一種滑動摩擦納米發(fā)電機組和發(fā)電裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種滑動摩擦納米發(fā)電機組，包括多個發(fā)電機單元，每個發(fā)電機單元包括：第一導電元件、第一導電元件下方接觸放置的第一摩擦元件、第一摩擦元件的下表面至少部分接觸放置的第二摩擦元件、第二摩擦元件下方接觸放置的第二導電元件；其中，所有發(fā)電機單元的第一導電元件互相電連接形成第一導電部件，所有發(fā)電機單元的第二導電元件互相電連接形成第二導電部件，施加的外力使多個發(fā)電機單元的第一摩擦元件和第二摩擦元件發(fā)生相對滑動，并且導致接觸面積發(fā)生變化時，能夠通過第一導電部件和第二導電部件向外電路輸出電信號。對該發(fā)電機組施加周期性的外力時，可以在第一導電部件和第二導電部件之間形成交流脈沖信號輸出。
【專利說明】—種滑動摩擦納米發(fā)電機組和發(fā)電裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種發(fā)電機組，特別涉及將施加外力的機械能轉化為電能的摩擦納米發(fā)電機組。
【背景技術】
[0002]在微電子和材料技術高速發(fā)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(fā)出來，并在人們日常生活的各個領域展現(xiàn)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(tǒng)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(huán)境和人體存在潛在的危害。因此，開發(fā)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(fā)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(chǎn)生的能量轉化為機械能傳給發(fā)電機，再由發(fā)電機轉換為電能加以利用。這些發(fā)電機都需要相對集中、大強度的能量輸入，而對于人們日?；顒又挟a(chǎn)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(tǒng)發(fā)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(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種能夠將施加外力的機械能轉化為電能的滑動摩擦納米發(fā)電機組。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種滑動摩擦納米發(fā)電機組，包括多個發(fā)電機單元，所述發(fā)電機單元自上向下依次包括:
[0006]第一導電元件；
[0007]所述第一導電元件下方接觸放置的第一摩擦元件；
[0008]與所述第一摩擦元件的下表面至少部分接觸放置的第二摩擦元件；
[0009]所述第二摩擦元件下方接觸放置的第二導電元件；
[0010]所有發(fā)電機單元的第一導電元件互相電連接形成第一導電部件；所有發(fā)電機單元的第二導電元件互相電連接形成第二導電部件；
[0011]施加的外力使多個所述發(fā)電機單元的第一摩擦元件的下表面和所述第二摩擦元件的上表面發(fā)生相對滑動摩擦、并且導致接觸面積發(fā)生變化時，能夠通過所述第一導電部件和第二導電部件向外電路輸出電信號。
[0012]優(yōu)選的，所述第一摩擦元件的上表面材料和所述第二摩擦元件的下表面材料之間存在摩擦電極序差異。
[0013]優(yōu)選的，多個所述發(fā)電機單元的第一導電元件的邊緣或頂角互相拼接形成存在鏤空的網(wǎng)格狀第一導電部件；和/或，多個所述發(fā)電機單元的第二導電元件的邊緣或頂角互相拼接形成存在鏤空的網(wǎng)格狀第二導電部件。
[0014]優(yōu)選的，所述網(wǎng)格狀第一導電部件和/或第二導電部件的網(wǎng)格的格子形狀選自等邊三角形、正方形、長方形、等邊五邊形、等邊六邊形、圓形和不規(guī)則多邊形。
[0015]優(yōu)選的，所述網(wǎng)格狀第一導電部件的網(wǎng)格中的格子為四邊形，其中，任意兩個拼接在一起的所述第一導電元件通過各自的一個頂角互相拼接；和/或，所述網(wǎng)格狀第二導電部件的網(wǎng)格中的格子圖形為四邊形，其中，任意兩個拼接在一起的所述第二導電元件通過各自的一個頂角互相拼接。
[0016]優(yōu)選的，所述多個發(fā)電機單元的第一摩擦元件采用與所述第一導電部件相同或相似的圖形排列；和/或，所述多個發(fā)電機單元的第二摩擦元件采用與第二導電部件相同或相似的圖形排列。
[0017]優(yōu)選的，多個所述發(fā)電機單兀的第一導電兀件按照陣列方式排列，相鄰第一導電元件之間通過導電互連相互電連接形成陣列型第一導電部件；和/或，多個所述發(fā)電機單元的第二導電元件按照陣列方式排列，相鄰第二導電元件之間通過導電互連相互電連接形成陣列型第二導電部件。
[0018]優(yōu)選的，所述第一導電元件和/或第二導電元件為長條形導電元件。
[0019]優(yōu)選的，所述所有發(fā)電機單元的第一導電元件沿著長度方向平行排列形成所述陣列型第一導電部件，相鄰所述第一導電元件之間通過至少一個導電互連連接；和/或，所述所有發(fā)電機單元的第二導電元件沿著長度方向平行排列形成所述陣列型第二導電部件，相鄰所述第二導電元件之間通過至少一個導電互連連接。
[0020]優(yōu)選的，所述多個發(fā)電機單元的第一摩擦元件采用與所述第一導電部件相同或相似的陣列排列方式排列；和/或，所述多個發(fā)電機單元的第二摩擦元件采用與第二導電部件相同或相似的陣列排列方式排列。
[0021]優(yōu)選的，所述所有發(fā)電機單元的第一摩擦元件的下表面在同一平面；和/或，第二摩擦元件的上表面在同一平面。
[0022]優(yōu)選的，所述所有發(fā)電機單元的第一摩擦元件的上表面在同一平面；和/或所述所有發(fā)電機單元的第二摩擦元件的下表面在同一平面。
[0023]優(yōu)選的，所述所有發(fā)電機單元的第一導電元件的上表面在同一平面；和/或，所述所有發(fā)電機單元的第二導電元件的下表面在同一平面。
[0024]優(yōu)選的，相鄰的發(fā)電機單元的第一摩擦元件之間還填充有第一介質層；和/或，相鄰的發(fā)電機單元的第二摩擦元件之間還填充有第二介質層；
[0025]其中，所述第一介質層的下表面或第二介質層的上表面的位置不影響所述相鄰的發(fā)電機單元在外力作用下第一摩擦元件與第二摩擦元件的相對滑動。
[0026]優(yōu)選的，所述所有發(fā)電機單元的第一摩擦元件組成的圖形與第一介質層圖形形成互補圖形；和/或，所述所有發(fā)電機單元的第二摩擦元件組成的圖形與第二介質層圖形形成互補圖形。
[0027]優(yōu)選的，所述第一介質層和/或第二介質層的材料選自摩擦電極序介于構成發(fā)電機單元的第一摩擦元件和第二摩擦元件材料電極序之間的材料。
[0028]優(yōu)選的，所述第一摩擦元件的下表面和/或第二摩擦元件的上表面為絕緣材料或半導體材料。[0029]優(yōu)選的，所述絕緣材料選自聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亞胺、苯胺甲醛樹月旨、聚甲醛、乙基纖維素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纖維素、纖維素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯、再生纖維海綿、聚氨酯彈性體、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纖維、聚甲基，甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚異丁烯、聚氨酯柔性海綿、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇縮丁醛、酚醛樹脂、氯丁橡膠、丁二烯丙烯共聚物、天然橡膠、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-Co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸鹽，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、聚雙苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯。
[0030]優(yōu)選的，所述的半導體材料選自硅、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(tài)的玻璃半導體和有機半導體。
[0031]優(yōu)選的，所述第一摩擦元件和/或第二摩擦元件為非導電氧化物、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或m。
[0032]優(yōu)選的，所述第一摩擦元件或第二摩擦元件采用金屬材料、導電氧化物材料或導電高分子材料，所述金屬包括金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒，以及由上述金屬形成的合金。
[0033]優(yōu)選的，所述第一摩擦元件下表面和/或第二摩擦元件的上表面分布有微米或次微米量級的微結構。
[0034]優(yōu)選的，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。
[0035]優(yōu)選的，所述第一摩擦元件的上表面和/或第二摩擦元件的下表面經(jīng)過化學改性，使得在極性為正的材料表面引入容易失去電子的官能團和/或在極性為負的材料表面引入容易得到電子的官能團。
[0036]優(yōu)選的，所述容易失去電子的官能團包括氨基、羥基或烷氧基；和/或，容易得到電子的官能團包括?；Ⅳ然?、硝基或磺酸基。
[0037]優(yōu)選的，所述第一摩擦元件下表面和/或第二摩擦元件的上表面經(jīng)過化學改性，使得在極性為正的材料表面引入正電荷和/或在極性為負的材料表面引入負電荷。
[0038]優(yōu)選的，所述發(fā)電機單元的第一導電元件、第一摩擦元件、第二摩擦元件和/或第二導電元件為薄膜。
[0039]優(yōu)選的，所述第一導電部件上表面和/或所述第二導電部件下表面還包括柔性或硬性基板。
[0040]本發(fā)明還一個一種滑動摩擦發(fā)電裝置，包括若干個如上所述的發(fā)電機組，所述發(fā)電機組之間形成串聯(lián)和/或并聯(lián)。
[0041]優(yōu)選的，多個發(fā)動機組為上下堆疊結構，上下相鄰兩個發(fā)動機組之間插入一個隔離層，用于將在上的發(fā)動機組的第二導電部件和在下的發(fā)動機組的第一導電部件隔離。
[0042]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有的有益效果是:
[0043]本發(fā)明提供的滑動摩擦納米發(fā)電機組中，將多個發(fā)電機單元通過第一導電部件和第二導電部件進行并聯(lián)，通過設計圖形化的第一導電部件和/或第二導電部件可以獲得較高的輸出功率。
[0044]本發(fā)明的發(fā)電機組中的發(fā)電機單元的層狀結構設計無需大規(guī)模、高強度的能量輸入，僅需輸入的機械能能夠驅動發(fā)電機元件的第一摩擦元件和第二摩擦元件之間的相對滑動，即可使發(fā)電機組產(chǎn)生電能。因此可有效收集自然界和人們日常生活中產(chǎn)生的各種強度的機械能，并將其轉化為電能，為小型用電器提供電源，是一種使用方便的發(fā)電機組。
[0045]在相鄰的發(fā)電機單元的第一摩擦元件或第二摩擦元件之間填充介質材料，可以在不影響發(fā)電機單元工作的前提下有效保護發(fā)電機單元的第一摩擦元件或第二摩擦元件。有利于延長發(fā)電機組的壽命。
[0046]本發(fā)明的發(fā)電機組不僅能作為小型功率源，還可以將多個發(fā)動機組進行串聯(lián)或并聯(lián)形成更高輸出功率的發(fā)電設備，用于大功率發(fā)電。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0047]通過附圖所示，本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)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(fā)明的主旨。
[0048]圖1為滑動摩擦發(fā)電機組的結構示意圖；
[0049]圖2為滑動摩擦發(fā)電機組的發(fā)電原理示意圖；
[0050]圖3為網(wǎng)格狀導電部件的網(wǎng)格示意圖；
[0051]圖4為網(wǎng)格狀圖形中的網(wǎng)格為四邊形的網(wǎng)格示意圖；
[0052]圖5為發(fā)滑動摩擦電機組第一實施例的立體結構示意圖；
[0053]圖6為第一實施例的發(fā)電機單元中各部分的平面圖形示意圖；
[0054]圖7為發(fā)滑動摩擦電機組第二實施例的立體結構示意圖；
[0055]圖8為第二實施例的發(fā)電機單元中各部分的平面圖形示意圖；
[0056]圖9為發(fā)滑動摩擦電機組第三實施例的立體結構示意圖；
[0057]圖10和11為第三實施例的發(fā)電機單元中各部分的平面圖形示意圖。
【具體實施方式】
[0058]下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)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(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0059]其次，本發(fā)明結合示意圖進行詳細描述，在詳述本發(fā)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(fā)明保護的范圍。
[0060]本發(fā)明提供一種能夠將運動、振動等自然存在的機械能轉化為電能的滑動摩擦納米發(fā)電機組，能夠為微型電子器件提供匹配的電源。本發(fā)明的滑動摩擦納米發(fā)電機組利用了在摩擦電極序中存在極性差異的材料接觸時產(chǎn)生表面電荷轉移的現(xiàn)象，發(fā)電機單元將外力的機械能轉化為電能，并且將多個發(fā)電機單元進行并聯(lián)，獲得足夠的電能輸出。
[0061]本發(fā)明中所述的“摩擦電極序”，是指根據(jù)材料對電荷的吸引程度將其進行的排序，兩種材料在相互摩擦的瞬間，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(tǒng)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(shù)相關，通過電子或者離子在接觸面上的轉移而實現(xiàn)電荷轉移。需要說明的是，摩擦電極序只是一種基于經(jīng)驗的統(tǒng)計結果，即兩種材料在該序列中相差越遠，接觸后所產(chǎn)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(huán)境濕度和是否有相對摩擦等。
[0062]本發(fā)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(qū)可能存在負電荷的聚集區(qū)域，但整個表面凈電荷的符號為正。
[0063]下面結合附圖詳細介紹本發(fā)明的技術方案。
[0064]本發(fā)明的滑動摩擦納米發(fā)電機組，參見圖1的滑動摩擦發(fā)電機組的結構示意圖，包括多個發(fā)電機單兀Ml,每個發(fā)電機單兀Ml自上向下依次包括:第一導電兀件10、第一導電元件10下方接觸放置的第一摩擦元件20、與第一摩擦元件20的下表面至少部分接觸放置的第二摩擦元件30、第二摩擦元件30下方接觸放置的第二導電元件40 ;所有發(fā)電機單元的第一導電兀件10互相電連接形成第一導電部件100 ;所有發(fā)電機單兀的第二導電兀件40互相電連接形成第二導電部件200 ;施加的外力使多個發(fā)電機單元的第一摩擦元件20和第二摩擦元件30發(fā)生相對滑動摩擦、并且導致接觸面積發(fā)生變化時，能夠通過第一導電部件100和第二導電部件200向外電路輸出電信號。
[0065]具體地，發(fā)電機組中，所有發(fā)電機單元的第一導電元件10可以通過導電互連50互相電連接形成第一導電部件100，也可以通過相鄰的第一導電元件直接拼接在一起實現(xiàn)電連接；所有發(fā)電機單元的第二導電元件40可以通過導電互連60互相電連接形成第二導電部件200，也可以通過相鄰的第二導電元件直接拼接在一起實現(xiàn)電連接。
[0066]下面結合圖1的滑動摩擦納米發(fā)電機組的結構示意圖來描述本發(fā)明的發(fā)電原理。參見圖2，以發(fā)電機組中一個發(fā)電機單元Ml的發(fā)電過程為例，在有外力F使發(fā)電機單元Ml的第一摩擦元件20的下表面與第二摩擦元件30的上表面發(fā)生相對滑動摩擦時，由于第一摩擦元件20的下表面材料與第二摩擦元件30的上表面材料在摩擦電極序中存在差異，引發(fā)表面電荷轉移(參見圖2 (a))，為了屏蔽由于錯位而殘留在第一摩擦元件20和第二摩擦元件30中表面電荷所形成的電場，第一導電元件10中的自由電子就會通過外電路流到第二導電元件40上，從而產(chǎn)生一外電流(參見圖2(b))。當反方向施加外力F時，第一摩擦元件20或第二摩擦元件30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兀件10,從而給出一相反方向的外電流。對于圖1中包括多個發(fā)電機單元Ml的發(fā)電機組，對于重復周期很多的如圖1中所示的周期性結構，在外力的作用下，第一導電部件100相對于第二導電部件200滑移的距離是周期結構的一個周期(例如相鄰發(fā)電機單元之間的距離)，匯集在第一導電部件100的電子將流回第二導電部件。對本發(fā)明的滑動摩擦納米發(fā)電機組施加周期性的外力時，可以在第一導電部件和第二導電部件之間形成交流脈沖信號輸出。
[0067]本發(fā)明的滑動摩擦發(fā)電機組中，所有發(fā)電機單元的第一導電元件互相電連接形成第一導電部件，所有發(fā)電機單元的第二導電元件互相電連接形成第二導電部件，因此，發(fā)電機組中多個發(fā)電機單元之間為并聯(lián)，這樣的發(fā)電機組可以獲得高的輸出功率。通過設計第一導電部件和/或第二導電部件的圖形，施加的外力無論來自哪個方向，發(fā)電機組都可以有功率輸出。
[0068]本發(fā)明中，發(fā)電機組的第一導電部件和/或第二導電部件為圖形化導電部件，具體的，多個所述發(fā)電機單元的第一導電元件的邊緣或頂角互相拼接形成存在鏤空的網(wǎng)格狀第一導電部件；和/或，多個所述發(fā)電機單元的第二導電元件的邊緣或頂角互相拼接形成存在鏤空的網(wǎng)格狀第二導電部件。
[0069]這里所述的第一導電部件(或第二導電部件)的網(wǎng)格狀圖形可以參見圖3，多個發(fā)電機單元的第一導電元件(或第二導電元件)A1、A2、A3、A4…互相拼接形成存在鏤空的網(wǎng)格圖形M，每個導電元件Al、A2、A3、At..(圖中陰影部分)占據(jù)一個網(wǎng)格，網(wǎng)格圖形M中存在由多個導電元件的邊緣連接形成的鏤空區(qū)域B (圖中無陰影部分)。具體的，多個第一導電元件(或第二導電元件)的邊緣或頂角互相拼接形成存在鏤空的網(wǎng)格狀第一導電部件，例如圖3中，導電元件Al的邊緣與導電元件A2的邊緣互相拼接，導電元件A2的一個頂角與導電元件A4的一個頂角互相拼接，互相拼接的導電元件A1、A2、A3、A4、A5的邊緣連接形成鏤空區(qū)域B。
[0070]本發(fā)明中，所述網(wǎng)格的格子形狀可以選自等邊三角形、正方形、長方形、等邊五邊形、等邊六邊形、圓形和不規(guī)則多邊形等圖形。具體為，每個第一導電元件(或第二導電元件)在其占據(jù)的網(wǎng)絡格子的平面投影為等邊三角形、正方形、長方形、等邊五邊形、等邊六邊形、圓形和不規(guī)則多邊形等圖形。
[0071]本 發(fā)明的發(fā)電機組中，只需要保證施加的外力使多個發(fā)電機單元的第一摩擦元件和第二摩擦元件同步發(fā)生相對滑動即可，每個發(fā)電機單元中第一摩擦元件與第二摩擦元件的滑動平面可以不同，并不限定所有發(fā)電機單元中第一摩擦元件與第二摩擦元件的滑動平面在同一平面內。優(yōu)選地，如圖1中所示，所有發(fā)電機單元的第一摩擦元件的下表面在同一平面；和/或，第二摩擦元件的上表面在同一平面。
[0072]本發(fā)明的發(fā)電機組中，優(yōu)選地，如圖1中所示，所有發(fā)電機單元的第一摩擦元件的上表面在同一平面；和/或，所有發(fā)電機單元的第二摩擦元件的下表面在同一平面。
[0073]本發(fā)明的發(fā)電機組中，優(yōu)選地，如圖1中所示，所有發(fā)電機單元的第一導電元件的上表面在同一平面；和/或，所有發(fā)電機單元的第二摩擦層的下表面在同一平面。
[0074]優(yōu)選的，發(fā)電機單元的第一摩擦元件的上表面材料和第二摩擦元件的下表面材料之間存在摩擦電極序差異。
[0075]優(yōu)選的，發(fā)電機單元的第一摩擦元件的材料和第二摩擦元件的材料之間存在摩擦電極序差異。
[0076]雖然摩擦起電的現(xiàn)象早已被人們所認識，本領域對能夠發(fā)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(fā)電并將其器件化則是本發(fā)明首次提出的。通過本發(fā)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(fā)電機的工作方式，從而能夠了解構成發(fā)電機組的發(fā)電機單元中各部件材料的選擇原則。以下給出適用本發(fā)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(jù)實際需要具體選擇，從而達到調控發(fā)電機組輸出性能的目的。
[0077]同一發(fā)電機單元Ml中的第一摩擦元件20和第二摩擦元件30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(fā)生摩擦的過程中能夠在表面產(chǎn)生接觸電荷。常規(guī)的高分子聚合物都具有摩擦電特性，均可以作為制備本發(fā)明第一摩擦元件20和第二摩擦元件30的材料，此處列舉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，聚酰亞胺薄膜、苯胺甲醛樹脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纖維素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纖維素薄膜、纖維素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯薄膜、再生纖維海綿薄膜、聚氨酯彈性體薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纖維薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚異丁烯薄膜、聚氨酯柔性海綿薄膜、聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇縮丁醛薄膜、酚醛樹脂薄膜、氯丁橡膠薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡膠薄膜、聚丙烯腈薄膜、聚(偏氯乙烯-Co-丙烯腈)薄膜或聚乙烯丙二酚碳酸鹽薄膜，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚雙苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯。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聚合物材料從人們參考，但是顯然這些具體的材料并不能成為本發(fā)明保護范圍的限制性因素，因為在發(fā)明的啟示下，本領域的技術人員根據(jù)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。
[0078]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元件20或第二摩擦元件30的原料。常用的半導體包括硅、鍺；第111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(tài)半導體外，還有非晶態(tài)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(fā)明的摩擦元件或摩擦元件的表面材料，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 ；第一摩擦元件或第二摩擦元件也可以采用金屬材料，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元件的材料，例如導電高分子材料、導電氧化物材料銦錫氧化物ITO
坐寸ο
[0079]通過實驗發(fā)現(xiàn)，當?shù)谝荒Σ猎?0和第二摩擦元件30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(fā)電機單元輸出的電信號越強。所以，可以根據(jù)實際需要，選擇合適的材料來制備第一摩擦元件20和第二摩擦元件30，以獲得更好的輸出效果。
[0080]按照得電子能力由弱到強的順序列出摩擦元件可以采用的部分絕緣材料:苯胺甲醒樹脂、聚甲醒1.3-1.4、乙基纖維素、聚酰胺11、聚酰胺6-6、melanimeformol、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、鋼、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、硫磺、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、聚乙烯醇縮丁醒、formo-phenolique (hardened)、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。
[0081]還可以對發(fā)電機單元的第一摩擦元件20下表面和/或第二摩擦元件30上表面進行物理改性，使其表面分布有微米或次微米量級的微結構陣列，以增加第一摩擦元件20與第二摩擦元件30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(xiàn)該目的。
[0082]還可以對相互接觸的第一摩擦元件20和/或第二摩擦元件30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(fā)電機的輸出功率?；瘜W改性又分為如下兩種類型:
[0083]一種方法是對于相互接觸的第一摩擦元件20和第二摩擦元件30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(fā)電機的輸出功率。強給電子團包括:氨基、羥基、烷氧基等；強吸電子團包括:?；Ⅳ然?、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(guī)方法。例如可以使氧氣和氮氣的混合氣在一定功率下產(chǎn)生等離子體，從而在基板材料表面引入氨基。
[0084]另外一種方法是在極性為正的材料表面引入正電荷，而在極性為負的材料表面弓I入負電荷。具體可以通過化學鍵合的方式實現(xiàn)。例如，可以在PDMS薄膜(第一摩擦元件)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(第二摩擦元件)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，故會使整個金屬金薄膜變成帶正電性。本領域的技術人員可以根據(jù)摩擦元件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(fā)明的目的，因此這樣的變形都在本發(fā)明的保護范圍之內。
[0085]本發(fā)明并不限定第一摩擦元件20和第二摩擦元件30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(jù)實際情況進行選擇。第一摩擦元件20和第二摩擦元件30的厚度對本發(fā)明的實施沒有顯著影響，本發(fā)明優(yōu)選摩擦層為薄膜，厚度為100nm-5mm,優(yōu)選I μ m-2mm,更優(yōu)選10 μ m-800 μ m,更優(yōu)選20 μ m-500 μ m,這些厚度對本發(fā)明中所有的技術方案都適用。
[0086]第一導電元件10和第二導電元件40作為發(fā)電機單元的兩個電極，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(yōu)選金屬片、箔片或薄膜，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。用于連接發(fā)電機單元的第一導電元件形成第一導電部件的導電互連可以與第一導電元件的材料相同或不同；用于連接發(fā)電機單元的第二導電元件形成第二導電部件的導電互連可以與第二導電元件的材料相同或不同。
[0087]發(fā)電機單元Ml的第一導電元件10和第二導電元件40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。[0088]發(fā)電機單元的第一導電元件、第一摩擦元件、第二摩擦元件和/或第二導電元件為薄膜。
[0089]為了保證本實施例中發(fā)電機組的機械強度，可以在第一導電部件上表面和/或第二導電部件的下表面接觸設置基板。根據(jù)發(fā)電機組的應用要求，所述的基板可以為柔性或硬性材料，例如塑料板或硅片等。
[0090]實施例一:
[0091]本實施例中，發(fā)電機組的存在鏤空的網(wǎng)格狀第一導電部件和/或存在鏤空的網(wǎng)格狀第二導電部件的網(wǎng)格的格子形狀為四變形，任意兩個拼接在一起的所述第一導電元件通過各自的一個頂角互相拼接；和/或，所述網(wǎng)格狀第二導電部件的網(wǎng)格中的格子為四邊形，其中，任意兩個拼接在一起的所述第二導電元件通過各自的一個頂角互相拼接。優(yōu)選的，這里多個導電元件的邊緣連接形成的鏤空區(qū)域也為四邊形。參見圖4的網(wǎng)格狀第一導電部件(或第二導電部件)N，由四邊形的第一導電元件(或第二導電元件)Cl、C2、C3…互相拼接形成，其中，導電元件Cl的一個頂角與導電元件C2的一個頂角拼接在一起，導電元件C2的另一個頂角與導電元件C3的一個頂角拼接在一起，多個導電元件的邊緣連接形成的鏤空區(qū)域D也為四邊形。其它元件也以同樣的方式拼接在一起。
[0092]本實施例中以發(fā)電機單元的第一導電元件和第二導電元件采用相同的圖形為例，說明本實施例中發(fā)電機組的結構。優(yōu)選的，多個發(fā)電機單元的第一導電元件互相按照棋盤格子圖形拼接形成第一導電部件，多個發(fā)電機單元的第二導電元件互相按照棋盤格子圖形拼接形成第二導電部件。參見圖5中的發(fā)電機組的立體結構示意圖和圖6中的發(fā)電機單元中各部分的平面圖形示意圖，其中，每個發(fā)電機單元的第一導電元件11占據(jù)第一導電部件101棋盤格子圖形中的一個格子，任意兩個拼接在一起的第一導電元件通過各自的一個頂角互相拼接(參見圖6 (a));每個發(fā)電機單元的第二導電元件41占據(jù)第二導電部件201棋盤格子圖形中的一個格子，任意兩個拼接在一起的第二導電元件通過各自的一個頂角互相拼接(參見圖6( d))。在這樣的發(fā)電機組中，發(fā)電機單元的第一導電元件互相直接電連接形成第一導電部件，不需要另外的導線互連；發(fā)電機單元的第二導電元件互相直接電連接形成第二導電部件，不需要另外的導線互連。
[0093]相應與發(fā)電機組的第一導電部件101和第二導電部件201，優(yōu)選的，多個發(fā)電機單元的第一摩擦元件21采用與第一導電部件101相同或相似的圖形排列，優(yōu)選的，每個發(fā)電機單元的第一摩擦元件21占據(jù)棋盤格子圖形中的一個格子，任意兩個拼接在一起的第一摩擦元件21通過各自的一個頂角互相拼接(參見圖6(b))。多個發(fā)電機單元的第二摩擦元件31采用與第二導電部件201相同或相似的圖形排列，優(yōu)選的，每個發(fā)電機單元的第二摩擦元件31占據(jù)棋盤格子圖形中的一個格子，任意兩個拼接在一起的第二摩擦元件31通過各自的一個頂角互相拼接(參見圖6 (C))。
[0094]為了保證本實施例中發(fā)電機組的機械強度，可以在第一導電部件上表面和/或第二導電部件的下表面接觸設置柔性或硬性基板，優(yōu)選為絕緣材料或半導體材料，例如塑料板或硅片等。
[0095]本實施例的發(fā)電機組，無論施加的外力使發(fā)電機單元的第一摩擦元件21與第二摩擦元件31之間向哪個方向滑動，都可以導致第一摩擦元件21與第二摩擦元件31的接觸面積發(fā)生變化，發(fā)電機組的第一導電部件和第二導電部件之間都可以有功率輸出。[0096]下面列出一個包括25個發(fā)電機單兀的發(fā)電機組,其中，發(fā)電機單兀的第一導電元件采用厚度為1mm、尺寸為IcmX Icm的金屬銅薄片，第一摩擦元件采用厚度為0.2cm、尺寸為IcmXlcm的特富龍(聚四氟乙烯)薄膜，第二摩擦元件采用厚度為0.2cm、尺寸為IcmX Icm的聚乙二醇己二酸酯薄膜,第二導電元件采用厚度為1mm、尺寸為IcmX Icm的金屬鋁膜。25個發(fā)電機單元的25個金屬鋁薄片(第二導電元件)按照棋盤格子圖形(參見圖6 (d))排列形成第二導電部件，25個聚乙二醇己二酸酯薄膜(第二摩擦元件)在第二導電部件上按照與第二導電部件相同的圖形進行排列，每個聚乙二醇己二酸酯薄膜上放置一個特富龍薄膜(第一摩擦元件)，使每個聚乙二醇己二酸酯薄膜的上表面與特富龍薄膜的下表面至少部分接觸，在每個特富龍薄膜上表面放置一個金屬銅薄片，使25個金屬銅薄片按照與第二導電部件相同的圖形排列形成第一導電部件，并且25個金屬銅薄片完全覆蓋在25個特富龍薄膜的上表面形成滑動摩擦納米發(fā)電機組，其中，25個金屬銅薄片按照棋盤格子圖形(參見圖6 (a))排列形成第一導電部件。金屬銅薄片的下表面與特富龍薄膜的上表面之間可以采用導電膠等材料進行粘貼固定；金屬鋁薄片的上表面與聚乙二醇己二酸酯薄膜的上表面之間可以采用導電膠等材料進行粘貼固定。
[0097]特富龍(聚四氟乙烯)和聚乙二醇己二酸酯在摩擦電極序中分別具有極負和極正的極性，在金屬鋁薄片和金屬銅薄片引出導線后，在平均速率為0.3米/秒在任意平行于特富龍薄膜和聚乙二醇己二酸酯薄膜的滑動平面的方向互相平行摩擦滑動時，發(fā)電機組的第一導電部件和第二導電部件之間產(chǎn)生短路電流輸出，表明發(fā)電機組在外力作用下可以將機械能轉變?yōu)殡娦盘枴?br> [0098]本實施例中，發(fā)電機組的第一導電部件和第二導電部件的網(wǎng)格圖形可以不同。
[0099]本實施例中，每個發(fā)電機單元的第一導電元件尺寸和/或形狀可以完全相同，即棋盤格子圖形化的第一導電部件中，并不限定每個棋盤格子的尺寸和形狀相同，只要是近似棋盤格子圖形的第一導電部件都在本發(fā)明的保護范圍內。優(yōu)選的，每個發(fā)電機單元的第一導電元件尺寸和形狀完全相同。
[0100]相似地，第二導電部件的棋盤格子圖形并不限定每個棋盤格子的尺寸和形狀相同，只要是近似棋盤格子圖形的第二導電部件都在本發(fā)明的保護范圍內。優(yōu)選的，每個發(fā)電機單元的第二導電元件尺寸和形狀完全相同。
[0101]相似地，同一個發(fā)電機單元的第一摩擦元件、第二摩擦元件的形狀和尺寸也可以不同。不同發(fā)電機單元的尺寸和形狀也可以不同。
[0102]實施例二:
[0103]本實施例中，發(fā)電機組的第一導電部件和/或第二導電部件為網(wǎng)格狀導電部件，具體可以為陣列型導電部件。本實施例的發(fā)電機組中，多個發(fā)電機單元的第一導電元件按照陣列方式排列，相鄰第一導電元件之間通過導電互連電連接形成陣列型第一導電部件；和/或，多個發(fā)電機單元的第二導電元件按照陣列方式排列，相鄰第二導電元件之間通過導電互連電連接形成陣列型第二導電部件。
[0104]陣列型導電部件的形狀可以有多種選擇，其中，陣列單元(即第一或第二導電元件)占據(jù)陣列圖形中的形狀可以為長方形、正方形、圓形、三角形等，也可以為不規(guī)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，也可以為不規(guī)則圖形的方式排列。下面以一個具體的例子說明本實施例發(fā)電機組的結構。[0105]以每個發(fā)電機單元的第一導電元件和第二導電元件采用相同的形狀為例，說明本實施例中發(fā)電機組的結構。參見圖7 (發(fā)電機組的立體結構示意圖)和圖8 (發(fā)電機單元中各部分的平面圖形示意圖)，發(fā)電機組包括多個發(fā)電機單元，其中，每個發(fā)電機單元的第一導電元件12和第二導電元件42均為長條形元件，多個發(fā)電機單元的第一導電元件沿著長度方向平行排列，相鄰的第一導電元件12之間通過至少一個導電互連52連接形成發(fā)電機組的陣列型第一導電部件102 (參見圖8 (a));多個發(fā)電機單元的第二導電元件沿著長度方向平行排列，相鄰的第二導電元件42之間通過至少一個導電互連62連接形成發(fā)電機組的陣列型第二導電部件202 (參見圖8 (d))。導電互連52和62可以為導線、導電薄膜或帶等。
[0106]相應與發(fā)電機組的第一導電部件102和第二導電部件202，優(yōu)選的，每個發(fā)電機單元的第一摩擦元件22均為長條形，多個發(fā)電機單元的第一摩擦元件22采用與第一導電部件102相同的圖形排列(參見圖8 (b))。優(yōu)選的，每個發(fā)電機單元的第二摩擦元件32均為長條形，多個發(fā)電機單元的第二摩擦元件32采用與第二導電部件202相同的圖形排列(參見圖8 (C))。
[0107]發(fā)電機組中，第一導電部件102中相鄰兩個第一導電元件12之間通過兩個導電互連52實現(xiàn)電連接，優(yōu)選的，兩個導電互連52連接在靠近第一導電元件兩端的位置。優(yōu)選的，第一導電部件中的導電互連的材料、形狀和/或尺寸均相同。第二導電部件202中相鄰兩個第二導電元件42之間通過兩個導電互連62實現(xiàn)電連接，優(yōu)選的，兩個導電互連52連接在靠近第二導電元件兩端的位置。優(yōu)選的，第二導電部件中的導電互連的材料、形狀和/或尺寸均相同。
[0108]相應與發(fā)電機組的第一導電部件102和第二導電部件202，多個發(fā)電機單元的第一摩擦元件可以采用與第一導電部件102相同或相似的圖形排列。優(yōu)選的，多個發(fā)電機單元的第一摩擦元件22為上表面與第一導電元件12的下表面形狀和尺寸相同的長條形元件，米用與第一導電部件102相同或相似的陣列排列方式排列(參見圖8(b))。多個發(fā)電機單元的第二摩擦元件可以采用與第二導電部件202相同或相似的圖形排列。優(yōu)選的，多個發(fā)電機單元的第二摩擦元件31為下表面與第二導電元件42的上表面形狀和尺寸相同的長條形元件，采用與第二導電部件201相同或相似的陣列排列方式排列(參見圖8 (C))。
[0109]為了保證本發(fā)電機組的機械強度，可以在第一導電部件上表面和/或第二導電部件的下表面接觸設置基板，優(yōu)選為絕緣材料或半導體材料，例如塑料板或硅片等。
[0110]本實施例的發(fā)電機組,施加的外力方向優(yōu)選為垂直與第一導電兀件長度方向，使發(fā)電機單元的第一摩擦元件22與第二摩擦元件32之間進行滑動，并且導致接觸面積發(fā)生變化時，發(fā)電機組的第一導電部件和第二導電部件之間有最大功率輸出。
[0111]下面列出一個包括5個發(fā)電機單元的發(fā)電機組，其中，發(fā)電機單元的第一導電元件采用厚度為1mm、尺寸為lcmX5cm的金屬銅薄片，第一摩擦元件采用厚度為1mm、尺寸為lcmX5cm的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜，第二摩擦元件采用厚度為0.5mm、尺寸為IcmX5cm的娃片,第二導電元件采用厚度為1mm、尺寸為lcmX5cm的金屬招膜。5個發(fā)電機單元的5個金屬鋁薄片(第二導電元件)按照長度方向平行排列(參見圖6 (d))，相鄰的金屬招薄片之間通過兩個厚度為1_、尺寸為IcmX 2mm金屬帶(導電互連)連接形成第二導電部件。5個發(fā)電機單元的5個金屬銅薄片(第一導電元件)按照長度方向平行排列(參見圖6 (a)),相鄰的金屬銅薄片之間通過兩個金屬厚度為1mm、尺寸為IcmX 2mm金屬帶(導電互連)連接形成第一導電部件。在PDMS薄膜的表面上采用電感耦合等離子體刻蝕方法制備納米棒陣列，具體步驟為:在PDMS薄膜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，對沉積有金的表面進行刻蝕，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(chǎn)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PDMS薄膜表面的長度約為1.5微米的PDMS納米棒陣列。在硅片表面制備微米或次微米結構的微結構陣列，具體步驟為:在硅片表面旋轉涂覆一層光刻膠，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；將光刻完成后的基板經(jīng)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。將5個制備有納米線的PDMS薄膜表面向上對應放置在第一導電部件的5個第二導電元件上，然后將5個制備有微結構陣列的硅片表面向下對應放置在5個PDMS薄膜上，最后使第一導電部件的5個第一導電元件與5個硅片對應將第一導電部件放置在器件上形成滑動摩擦納米發(fā)電機組。
[0112]第一摩擦元件采用下表面制備有納米棒陣列的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜，第二摩擦元件采用上表面制備有微結構陣列的硅片，當外力作用在發(fā)電機組使相互接觸的硅片與PDMS薄膜兩種材料在外力作用下發(fā)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，較平坦表面接觸增大了接觸面積。
[0113]金屬銅薄片的下表面與PDMS薄膜的上表面之間可以采用導電膠等材料進行粘貼固定；金屬鋁薄片的上表面與硅片的下表面之間可以采用導電膠等材料進行粘貼固定。
[0114]為了保證本發(fā)電機組的機械強度，可以在第一導電部件上表面和/或第二導電部件的下表面接觸設置柔性或硬性基板，優(yōu)選為絕緣材料或半導體材料，例如塑料板或硅片
坐寸ο
[0115]硅片和PDMS薄膜在摩擦電極序中具有不同的摩擦電極序，在金屬鋁薄片和金屬銅薄片引出導線后，在垂直與金屬鋁薄片長度的方向施加外力，使互相接觸的硅片和PDMS薄膜在平均速率為0.2米/秒發(fā)生滑動摩擦時，發(fā)電機組的第一導電部件和第二導電部件之間產(chǎn)生短路電流輸出，表明發(fā)電機組在外力作用下可以將機械能轉變?yōu)殡娦盘枴?br> [0116]實施例三:
[0117]本實施例與實施例一或實施例二的區(qū)別在于，滑動摩擦納米發(fā)電機組中，相鄰的發(fā)電機單元的第一摩擦元件之間還填充有第一介質層，和/或相鄰的發(fā)電機單元的第二摩擦元件之間還填充有第二介質層，其中，第一介質層的下表面或第二介質層的上表面的位置不影響所述相鄰的發(fā)電機單元在外力作用下第一摩擦元件與第二摩擦元件的相對滑動。
[0118]參見圖9，滑動摩擦納米發(fā)電機組包括多個發(fā)電機單元N1、N2...，以發(fā)電機單元NI為例，發(fā)電機單兀自上向下依次包括:第一導電兀件131、第一導電兀件131下方接觸放置的第一摩擦元件231、與第一摩擦元件231的下表面至少部分接觸放置的第二摩擦元件331、第二摩擦元件331下方接觸放置的第二導電元件431 ;所有發(fā)電機單元的第一導電元件通過導電互連53互相電連接形成第一導電部件103 ;所有發(fā)電機單元的第二導電元件通過導電互連63互相電連接形成第二導電部件203 ;施加的外力使多個發(fā)電機單元的第一摩擦元件和第二摩擦元件同步發(fā)生相對滑動，并且導致接觸面積發(fā)生變化時，能夠通過第一導電部件103和第二導電部件203向外電路輸出電信號。在發(fā)電機單元NI的第一摩擦元件231和發(fā)電機單元N2的第一摩擦元件232之間填充有第一介質層70，第一介質層70的下表面的位置不影響外力作用下相鄰的發(fā)電機單元NI和N2中第一摩擦元件與第二摩擦元件的相對滑動。優(yōu)選的，第一介質層70的厚度不大于第一摩擦元件231的厚度。
[0119]同樣，也可以在發(fā)電機單元NI的第二摩擦元件331和發(fā)電機單元N2的第二摩擦元件332之間填充有第二介質層80，第二介質層80的上表面的位置不影響相鄰的發(fā)電機單元NI和N2中在外力作用下第一摩擦元件與第二摩擦元件的相對滑動。優(yōu)選的，第二介質層80的厚度不大于第二摩擦元件的厚度。
[0120]發(fā)電機組中也可以同時包括第一介質層和第二介質層，參見圖9。第一介質層或第二介質層可以保護發(fā)電機單元的第一摩擦元件或第二摩擦元件，特別是摩擦元件的邊緣，以保證發(fā)電機組中發(fā)電機單元的有效摩擦面積和發(fā)電機組的輸出功率。
[0121]第一介質層和第二介質層的材料可以選擇摩擦電極序介于構成發(fā)電機單元的第一摩擦元件材料與第二摩擦元件材料的摩擦電極序之間的材料。第一介質層和/或第二介質層的材料可以選為絕緣材料或半導體材料。需要說明的是，第一介質層和第二介質層材料的選擇不應限制本實施例的保護范圍。
[0122]第一介質層和第二介質層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)。
[0123]顯然，如果發(fā)電機組在使用的過程中需要液體、氣體或真空環(huán)境，上述第一介質層和第二介質層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(fā)生電荷轉移。
[0124]優(yōu)選的，發(fā)電機組中，所有發(fā)電機單元的第一摩擦元件組成的圖形與第一介質層圖形形成互補圖形。
[0125]優(yōu)選的，發(fā)電機組中，所有發(fā)電機單元的第二摩擦元件組成的圖形與第二介質層圖形形成互補圖形。以每個發(fā)電機單元的第一導電元件和第二導電元件采用相同的圖形為例說明本實施例中發(fā)電機組的結構，圖10為發(fā)電機單元中各部分的平面圖形示意圖，發(fā)電機組包括多個發(fā)電機單元，其中，每個發(fā)電機單元的第一導電元件14和第二導電元件44均為長條形元件，多個發(fā)電機單元的第一導電元件沿著長度方向平行排列，相鄰的第一導電元件14之間通過至少一個導電互連54連接形成發(fā)電機組的陣列型第一導電部件104 (參見圖10(a));多個發(fā)電機單元的第二導電元件44沿著長度方向平行排列，相鄰的第二導電元件44之間通過至少一個導電互連64連接形成發(fā)電機組的陣列型第二導電部件204 (參見圖10 (d))。導電互連54和64可以為導線、導電薄膜或帶等。
[0126]相應與發(fā)電機組的第一導電部件104和第二導電部件204，優(yōu)選的，多個發(fā)電機單元的第一摩擦元件24為上表面與第一導電元件14的下表面形狀和尺寸相同的長條形元件，采用與第一導電部件104相同的陣列排列方式排列形成第一圖形，相鄰第一摩擦元件之間包括第一介質層71，第一介質層71與多個第一摩擦元件24形成的第一圖形為互補圖形(參見圖10 (b))，即第一介質層也為長條形，并且多個第一介質層按照長度方向平行排列。優(yōu)選的，多個發(fā)電機單元的第二摩擦元件34為下表面與第二導電元件44的上表面形狀和尺寸相同的長條形元件，采用與第二導電部件204相同的陣列排列方式排列形成第二圖形，相鄰第二摩擦元件之間包括第二介質層81，第二介質層81與多個第二摩擦元件34形成的第二圖形為互補圖形(參見圖8(c))，即第二介質層也為長條形，并且按照長度方向平行排列。
[0127]相似的，對于網(wǎng)格狀導電部件，以第一導電部件和/或第二導電部件為棋盤格子形狀為例，參見圖11的發(fā)電機單元中各部分的平面圖形示意圖，每個發(fā)電機單元的第一導電元件15占據(jù)第一導電部件105棋盤格子圖形中的一個格子，任意兩個拼接在一起的第一導電元件通過各自的一個頂角互相拼接(參見圖11 (a));每個發(fā)電機單元的第二導電元件45占據(jù)第二導電部件205棋盤格子圖形中的一個格子，任意兩個拼接在一起的第二導電元件通過各自的一個頂角互相拼接(參見圖11 (d))。
[0128]相應與發(fā)電機組的第一導電部件105和第二導電部件205，優(yōu)選的，多個發(fā)電機單元的第一摩擦元件25采用與第一導電部件105相同或相似的圖形排列，優(yōu)選的，每個發(fā)電機單元的第一摩擦元件25占據(jù)棋盤格子圖形中的一個格子，任意兩個拼接在一起的第一摩擦元件21通過各自的一個頂角互相拼接，未被第一摩擦元件25占據(jù)的棋盤格子被第一介質層72填充，第一介質層72與多個第一摩擦元件25形成互補圖形(參見圖11(b))。多個發(fā)電機單元的第二摩擦元件35采用與第二導電部件205相同或相似的圖形排列，優(yōu)選的，每個發(fā)電機單元的第二摩擦元件35占據(jù)棋盤格子圖形中的一個格子，任意兩個拼接在一起的第二摩擦元件35通過各自的一個頂角互相拼接，未被第二摩擦元件35占據(jù)的棋盤格子被第二介質層82填充，第二介質層82與多個第二摩擦元件35形成互補圖形(參見圖11(c))。優(yōu)選的，發(fā)電機組中發(fā)電機單元的第一導電元件和/或第二導電元件為導電薄膜。導電薄膜的材料可以選自金屬或導電氧化物薄膜，優(yōu)選為采用印刷或噴鍍方法制備在摩擦元件表面的薄膜。
[0129]本領域的技術人員能夠預測到改變多個發(fā)電機組中多個發(fā)電機單元的尺寸、形狀、排列方式等，以及同一個發(fā)電機單元中第一或第二摩擦元件圖案的搭配、各部分表面不平整圖案的設置、第一介質層和/或第二介質層的圖形和材料也是可以根據(jù)實際情況進行選擇的，因此這些圖案設計和變形都在本發(fā)明的保護范圍之內。
[0130]本發(fā)明所有實施例的摩擦納米發(fā)電機的各部分的制備方法可以采用現(xiàn)有的半導體材料制備技術，在這里不做特別說明。
[0131]相應的，本發(fā)明還提供一種滑動摩擦發(fā)電裝置，包括若干個前述實施例所述的發(fā)電機組，所述發(fā)電機組之間形成串聯(lián)和/或并聯(lián)。這樣結構的發(fā)電裝置可以獲得比單個發(fā)電機組更高的輸出功率。
[0132]優(yōu)選的，多個發(fā)動機組為上下堆疊結構，上下相鄰兩個發(fā)動機組之間插入一個隔離層，用于將在上的發(fā)動機組的第二導電部件和在下的發(fā)動機組的第一導電部件隔離。上下相鄰兩個發(fā)動機組的串聯(lián)或并聯(lián)通過導線連接相應的導電部件來實現(xiàn)。所述的隔離層可以為柔性或硬性材料，優(yōu)選為絕緣材料，例如SiO2、絕緣有機物等材料。
[0133]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)明技術方案的內容，依據(jù)本發(fā)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(fā)明技術方案保護的范圍內。
【權利要求】
1.一種滑動摩擦納米發(fā)電機組，其特征在于，包括多個發(fā)電機單元，所述發(fā)電機單元自上向下依次包括: 第一導電兀件； 所述第一導電元件下方接觸放置的第一摩擦元件； 與所述第一摩擦元件的下表面至少部分接觸放置的第二摩擦元件； 所述第二摩擦元件下方接觸放置的第二導電元件； 所有發(fā)電機單元的第一導電元件互相電連接形成第一導電部件；所有發(fā)電機單元的第二導電元件互相電連接形成第二導電部件； 施加的外力使多個所述發(fā)電機單元的第一摩擦元件的下表面和所述第二摩擦元件的上表面發(fā)生相對滑動摩擦、并且導致接觸面積發(fā)生變化時，能夠通過所述第一導電部件和第二導電部件向外電路輸出電信號。
2.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)電機組，其特征在于，所述第一摩擦元件的上表面材料和所述第二摩擦元件的下表面材料之間存在摩擦電極序差異。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的發(fā)電機組，其特征在于，多個所述發(fā)電機單元的第一導電元件的邊緣或頂角互相拼接形成存在鏤空的網(wǎng)格狀第一導電部件；和/或 多個所述發(fā)電機單元的第二導電元件的邊緣或頂角互相拼接形成存在鏤空的網(wǎng)格狀第二導電部件。
4.根據(jù)權利要求3所述的發(fā)電機組，其特征在于，所述網(wǎng)格狀第一導電部件和/或第二導電部件的網(wǎng)格的格子形狀選自等邊三角形、正方形、長方形、等邊五邊形、等邊六邊形、圓形和不規(guī)則多邊形。`
5.根據(jù)權利要求3所述的發(fā)電機組，其特征在于，所述網(wǎng)格狀第一導電部件的網(wǎng)格中的格子為四邊形，其中，任意兩個拼接在一起的所述第一導電元件通過各自的一個頂角互相拼接；和/或 所述網(wǎng)格狀第二導電部件的網(wǎng)格中的格子圖形為四邊形，其中，任意兩個拼接在一起的所述第二導電元件通過各自的一個頂角互相拼接。
6.根據(jù)權利要求3-5任一項所述的發(fā)電機組，其特征在于，所述多個發(fā)電機單元的第一摩擦元件采用與所述第一導電部件相同或相似的圖形排列；和/或 所述多個發(fā)電機單元的第二摩擦元件采用與第二導電部件相同或相似的圖形排列。
7.根據(jù)權利要求1或2所述的發(fā)電機組，其特征在于，多個所述發(fā)電機單元的第一導電元件按照陣列方式排列，相鄰第一導電元件之間通過導電互連相互電連接形成陣列型第一導電部件；和/或 多個所述發(fā)電機單元的第二導電元件按照陣列方式排列，相鄰第二導電元件之間通過導電互連相互電連接形成陣列型第二導電部件。
8.根據(jù)權利要求7所述的發(fā)電機組，其特征在于，所述第一導電元件和/或第二導電元件為長條形導電元件。
9.根據(jù)權利要求8所述的發(fā)電機組，其特征在于，所述所有發(fā)電機單元的第一導電元件沿著長度方向平行排列形成所述陣列型第一導電部件，相鄰所述第一導電元件之間通過至少一個導電互連連接；和/或 所述所有發(fā)電機單元的第二導電元件沿著長度方向平行排列形成所述陣列型第二導電部件，相鄰所述第二導電元件之間通過至少一個導電互連連接。
10.根據(jù)權利要求7-9任一項所述的發(fā)電機組，其特征在于，所述多個發(fā)電機單元的第一摩擦元件采用與所述第一導電部件相同或相似的陣列排列方式排列；和/或 所述多個發(fā)電機單元的第二摩擦元件采用與第二導電部件相同或相似的陣列排列方式排列。
11.根據(jù)權利要求1-10任一項所述的發(fā)電機組，其特征在于，所述所有發(fā)電機單元的第一摩擦元件的下表面在同一平面；和/或 第二摩擦元件的上表面在同一平面。
12.根據(jù)權利要求11所述的發(fā)電機組，其特征在于，所述所有發(fā)電機單元的第一摩擦兀件的上表面在同一平面；和/或 所述所有發(fā)電機單元的第二摩擦元件的下表面在同一平面。
13.根據(jù)權利要求11或12所述的發(fā)電機組，其特征在于，所述所有發(fā)電機單元的第一導電元件的上表面在同一平面；和/或 所述所有發(fā)電機單元的第二導電元件的下表面在同一平面。
14.根據(jù)權利要求1-13任一項所述的發(fā)電機組，其特征在于，相鄰的發(fā)電機單元的第一摩擦元件之間還填充有第一介質層；和/或 相鄰的發(fā)電機單元的第二摩擦元件之間還填充有第二介質層； 其中，所述第一介質層的下表面或第二介質層的上表面的位置不影響所述相鄰的發(fā)電機單元在外力作用下第一摩擦元件與第二摩擦元件的相對滑動。
15.根據(jù)權利要求14所述的發(fā)電機組，其特征在于，所述所有發(fā)電機單元的第一摩擦元件組成的圖形與第一介質層圖形形成互補圖形；和/或 所述所有發(fā)電機單元的第二摩擦元件組成的圖形與第二介質層圖形形成互補圖形。
16.根據(jù)權利要求14或15所述的發(fā)電機組，其特征在于，所述第一介質層和/或第二介質層的材料選自摩擦電極序介于構成發(fā)電機單元的第一摩擦元件和第二摩擦元件材料電極序之間的材料。
17.根據(jù)權利要求1-16任一項所述的發(fā)電機組，其特征在于，所述第一摩擦元件的下表面和/或第二摩擦元件的上表面為絕緣材料或半導體材料。
18.根據(jù)權利要求1-17所述的發(fā)電機組，其特征在于，所述絕緣材料選自聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亞胺、苯胺甲醛樹脂、聚甲醛、乙基纖維素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纖維素、纖維素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯、再生纖維海綿、聚氨酯彈性體、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纖維、聚甲基，甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚異丁烯、聚氨酯柔性海綿、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇縮丁醛、酚醛樹脂、氯丁橡膠、丁二烯丙烯共聚物、天然橡膠、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-Co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸鹽，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、聚雙苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯。
19.根據(jù)權利要求1-18任一項所述的發(fā)電機組，其特征在于，所述的半導體材料選自硅、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(tài)的玻璃半導體和有機半導體。
20.根據(jù)權利要求1-19任一項所述的發(fā)電機組，其特征在于，所述第一摩擦元件和/或第二摩擦元件為非導電氧化物、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或Y2O3。
21.根據(jù)權利要求1-20任一項所述的發(fā)電機組，其特征在于，所述第一摩擦元件或第二摩擦元件采用金屬材料、導電氧化物材料或導電高分子材料，所述金屬包括金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒，以及由上述金屬形成的合金。
22.根據(jù)權利要求1-21任一項所述的發(fā)電機組，其特征在于，所述第一摩擦元件下表面和/或第二摩擦元件的上表面分布有微米或次微米量級的微結構。
23.根據(jù)權利要求22所述的發(fā)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。
24.根據(jù)權利要求1-23任一項所述的發(fā)電機組，其特征在于，所述第一摩擦元件的上表面和/或第二摩擦元件的下表面經(jīng)過化學改性，使得在極性為正的材料表面引入容易失去電子的官能團和/或在極性為負的材料表面引入容易得到電子的官能團。
25.根據(jù)權利要求24所述的發(fā)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；和/或 容易得到電子的官能團包括?；?、羧基、硝基或磺酸基。
26.根據(jù)權利要求1-23任一項所述的發(fā)電機組，其特征在于，所述第一摩擦元件下表面和/或第二摩擦元件的上表面經(jīng)過化學改性，使得在極性為正的材料表面引入正電荷和/或在極性為負的材料表面引入負電荷。
27.根據(jù)權利要求1`-26任一項所述的發(fā)電機組，其特征在于，所述發(fā)電機單元的第一導電元件、第一摩擦元件、第二摩擦元件和/或第二導電元件為薄膜。
28.根據(jù)權利要求1-27任一項所述的發(fā)電機組,其特征在于,所述第一導電部件上表面和/或所述第二導電部件下表面還包括柔性或硬性基板。
29.一種滑動摩擦發(fā)電裝置，其特征在于，包括若干個如權利要求1-27所述的發(fā)電機組，所述發(fā)電機組之間形成串聯(lián)和/或并聯(lián)。
30.根據(jù)權利要求29所述的滑動摩擦發(fā)電裝置，其特征在于，多個發(fā)動機組為上下堆疊結構，上下相鄰兩個發(fā)動機組之間插入一個隔離層，用于將在上的發(fā)動機組的第二導電部件和在下的發(fā)動機組的第一導電部件隔離。
【文檔編號】H02N1/04GK103780123SQ201310042281
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年2月1日 優(yōu)先權日:2013年2月1日
【發(fā)明者】王中林, 朱光 申請人:國家納米科學中心