元；
[0026]優選地，構成所述第一摩擦單元或第二摩擦單元的所述導電材料選自金屬、導電氧化物和導電高分子；
[0027]優選地，其所述金屬選自金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒，以及由上述金屬形成的合金；
[0028]優選地，所述第一摩擦層中包含至少2個所述第一摩擦單元和/或所述第二摩擦層中包含至少2個所述第二摩擦單元；
[0029]優選地，所有所述第一摩擦單元的材料和尺寸相同和/或所有所述第二摩擦單元的材料和尺寸相同；
[0030]優選地，所述第一摩擦單元在第一摩擦層中的排列圖案與第二摩擦單元在第二摩擦層中的排列圖案相呼應，使得第一摩擦層與第二摩擦層相對放置時，在外力的作用下每個第一摩擦單元的上表面至少能與一個第二摩擦單元的下表面部分接觸；
[0031]優選地，所述第一摩擦單元與第二摩擦單元的形狀、尺寸和排列方式相同，使得第一摩擦層與第二摩擦層相對放置時，在外力的作用下每個第一摩擦單元的上表面都能與一個第二摩擦單元的下表面基本完全接觸；
[0032]優選地，所述第一摩擦單元和第二摩擦單元為陣列式離散排列；
[0033]優選地，所述第一摩擦單元和第二摩擦單元為棋盤狀排列，使第一摩擦層和第二摩擦層中存在孔洞結構；
[0034]優選地，所述第一摩擦單元和第二摩擦單元的排列圖案為間隔的條狀排列，所述條狀的長度方向與所述第一摩擦單元和第二摩擦單元的相對摩擦方向垂直；
[0035]優選地，所述第一導電元件和第二導電元件選自金屬、導電氧化物導電高分子；
[0036]優選地，所述第一導電元件和第二導電元件選自金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒，以及由上述金屬形成的合金；
[0037]優選地，所述第一導電元件和/或第二導電元件為薄膜或薄片；
[0038]優選地，所述第一摩擦層、第二摩擦層、第一導電元件和/或第二導電元件為硬質的；
[0039]優選地，所述第一摩擦層、第二摩擦層、第一導電元件和/或第二導電元件為柔性的；
[0040]優選地，所述第一摩擦層中還包含第一填充介質用于填充除第一摩擦單元以外的空間和/或所述第二摩擦層中還包含第二填充介質用于填充除第二摩擦單元以外的空間；
[0041]優選地，所述第一填充介質和第二填充介質由具有相對于第一摩擦單元和第二摩擦單元顯中性摩擦電極序的材料構成；
[0042]優選地，所述具有中性摩擦電極序的材料選自聚異丁烯、聚氨酯彈性海綿、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇縮丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡膠、天然橡膠、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-Co-丙烯腈)、聚雙酹A碳酸酯聚氯醚、聚偏二氯乙烯和聚(2，6- 二甲基聚亞苯基氧化物)；
[0043]優選地，所述第一填充介質的厚度小于或等于第一摩擦單元的厚度，第二填充介質的厚度小于或等于第二摩擦單元的厚度；
[0044]優選地，所述第一填充介質和/或第二填充介質為不導電的固體、不導電的液體、不導電的氣體或真空環境；
[0045]優選地，所述第一摩擦層和/或第二摩擦層為薄膜或薄片；
[0046]優選地，所述第一導電元件的外表面和所述第二導電元件的內表面為同軸曲面，使得分布于所述第一導電兀件外表面的所述第一摩擦單兀與分布于所述第二導電兀件內表面的所述第二摩擦單元接觸，并且在有外力施加的情況下，發生相對滑動摩擦，同時摩擦面積能夠發生變化；
[0047]優選地，所述閉合曲面為圓柱面；
[0048]優選地，所述第一導電兀件為實心圓柱；
[0049]優選地，所有所述第一摩擦單元的上表面同屬于與所述第一導電元件同軸的一個圓柱面，所有所述第二摩擦單元的下表面同屬于與所述第一導電元件同軸的另一個圓柱面，并且在力的作用下，每個所述第一摩擦單元的上表面均與一個所述第二單元的下表面至少部分接觸。
[0050]對本發明的滑動摩擦納米發電機組施加周期性的切向外力時，可以在第一導電元件和第二導電元件之間形成交流脈沖信號輸出。與現有技術相比，本發明的滑動摩擦納米發電機具有下列優點:
[0051]1、原理和應用上的新突破。本發明的發電機在工作過程中兩摩擦層之間不需要間隙，與兩摩擦層周期性全接觸和全分離的器件在發電原理上不同，給社會提供了一個全新的設計思路。而且無間隙的設計省略了彈性距離保持件的安裝，也為封裝技術提供了方便，使其能夠應用在更為廣闊的領域。
[0052]2、能量的高效利用。本發明的發電機無需大規模、高強度的能量輸入，僅需輸入的機械能能夠驅動第一摩擦單元和第二摩擦單元之間的相對滑動即可，因此可有效收集自然界和人們日常生活中產生的各種強度的機械能，并將其轉化為電能，實現能量的高效利用；而且,本摩擦納米發電機同時包含多個發電基元,可以大大提高輸出功率,并且所施加的外力不管來自那個方向，它都可以有功率輸出，這大大提高了發電機的效率。
[0053]3、結構簡單、輕巧便攜和高度兼容。本發明的發電機無需磁鐵、線圈、轉子等部件，結構簡單，體積很小，制作方便、成本低廉、能夠安裝在各種可以使第一摩擦層和第二摩擦層產生相對滑動的器件上，無需特殊的工作環境，因此具有很高的兼容性。
[0054]4、用途廣泛。通過對發電機中第一摩擦層的上表面和第二摩擦層的下表面表面進行物理改性或化學改性，引入納米結構圖案或涂納米材料等，還可以進一步提高摩擦納米發電機在切向外力作用下兩摩擦層接觸并相對滑動時產生的接觸電荷密度，從而提高發電機的輸出能力。因此，本發明的發電機不僅能作為小型功率源，同時也可用于大功率發電。此外，本發明的摩擦納米發電機可以通過橋式整流電路，提供直流電流輸出，以供需要直流電的設備使用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0055]通過附圖所示，本發明的上述及其它目的、特征和優勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標記指示相同的部分。并未刻意按實際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點在于示出本發明的主旨。
[0056]圖1為本發明的摩擦納米發電機的典型結構示意圖；
[0057]圖2為本發明的摩擦納米發電機的發電原理的剖面示意圖；
[0058]圖3為本發明第一摩擦單元和第二摩擦單元的條形設計方案；
[0059]圖4為本發明第一摩擦單元和第二摩擦單元的棋盤形設計方案；
[0060]圖5為本發明第一摩擦單元和第二摩擦單元的陣列式分散排列設計方案；
[0061]圖6為本發明包含填充介質的第一摩擦單元和第二摩擦單元的條形設計方案；
[0062]圖7為本發明包含填充介質的第一摩擦單元和第二摩擦單元的棋盤形設計方案；
[0063]圖8為本發明發電機的另一種典型結構示意圖；
[0064]圖9為本發明發電機的另一種典型結構示意圖；
[0065]圖10為本發明發電機的另一種典型結構示意圖；
[0066]圖11為本發明發電機的另一種典型結構示意圖；
[0067]圖12為本發明發電機的另一種典型結構示意圖；
[0068]圖13為本發明實施例中摩擦納米發電機在相對平均滑動速率為0.3米/秒下的短路電流輸出圖。
【具體實施方式】
[0069]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0070]其次，本發明結合示意圖進行詳細描述，在詳述本發明實施例時，為便于說明，所述示意圖只是示例，其在此不應限制本發明保護的范圍。
[0071]本發明提供一種將運動、振動等自然存在的機械能轉化為電能的結構簡單的摩擦納米發電機，能夠為微型電子器件提供匹配的電源。本發明的摩擦納米發電機利用了在摩擦電極序中的極性存在差異的材料接觸時產生表面電荷轉移的現象，將外力的機械能轉化為電能。
[0072]本發明中所述的“摩擦電極序”，是指根據材料對電荷的吸引程度將其進行的排序，兩種材料在相互接觸摩擦的瞬間，在摩擦面上負電荷從摩擦電極序中極性較正的材料表面轉移至摩擦電極序中極性較負的材料表面。迄今為止，還沒有一種統一的理論能夠完整的解釋電荷轉移的機制，一般認為，這種電荷轉移和材料的表面功函數相關，通過電子或者離子在摩擦面上的轉移而實現電荷轉移。需要說明的是，摩擦電極序只是一種基于經驗的統計結果，即兩種材料在該序列中相差越遠，接觸后所產生電荷的正負性和該序列相符合的幾率就越大，而且實際的結果受到多種因素的影響，比如材料表面粗糙度、環境濕度和是否有相對摩擦等。
[0073]本發明中所述的“接觸電荷”，是指在兩種摩擦電極序極性存在差異的材料在接觸摩擦并分離后其表面所帶有的電荷，一般認為，該電荷只分布在材料的表面，分布最大深度不過約為10納米。需要說明的是，接觸電荷的符號是凈電荷的符號，即在帶有正接觸電荷的材料表面的局部地區可能存在負電荷的聚集區域，但整個表面凈電荷的符號為正。[0074]本發明中所述的摩擦單元的厚度是指由摩擦單元下表面到上表面的垂直距離；填充介質的厚度是指由填充介質下表面到上表面的垂直距離。
[0075]本發明的摩擦納米發電機的一種典型基本結構，參見圖1，包括:第一導電元件
11、所述第一導電原件11上表面上設置的若干第一摩擦單元101，這些摩擦單元構成了第一摩擦層10 ;第二導電元件21、所述第二導電元件21下表面設置的若干第二摩擦單元201，這些摩擦單元構成了第二摩擦層20 ;第一摩擦單元101和第二摩擦單元201相對放置，當施加的外力使所述第一摩擦單元101的上表面與第二摩擦單元201的下表面發生相對滑動摩擦、并且導致二者的摩擦面積發生變化時，由于第一摩擦單元101的材料和第二摩擦單元201的材料之間有摩擦電極序差異，能夠通過第一導電元件11和第二導電元件21向外電路輸出電信號。
[0076]為了方便說明，以下將結合圖1的典型結構來描述本發明的原理、各部件的選擇原則以及材料范圍，但是很顯然這些內容并不僅局限于圖1所示的實施例，而是可以用于本發明所公開的所有技術方案。
[0077]本發明的摩擦納米發電機的工作原理，參見圖2。在圖2 (a)，通過施加外力使所述第一摩擦層10中的第一摩擦單元101與所述第二摩擦層20中的第二摩擦單元201之間發生滑動摩擦，由于構成第一摩擦單元101與第二摩擦單元201的材料在摩擦電極序中存在差異，因此該摩擦過程引發二者的表面電荷轉移。
[0078]參見圖2 (b)，為了屏蔽由于錯位而殘留在第一摩擦單元101和第二摩擦單元201中因摩擦產生的表面電荷所形成的電場，第一導電元件11中的自由電子就會通過外電路流到第二導電元件21，產生一瞬時電流。
[0079]參見圖2 (C)，當外力反方向時，第一摩擦單元101和第二摩擦單元201的相對滑動錯位消失，兩導電元件恢復原狀，第二導電元件21中的電子流回第一導電元件11，從而給出一相反方向的電流。
[0080]雖然摩擦起電的現象早已被人們所認識，本領域對能夠發生摩擦起電的材料種類也有共識，往往我們知道的是摩擦可以起靜電，但是對于利用滑動摩擦進行發電并將其器件化則是本發明首次提出的。通過本發明上面提供的工作原理，本領域的技術人員能夠清楚地認識到滑動摩擦納米發電機的工作方式，從而能夠了解各部件材料的選擇原則。以下給出適用本發明中所有技術方案的各部件材料的可選擇范圍，在實際應用時可以根據實際需要來作具體選擇，從而達到調控發電機輸出性能的目的:
[0081]本實施例中，第一摩擦單元101和第二摩擦單元201接觸放置，無論是否有外力施加于其上，二者始終保持面接觸。這是本發明發電機的最典型結構，通過控制第一摩擦單元101和第二摩擦單元201的尺寸、以及相對位移量，很容易實現在相對滑動摩擦的過程中摩擦面積發生變化。
[0082]但是本發明并不限定第一摩擦單元101和第二導電單元201自始至終一直保持面接觸，只要在外力作用下，二者能夠接觸并發生與接觸面相切的相對滑動摩擦即可，而在沒有外力作用時，第一摩擦單元101和第二摩擦單元201可以完全分離。這樣的設計能夠滿足需要間隔式發電的情況。而且摩擦過程可以同時有接觸摩擦，也可以有滑動摩擦。實現這一目的的技術手段有很多，可以采用本領域中控制距離的常規部件，例如在第一導電元件11的下表面和第二導電元件21的上表面分別連接絕緣彈簧，使得在沒有外力作用下，第一摩擦單元101和第二摩擦單元201之間保持一定間距，但是需要注意使用的彈簧不應限制第一摩擦層10和第二摩擦層20之間的相對滑動。另外，該實施方式對于與其他產品結合使用的發電機比較有利，可以將第一摩擦層10和第二摩擦層20分別連接到其他產品中2個互相分隔的部件上，利用這2個部件的間歇性接觸和相對滑動來帶動發電機工作，從而實現間隔式發電。
[0083]第一摩擦單元101和第二摩擦單元201分別由具有不同摩擦電特性的材料組成，所述的不同摩擦電特性意味著二者在摩擦電極序中處于不同的位置，從而使得二者在發生摩擦的過程中能夠在表面產生接觸電荷。常規的絕緣材料都具有摩擦電特性，均可以作為制備本發明第一摩擦單元101和第二摩擦單元201的材料，此處列舉一些常用的絕緣材料:苯胺甲醛樹脂、聚甲醛、乙基纖維素、聚酰胺11、聚酰胺6-6、羊毛及其編織物、蠶絲及其織物、紙、聚乙二醇丁二酸酯、纖維素、纖維素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯、再生纖維素海綿、棉及其織物、聚氨酯彈性體、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木頭、硬橡膠、醋酸酯、人造纖維、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯(滌綸)、聚異丁烯、聚氨酯彈性海綿、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇縮丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡膠、天然橡膠、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-Co-丙烯腈)、聚雙酚A碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚(2，6-二甲基聚亞苯基氧化物)、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亞胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯、派瑞林，包括派瑞林C，派瑞林N，派瑞林D，派瑞林HT，和派瑞林AF4。限于篇幅的原因，并不能對所有可能的材料進行窮舉，此處僅列出幾種具體的材料從人們參考，但是顯然這些具體的材料并不能成為本發明保護范圍的限制性因素，因為在發明的啟示下，本領域的技術人員根據這些材料所具有的摩擦電特性很容易選擇其他類似的材料。
[0084]相對于絕緣體，半導體和金屬均具有容易失去電子的摩擦電特性，在摩擦電極序的列表中常位于末尾處。因此，半導體和金屬也可以作為制備第一摩擦單元101或第二摩擦單元201的原料。常用的半導體包括硅、鍺；第III和第V族化合物，例如砷化鎵、磷化鎵等；第II和第VI族化合物，例如硫化鎘、硫化鋅等；以及由II1- V族化合物和I1-VI族化合物組成的固溶體，例如鎵鋁砷、鎵砷磷等。除上述晶態半導體外，還有非晶態的玻璃半導體、有機半導體等。非導電性氧化物、半導體氧化物和復雜氧化物也具有摩擦電特性，能夠在摩擦過程形成表面電荷，因此也可以用來作為本發明的摩擦層，例如錳、鉻、鐵、銅的氧化物，還包括氧化娃、氧化猛、氧化鉻、氧化鐵、氧化銅、氧化鋅、BiO2和Y2O3 ;常用的金屬包括金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒，以及由上述金屬形成的合金。當然，還可以使用其他具有導電特性的材料充當容易失去電子的摩擦層材料，例如銦錫氧化物ΙΤ0。
[0085]通過實驗發現，當第一摩擦單元101和第二摩擦單元201材料的得電子能力相差越大(即在摩擦電極序中的位置相差越遠)時，發電機輸出的電信號越強。所以，可以根據實際需要，選擇合適的材料來制備第一摩擦單元101和第二摩擦單元201，以獲得更好的輸出效果。具有負極性摩擦電極序的材料優選聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亞胺、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 ;具有正極性的摩擦電極序材料優選苯胺甲醛樹脂、聚甲醛、乙基纖維素、聚酰胺尼龍11、聚酰胺尼龍66、羊毛及其織物、蠶絲及其織物、紙、聚乙二醇丁二酸酯、纖維素、纖維素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯、再生纖維素海綿、棉及其織物、聚氨酯彈性體、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木頭、硬橡膠、醋酸酯、人造纖維、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、銅、招、金、銀、鋼和娃。
[0086]還可以對第一摩擦單元101上表面和/或第二摩擦單元201下表面進行物理改性，使其表面分布有微米或次微米量級的微結構陣列，以增加第一摩擦單元101與第二摩擦單元201之間的接觸面積，從而增大接觸電荷量。具體的改性方法包括光刻蝕、化學刻蝕和離子體刻蝕等。也可以通過納米材料的點綴或涂層的方式來實現該目的。
[0087]也可以對相互接觸的第一摩擦單元101和/或第二摩擦單元201的表面進行化學改性，能夠進一步提高電荷在接觸瞬間的轉移量，從而提高接觸電荷密度和發電機的輸出功率。化學改性又分為如下兩種類型:
[0088]一種方法是對于相互接觸的第一摩擦單元101和第二摩擦單元201材料，在極性為正的材料表面引入更易失電子的官能團(即強給電子基團)，或者在極性為負的材料表面引入更易得電子的官能團(強吸電子基團)，都能夠進一步提高電荷在相互滑動時的轉移量，從而提高摩擦電荷密度和發電機的輸出功率。強給電子基團包括:氨基、羥基、烷氧基等；強吸電子基團包括:酰基、羧基、硝基、磺酸基等。官能團的引入可以采用等離子體表面改性等常規方法。例如可以使氧氣和氮氣的混合氣在一定功率下產生等離子體，從而在摩擦層材料表面引入氨基。
[0089]另外一種方法是在極性為正的摩擦層材料表面弓丨入正電荷，而在極性為負的摩擦層材料表面引入負電荷。具體可以通過化學鍵合的方式實現。例如，可以在聚二甲基硅氧烷(英文簡寫為PDMS)摩擦層表面利用水解-縮合(英文簡寫為sol-gel)的方法修飾上正硅酸乙酯(英文簡寫為TE0S)，而使其帶負電。也可以在金屬金薄膜層上利用金-硫的鍵結修飾上表面含十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)的金納米粒子，由于十六烷基三甲基溴化銨為陽離子，故會使整個摩擦層變成帶正電性。本領域的技術人員可以根據摩擦層材料的得失電子性質和表面化學鍵的種類，選擇合適的修飾材料與其鍵合，以達到本發明的目的，因此這樣的變形都在本發明的保護范圍之內。
[0090]本發明并不限定第一摩擦單元101和第二摩擦單元201必須是硬質材料，也可以選擇柔性材料，因為材料的硬度并不影響二者之間的滑動摩擦效果，本領域的技術人員可以根據實際情況進行選擇。而且柔性材料制成的發電機的優勢在于柔軟輕薄的摩擦層受到輕微的外力作用就會發生形變，而這種形變會引起兩個摩擦層的相對位移，從而通過滑動摩擦向外輸出電信號。柔性材料的使用使本發明的納米發電機在生物和醫學中領域中也有非常廣泛的應用。在使用的過程中還可以用具有超薄、柔軟、具有彈性和/或透明的高分子材料做基底，進行封裝以方便使用并提高強度。顯然，本發明公開的所有結構都可以用相應的超軟并具有彈性的材料做成，從而形成柔性納米發電機，在這里就不一一贅述，但是由此衍生出的各種設計應該都包括在本專利的保護范圍內。
[0091]第一摩擦單元101和第二摩擦單元201的厚度對本發明的實施沒有顯著影響，只是在設置的過程中需要綜合考慮摩擦單元強度與發電效率等因素。本發明優選摩擦層為薄層，厚度為50nm-2cm,優選IOOnm-1cm,更優選I μ m-5mm,更優選10 μ m-2mm,這些厚度對本發明中所有的技術方案都適用。
[0092]圖3給出了一種第一摩擦單元101和第二摩擦單元201的典型排布情況。第一摩擦單元101呈細條狀間隔排列在第一導電原件11的上表面，構成了不連續的第一摩擦層10 ;第二摩擦單元201在第二導電元件21的下表面也呈相同的細條狀間隔排列，構成了同樣不連續的第二摩擦層20 ；由此，當第一摩擦層10和第二摩擦層20相對放置時，能保證每個第一摩擦單元101都至少與一個第二摩擦單元201部分接觸。當對發電機施加能使第一摩擦單元101和第二摩擦單元201之間發生相對滑動、并且二者的接觸面積發生改變的力時，發電機能夠工作，向外電路輸出信號。如果能精確控制每個第一摩擦單元101和第二摩擦單元201的形狀、尺寸和排布位置，則可以使這些摩擦單元實現完全接觸，滑動摩擦引起的錯位/失配的面積達到最大，這樣在摩擦過程中產生的電荷密度和總電量最大。優選所述條狀的長度方向與所述第一摩擦單元和第二摩擦單元的相對摩擦方向垂直。當然，如果不能完全精確的控制每個摩擦單元的形狀、尺寸和位置，則盡量保證大部分的第一摩擦單元101都能與一個第二摩擦單元201至少部分接觸，這樣也能夠使二者在滑動摩擦的過程中發生電荷轉移，實現本發明的目的。
[0093]圖4給出了另一種第一摩擦單元101和第二摩擦單元201的典型排布情況。在該例子中，第一摩擦單元101和第二摩擦單元201均以棋盤的形式分布在兩個導電元件的表面，使得第一摩擦層10和第二摩擦層20中存在孔洞結構，該孔洞結構保證了第一摩擦層10和第二摩擦層20在發生相對滑動摩擦時，摩擦面積能夠發生變化，從而能夠產生電信號向外輸出。通過調整布局使得第一摩擦層10和第二摩擦層20相對放置時，每個第一摩擦單元101至少和一個第二摩擦單元201部分接觸，如果能精確控制每個第一摩擦單元101和第二摩擦單元201的形狀和尺寸，則可以使這些摩擦單元實現完全接觸，這樣在摩擦過程中產生的電荷密度最大。當然，如果不能完全精確的控制每個摩擦單元的形狀、尺寸和位置，則盡量保證大部分的第一摩擦單元101都能與一個第二摩擦單元201至少部分接觸，這樣就能夠使二者在發生滑動摩擦的過程中接觸面積發生變化，同時發生電荷轉移，從而實現本發明的目的。這種棋盤式的排布方式給本發明帶來一個非常顯著的優勢，即無論任何方向的外力，只要能使第一摩擦層10和第二摩擦層20之間發生較小的相對滑動，都能引起第一摩擦單元101和第二摩擦單元201接觸面積的變化，亦即本發明的發電機對驅動源的適應范圍有很大擴展。
[0094]與棋盤式布局類似的是陣列式分散布局，具體參見圖5。該布局方式與棋盤式布局的區別在于相鄰的第一摩擦單元101之間沒有任何接觸，同樣，相鄰的第二摩擦單元201之間也沒有任何接觸。陣列單元(即第一或第二摩擦單元)的橫截面形狀可以為長方形、正方形、圓形、三角形等，也可以為不規則的圖形；陣列單元的排列方式也可以按照長方形、正方形、圓形、三角形等圖形排列。除了具有棋盤式布局的上述優勢外，該布局方式更為方便制備，有利于工業推廣和應用。
[0095]雖然圖3至圖5所示的實施例中，第一摩擦單元101和第二摩擦單元201的形狀、尺寸和排布方式都相同，但是本領域的技術人員應該認識到這些并不是本發明的發電機能夠正常工作的必要條件，因為只要能夠使一些第一摩擦單元101和第二摩擦單元201在滑動摩擦的過程中摩擦面積發生變化，就能夠使本發明的發電機輸出電信號。也就是說，各第一摩擦單元101的材料和尺寸可以相同也可以不同，各第二摩擦單元201的材料和尺寸可以相同也可以不同，只要互相接觸的第一摩擦單元和第二摩擦單元在材料上滿足摩擦電極序特性存在差異、并且每個第一摩擦單元相對于與其接觸的第二摩擦單元的得失電子傾向相同，同時在尺寸上滿足能夠在滑動的過程中摩擦面積發生變化即可。因此，本領域的技術人員完全可以根據實際需要來設計第一摩擦單元101和第二摩擦單元201的材料、形狀、尺寸和排布方式，而這些設計都是在本發明所公開的原理下指導完成的，應屬于本發明的保護范圍。。第一摩擦單元101和第二摩擦單元201在與二者相對摩擦方向垂直的方向上的幾何尺寸一般沒有限制，優選為I μ rn-50cm,更有選為10 μ m-10cm,更優選為20 μ m_5cm。
[0096]第一導電元件11和第二導電元件21作為發電機的兩個電極，只要具備能夠導電的特性即可，可選自金屬或導電氧化物，常用的金屬包括金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒，以及由上述金屬形成的合金，更優選金屬薄膜，例如鋁膜、金膜、銅膜；常用的導電氧化物包括銦錫氧化物ITO和離子摻雜型的半導體。電極層最好與相應的摩擦單元表面緊密接觸，以保證電荷的傳輸效率；導電材料具體的沉積方法可以為電子束蒸發、等離子體濺射、磁控濺射或蒸鍍，也可以直接利用金屬板作為導電元件。導電元件并不必須限定是硬質的，也可以是柔性的，因為柔性導電元件同樣可以起到對摩擦層的支撐和導電作用。
[0097]導電元件可以是薄膜、薄層或薄板，優選薄膜和薄層，厚度的可選范圍為10nm-Smm,優選為 50nm-lmm,優選為 100nm-500 μ m。
[0098]第一導電元件11和第二導電元件21與外電路連接的方式可以是通過導線或金屬薄膜與外電路連接。
[0099]為了保證本發電機組的機械強度，可以在第一導電元件的下表面和/或第二導電元件的上表面接觸設置支撐層，優選為絕緣材料或半導體材料，例如塑料板或硅片等。
[0100]圖6和圖7是本發明摩擦納米發電機的另一種典型結構示意圖，其主要結構分別與圖3和圖4所示的實施例相同，區別僅在于:第一摩擦層10中除第一摩擦單元101之外的空間填充有第一填充介質102，第二摩擦層20中除第二摩擦單元201之外的空間填充有第二填充介質202，第一填充介質102和第二填充介質202為相對于摩擦單元材料而言具有中性摩擦電極序的材料，在摩擦過程中不易發生電荷轉移。第一填充介質102和第二填充介質202的加入使得第一摩擦層10和第二摩擦層20的機械強度大大增強，從而使本發明的發電機能夠用于更為廣泛的領域，并具有更長的壽命。
[0101]第一填充介質102和第二填充介質202的材料并不必須相同，二者均可從下述范圍中選擇:聚異丁烯、聚氨酯彈性海綿、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇縮丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡膠、天然橡膠、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-Co-丙烯腈)、聚雙酚A碳酸酯聚氯醚、聚偏二氯乙烯和聚(2，6- 二甲基聚亞苯基氧化物)。
[0102]顯然，如果發電機在使用的過程中需要液體、氣體或真空環境，上述第一填充介質102和第二填充介質202也可以是液體或氣體，在必要的情況下也可以是真空。需要注意的是，填充介質的材料應該在摩擦過程中不容易發生電荷轉移。
[0103]第一填充介質102和第二填充介質202的形狀以滿足對摩擦層強度的要求為基本原則，具體可以根據實際情況進行調整。圖8是第一摩擦層10和第二摩擦層20中均設有填充介質的情況，并且所述填充介質的高度均低于相應的摩擦單元，這種設置方式能夠在保證發電機工作效率的同時，有效改善摩擦層的強度。也可以只在一個摩擦層中設置填充層，例如圖9和圖10所示的情況。其中圖10所示的第二填充介質202與第二摩擦單元201的高度基本相同，這種情況適用于構成第二摩擦單元201的材料本身強度較小的情況。由于第二填充介質202是由具有相對中性摩擦電特性的材料構成的，因此即便在滑動的過程中與第一摩擦單元101之間發生摩擦，但是由于其不易發生電荷的特性，使得這種摩擦不會對發電機的整體效率產生明顯影響。
[0104]圖11是本發明另一種典型的發電機結構示意圖。在該實施例中第一導電元件11和第二導電元件21為薄片，將二者做成同軸的圓柱曲面，使得第一摩擦單元101位于第一導電元件11的外表面，而第二摩擦單元201位于第二導電元件21的內表面，并且與第一摩擦單元101相對接觸布置。當施加的外力F使第二導電元件21帶動第二摩擦單元201與第一摩擦單元101發生相對轉動時，第一摩擦單元101與第二摩擦單元201之間能夠發生滑動摩擦，從而使發電機工作。
[0105]圖12是在圖11所示實施例的基礎上將第一導電元件11改為實心圓柱，這種結構進一步提高了發電機的整體強度，擴展了其應用范圍。
[0106]對于圖11和圖12所示的發電機，進一步控制第一摩擦單元101和第二摩擦單元201尺寸以及分布，使得所有第一摩擦單元101的上表面均屬于與第一導電元件11同軸的一個圓柱面，而所有第二摩擦單元201的下表面均屬于與第一導電元件11同軸的另一個圓柱面，并且在力的作用下每一個第一摩擦單元101的上表面均與一個第二摩擦單元201的下表面至少部分接觸。該設計使得第一摩擦單元101和第二摩擦單元201只要沿一個方向相對滑動，而不必改變力的方向，就可以使發電機連續工作。
[0107]圖1-10中的設計都可以做出封閉的圓筒形結構來根據圖11和圖12中的設計做成圓柱形旋轉摩擦發電機。為了提高發電機的機械強度、延長其使用壽命，可以在圖11和12所示的發電機中使用填充介質，具體的填充方式可參照圖8-10所示的實施方式，即在第一摩擦層10和/或第二摩擦層20中填充第一填充介質102和第二填充介質202，并且所述填充介質的厚度可以小于或等于相應摩擦單元的厚度。填充介質材料的選擇與前述的具有相對中性摩擦電極序的材料相同。這種設計和由此衍生出的各種設計都包括在該專利的保護范圍。
[0108]實施例1
[0109]第一導電兀件米用厚度為Imm,尺寸為5cmX6cm的金屬銅薄片，第二導電兀件米用相同尺寸的金屬鋁片，第一摩擦單元的材料采用特富龍(聚四氟乙烯)薄膜，第二摩擦單元的材料為聚對苯二甲酸乙二酯(PET)。聚四氟乙烯和聚對苯二甲酸乙二酯在摩擦電極序中分別具有極負和極正的極性。特富龍被制作成長寬高分別為5cm、0.5cm和0.2cm的條狀薄膜結構，并且按照圖3的方式以0.5cm間隔分布在銅片上。聚對苯二甲酸乙二酯制作成長寬高分別為5cm、0.5cm和0.2cm的條狀薄膜結構，同樣以0.5cm的間隔分布在招片上。
[0110]在金屬鋁薄片和金屬銅薄片上引出導線后，將聚對苯二甲酸乙二酯條和聚四氟乙烯條相對放置，使二者盡量完全正對接觸。在聚對苯二甲酸乙二酯層以0.3米/秒的平均速率、垂直于條形結構的縱向方向進行往復滑動時，聚對苯二甲酸乙二酯條和聚四氟乙烯條之間產生滑動摩擦,并且摩擦面積發生周期性變化,從而促使摩擦納米發電機工作,所產生的短路電流輸出圖見圖13。
[0111]實施例2
[0112]本實施例與實施例1基本相同，區別僅在于:以厚度為600 μ m的硅片為第一摩擦單元材料，在硅片表面旋轉涂覆上一層光刻膠，利用光刻的方法在光刻膠上形成邊長在微米或次微米量級的正方形窗口陣列，將光刻完成后的硅片經過熱氫氧化鉀的化學刻蝕，在窗口處形成金字塔形的凹陷結構陣列。然后將其分割成長2cm、寬2cm的小塊，并按照棋盤狀布置在第一導電元件的表面；以聚二甲基硅氧烷(PDMS)為第二摩擦單元，也分割成2cmX 2cm的小塊，按照與硅片相呼應的方式布置在第二導電元件的表面。當硅片與PDMS兩種材料在外力作用下接觸并發生相對滑動時，由于PDMS具有較好的彈性，其能夠進入并填充硅片表面的凹陷結構，較水平面接觸增大了接觸面積，因此能夠改善發電機的輸出性能。
[0113]實施例3
[0114]本實施例與實施例2基本相同，區別僅在于在PDMS表面進一步采用電感耦合等離子體刻蝕方法制備納米線陣列，具體步驟為:在PDMS表面用濺射儀沉積約10納米厚的金，之后將PDMS薄膜放入電感耦合等離子體刻蝕機中，對沉積有金的一面進行刻蝕，通入02、Ar和CF4氣體，流量分別控制在lOsccm、15sccm和30sccm，壓強控制在15mTorr，工作溫度控制在55°C，用400瓦的功率來產生等離子體，100瓦的功率來加速等離子體，進行約5分鐘的刻蝕，得到基本垂直于膜層的長度約為1.5微米的PDMS納米棒陣列。表面具有微結構的PDMS薄膜與硅片的接觸面積進一步增加，發電機的輸出性能被進一步改善。
[0115]實施例4
[0116]第一導電兀件米用厚度為2mm的金屬銅薄膜層,第二導電兀件米用厚度為Imm的金屬鋁薄膜層，第一摩擦單元使用厚度為1mm、直徑為Icm的聚酰亞胺圓片，用導電膠固定在金屬銅薄膜表面；第二摩擦單元使用厚度為1mm、直徑為Icm的金屬鋁圓片，用導電膠按照與第一摩擦單元相同的圖案固定布置在金屬鋁薄膜上，在金屬鋁薄膜和金屬銅薄膜上引出導線連入外電路，將聚酰亞胺圓片與鋁片相對放置，并盡量保持聚酰亞胺圓片與鋁片完全正對接觸。通過向發電機反復施加不同方向的力使聚酰亞胺圓片與鋁片發生周期性相對滑動，本發明的發電機均有電信號輸出。
[0117]由于聚酰亞胺在摩擦電極序中具有極負的極性，而金屬鋁在電極序中的極性較正，本實施例的材料組合有利于提高摩擦納米發電機的輸出。
[0118]實施例5
[0119]以厚度為100 μ m金屬銅薄膜為第一導電元件，通過光刻掩膜的方法在其表面形成預設的、直徑約2 μ m孔洞圖案，金屬銅表層通過孔洞底部露出，再通過氣相沉積的方法在圖案處選擇性沉積出長度約ΙΟμπι的氧化鋅棒。接著，利用半導體加工工藝中的甩膜技術在上述制得的器件上均勻甩上一層聚丙烯腈進行填充，然后對填充材料進行如加熱或曝光等處理，待其機械強度達到要求范圍后，利用等離子體干法刻蝕技術將填充材料頂部均勻除去合適厚度，使氧化鋅頂部露出適當的高度即可形成所需第一摩擦層。以厚度為100 μ m的金屬鋁片為第二導電元件，利用光刻掩膜的方法在其表面形成與金屬銅片上相應的類似圖案，并通過濺射的方法在圖案處沉積出長度約IOym的金屬鋁柱，然后按照與第一摩擦層類似的制備方式，經甩膜、刻蝕等過程用聚丙烯腈對其進行填充，從而形成連續的第二摩擦層。最后，在金屬銅層和金屬鋁層上引出導線連入外電路，并將氧化鋅柱與鋁柱面對面正對放置，即完成本發明的發電機制備。在外力的作用下，第一摩擦層和第二摩擦層發生相對滑動，并向外電路輸出電信號。
[0120]本實施例中使用了填充層對發電機的摩擦層進行封裝，能夠顯著增強摩擦單元的機械強度、延長發電機的工作壽命。
[0121]本發明的摩擦納米發電機可以利用平動動能使發電機產生電能，為小型用電器提供電源，而不需要電池等電源供電，是一種使用方便的發電機。另外，本發明的摩擦納米發電機制備方法簡便、制備成本低廉，是一種應用范圍廣泛的摩擦納米發電機和發電機組。
[0122]以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非對本發明作任何形式上的限制。任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發明技術方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發明技術方案保護的范圍內。
【權利要求】
1.一種滑動式摩擦納米發電機組，其特征在于包括: 第一導電兀件， 與第一導電元件上表面接觸放置的第一摩擦層， 第二導電元件， 與第二導電元件下表面接觸放置的第二摩擦層， 其中，第一摩擦層中包含若干第一摩擦單元，第二摩擦層中包含若干第二摩擦單元； 所述第一摩擦單元的上表面與第二摩擦單元的下表面在外力作用下發生相對滑動摩擦、同時摩擦面積發生變化，并通過第一導電元件和第二導電元件向外電路輸出電信號。
2.如權利要求1所述的發電機組，其特征在于，所述第一摩擦單元上表面的材料和所述第二摩擦單元下表面的材料之間存在摩擦電極序差異。
3.如權利要求1或2所述的發電機，其特征在于所述第一摩擦單元的上表面和所述第二摩擦單元的下表面接觸放置。
4.如權利要求1或2所述的發電機，其特征在于在沒有外力作用時，所述第一摩擦單元的上表面和所述第二摩擦單元的下表面分離，在外力作用下，所述第一摩擦單元的上表面和所述第二摩擦單元的下表面接觸并發生與接觸面相切的相對滑動摩擦。
5.如權利要求1-4任一項所述的發電機組，其特征在于，所述第一摩擦單元的上表面材料和/或所述第二摩擦單元的下表面材料為絕緣材料或半導體材料。
6.如權利要求5所述的發電機組，其特征在于，所述絕緣材料選自苯胺甲醛樹脂、聚甲醛、乙基纖維素、聚酰胺尼龍11、聚酰胺尼龍66、羊毛及其織物、蠶絲及其織物、紙、聚乙二醇丁二酸酯、纖維素、纖維素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯、再生纖維素海綿、棉及其織物、聚氨酯彈性體、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木頭、硬橡膠、醋酸酯、人造纖維、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚異丁烯、聚氨酯彈性海綿、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇縮丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡膠、天然橡膠、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-Co-丙烯腈)、聚雙酹A碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚(2，6- 二甲基聚亞苯基氧化物)、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亞胺、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。
7.如權利要求5所述的發電機組，其特征在于，所述半導體材料選自硅、鍺、第III和第V族化合物、第II和第VI族化合物、由III- V族化合物和II- VI族化合物組成的固溶體、非晶態的玻璃半導體和有機半導體。
8.如權利要求7所述的發電機組，其特征在于，所述第III和第V族化合物選自砷化鎵和磷化鎵；所述第II和第VI族化合物選自硫化鎘和硫化鋅；所述由III- V族化合物和I1-VI族化合物組成的固溶體選自鎵鋁砷和鎵砷磷。
9.如權利要求1-4任一項所述的發電機組，其特征在于，所述第一摩擦單元上表面材料和/或所述第二摩擦單元下表面材料為非導電氧化物、半導體氧化物或復雜氧化物，包括氧化娃、氧化招，氧化猛、氧化鉻、氧化鐵、氧化鈦、氧化銅、氧化鋅、BiO2和Y2O3。
10.如權利要 求1-4任一項所述的發電機組，其特征在于，所述第一摩擦單元的上表面為具有負極性的摩擦電極序材料，選自聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亞胺、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。
11.如權利要求1-4任一項或10所述的發電機組，其特征在于，所述第二摩擦單元的下表面為具有正極性的摩擦電極序材料，選自苯胺甲醛樹脂、聚甲醛、乙基纖維素、聚酰胺尼龍11、聚酰胺尼龍66、羊毛及其織物、蠶絲及其織物、紙、聚乙二醇丁二酸酯、纖維素、纖維素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯、再生纖維素海綿、棉及其織物、聚氨酯彈性體、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木頭、硬橡膠、醋酸酯、人造纖維、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、銅、鋁、金、銀、鋼和硅。
12.如權利要求1-11任一項所述的發電機組，其特征在于，所述第一摩擦單元的上表面和/或第二摩擦單元的下表面分布有微米或次微米量級的微結構。
13.如權利要求12所述的發電機組，其特征在于，所述微結構選自納米線，納米管，納米顆粒,納米溝槽、微米溝槽，納米錐、微米錐、納米球和微米球狀結構。
14.如權利要求1-12任一項所述的發電機組，其特征在于，所述第一摩擦單元的上表面和/或第二摩擦單元的下表面有納米材料的點綴或涂層。
15.如權利要求1-14任一項所述的發電機組，其特征在于，所述第一摩擦單元的上表面和/或第二摩擦單元的下表面經過化學改性，使得在所述第一摩擦單元的上表面材料引入容易得到電子的官能團和/或在所述第二摩擦單元的下表面材料引入容易失去電子的官能團。
16.如權利要求15所述的發電機組，其特征在于，所述容易失去電子的官能團包括氨基、羥基或烷氧基，所述容易得到電子的官能團包括酰基、羧基、硝基或磺酸基。
17.如權利要求1-16任一項所述的發電機組，其特征在于，所述第一摩擦單元的上表面和/或第二摩擦單元的下表面經過化學改性，使得在所述第一摩擦單元的上表面材料引入負電荷和/或在所述第二摩擦單元的下表面材料引入正電荷。
18.如權利要求17所述的發電機組，其特征在于，所述化學改性通過化學鍵合引入帶電荷基團的方式實現。
19.如權利要求1-18任一項所述的發電機組，其特征在于，用導電材料代替絕緣材料或半導體材料制備所述第一摩擦單元或第二摩擦單元。
20.如權利要求19所述的發電機組，其特征在于構成所述第一摩擦單元或第二摩擦單元的所述導電材料選自金屬、導電氧化物和導電高分子。
21.如權利要求20所述的發電機組，其特征在于所述金屬選自金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒，以及由上述金屬形成的合金。
22.如權利要求1-21任一項所述的發電機組，其特征在于所述第一摩擦層中包含至少2個所述第一摩擦單元和/或所述第二摩擦層中包含至少2個所述第二摩擦單元。
23.如權利要求22所述的發電機組，其特征在于所有所述第一摩擦單元的材料和尺寸相同和/或所有所述第二摩擦單元的材料和尺寸相同。
24.如權利要求22或23所述的發電機組，其特征在于所述第一摩擦單元在第一摩擦層中的排列圖案與第二摩擦單元在第二摩擦層中的排列圖案相呼應，使得第一摩擦層與第二摩擦層相對放置時，在外力的作用下每個第一摩擦單元的上表面至少與一個第二摩擦單元的下表面部分接觸。
25.如權利要求24所述的發電機組，其特征在于所述第一摩擦單元與第二摩擦單元的形狀、尺寸和排列方式相同，使得第一摩擦層與第二摩擦層相對放置時，在外力的作用下每個第一摩擦單元的上表面都能與一個第二摩擦單元的下表面基本完全接觸。
26.如權利要求22-25任一項所述的發電機組，其特征在于所述第一摩擦單元和第二摩擦單元為陣列式離散排列。
27.如權利要求22-25任一項所述的發電機組，其特征在于所述第一摩擦單元和第二摩擦單元為棋盤狀排列，使第一摩擦層和第二摩擦層中存在孔洞結構。
28.如權利要求22-25任一項所述的發電機組，其特征在于所述第一摩擦單元和第二摩擦單元的排列圖案為間隔的條狀排列，所述條狀的長度方向與所述第一摩擦單元和第二摩擦單元的相對摩擦方向垂直。
29.如權利要求1-28任一項所述的發電機組，其特征在于所述第一導電元件和第二導電元件選自金屬、導電氧化物和導電高分子。
30.如權利要求29所述的發電機組，其特征在于所述第一導電元件和第二導電元件選自金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒，以及由上述金屬形成的合金。
31.如權利要求1-30任一項所述的發電機組，其特征在于所述第一導電元件和/或第二導電元件為薄膜或薄片。
32.如權利要求1-31任一項所述的發電機組，其特征在于所述第一摩擦層、第二摩擦層、第一導電元件和/或第二導電元件為硬質的。
33.如權利要求1-32任一項所述的發電機組，其特征在于所述第一摩擦層、第二摩擦層、第一導電元件和/或第二導電元件為柔性的。
34.如權利要求1-33任一項所述的發電機組，其特征在于所述第一摩擦層中還包含第一填充介質用于填充除第一摩擦單元以外的空間和/或所述第二摩擦層中還包含第二填充介質用于填充除第二摩擦單元以外的空間。
35.如權利要求34所述的發電機組，其特征在于所述第一填充介質和第二填充介質由具有相對于第一摩擦單元和第二摩擦單元顯中性摩擦電極序的材料構成。
36.如權利要求35所述的發電機組，其特征在于所述具有中性摩擦電極序的材料選自聚異丁烯、聚氨酯彈性海綿、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇縮丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡膠、天然橡膠、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-Co-丙烯腈)、聚雙酚A碳酸酯聚氯醚、聚偏二氯乙烯和聚(2，6- 二甲基聚亞苯基氧化物)。
37.如權利要求34-36任一項所述的發電機組，其特征在于所述第一填充介質的厚度小于或等于第一摩擦單元的厚度，第二填充介質的厚度小于或等于第二摩擦單元的厚度。
38.如權利要求34-37任一項所述的發電機組，其特征在于所述第一填充介質和/或第二填充介質為不導電的固體、不導電的液體、不導電的氣體或真空環境。
39.如權利要求1-38任一項所述的發電機組，其特征在于所述第一摩擦層和/或第二摩擦層為薄膜或薄片。
40.如權利要求1-39任一項所述的發電機組,其特征在于所述第一導電兀件的外表面和所述第二導電元件的內表面為同軸曲面，使得分布于所述第一導電元件外表面的所述第一摩擦單元與分布于所述第二導電元件內表面的所述第二摩擦單元接觸，并且在有外力施加的情況下，發生與接觸面相切的相對滑動摩擦，同時摩擦面積發生變化。
41.如權利要求40所述的發電機組，其特征在于所述曲面為圓柱面。
42.如權利要求41所述的發電機組，其特征在于所述第一導電元件為實心圓柱。
43.如權利要求40-42任一項所述的發電機組，其特征在于所有所述第一摩擦單元的上表面同屬于與所述第一導電元件同軸的一個圓柱面，所有所述第二摩擦單元的下表面同屬于與所述第一導電元件同軸的另一個圓柱面，并且在力的作用下，每個所述第一摩擦單元的 上表面均與一個所述第二單元的下表面至少部分接觸。
【文檔編號】H02N1/04GK103780124SQ201310077882
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年3月12日 優先權日:2013年3月12日
【發明者】王中林, 朱光 申請人:國家納米科學中心