一種脈沖摩擦發(fā)電機和摩擦發(fā)電方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種脈沖摩擦發(fā)電機和發(fā)電方法，發(fā)電機包括上表面接觸設置第一電極層的第一摩擦層、下表面接觸設置第二電極層的第二摩擦層以及接觸式開關，第一摩擦層的下表面與第二摩擦層的上表面接觸后分離開設定距離后，通過接觸式開關閉合使第一電極層與第二電極層導通，在第一電極層與第二電極層之間輸出脈沖電信號后接觸式開關斷開；然后，第一摩擦層的下表面與第二摩擦層的上表面再次接觸時或接觸后，通過接觸式開關閉合使第一電極層與第二電極層再次導通，在第一電極層與第二電極層之間輸出脈沖電信號后接觸式開關再次斷開，如此反復第一摩擦層的下表面與第二摩擦層的上表面離開和接觸，將施加在發(fā)電機上的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖電信號輸出。
【專利說明】一種脈沖摩擦發(fā)電機和摩擦發(fā)電方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種發(fā)電機，特別是涉及將機械能轉(zhuǎn)化為瞬時高功率脈沖的摩擦發(fā)電機以及發(fā)電方法。
【背景技術】
[0002]機械能是廣泛存在的能量形式，包括海浪、風能、各種運動物體的動能，以及人體活動如步行、跑動、跳動等形式。這些機械能雖然廣泛存在，但是常常被忽視，沒有有效的收集手段加以利用，通常被浪費。
[0003]目前，機械能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電機所利用的原理主要有靜電感應，電磁感應和特殊材料的壓電性能等。然而，已經(jīng)發(fā)明的靜電感應發(fā)電機，存在體積大、適用性窄等缺點，電磁感應發(fā)電機和壓電發(fā)電機則普遍存在結(jié)構(gòu)復雜，對材料有特殊要求和成本較高等缺陷。摩擦發(fā)電機是最近發(fā)明的一種新型的將機械能轉(zhuǎn)化為電能的方式。但是，摩擦發(fā)電機存在輸出電流和輸出功率小的缺點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明涉及一種利用摩擦發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)化為瞬時大功率的電學脈沖的新方法，能夠為電子器件提供大功率脈沖電源。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本方法提供一種脈沖摩擦發(fā)電機，包括:
[0006]第一基板；所述第一基板下表面設置的第一電極層；所述第一電極層下表面接觸設置的第一摩擦層；
[0007]第二基板；所述第二基板上表面設置的第二電極層；所述第二電極層上表面接觸設置的第二摩擦層；
[0008]接觸式開關，所述接觸式開關包括觸頭和固定設置的兩個接觸端，其中，所述觸頭與所述第一電極層連通，并且能夠跟隨所述第一基板運動；所述兩個接觸端都與所述第二電極層連通；當所述觸頭與所述兩個接觸端中任何一個接觸時，所述接觸式開關閉合；
[0009]第一連接件，所述第一連接件使所述第一摩擦層與所述第二摩擦層面對面設置，并且在外力作用下能夠使所述第一基板與第二基板之間的距離改變過程中，所述第一摩擦層下表面與所述第二摩擦層上表面能夠接觸和分離；
[0010]其中，所述觸頭與第一接觸端接觸時，所述第一摩擦層與第二摩擦層處于分離狀態(tài)；所述觸頭與第二接觸端接觸時，所述第一摩擦層的下表面與第二摩擦層上表面接觸；所述接觸式開關閉合時，所述第一電極層與所述觸頭之間和/或第二電極層與所述接觸端之間有脈沖電信號輸出。
[0011]優(yōu)選的，在所述接觸式開關的觸頭的可移動距離不小于所述兩個接觸端之間的設
定距離。
[0012]優(yōu)選的，所述接觸式開關的觸頭的可移動距離等于所述兩個接觸端之間的設定距離。[0013]優(yōu)選的，所述第一連接件為彈性連接件，所述第一連接件連接在所述第一基板與第二基板之間，或者所述第一連接件固定在所述第一摩擦層與第二摩擦層之間。
[0014]優(yōu)選的，所述接觸式開關的兩個接觸端通過開關支架固定在所述第二基板上。
[0015]優(yōu)選的，所述發(fā)電機還包括彈性的第二連接件和第三基板，其中，所述第一連接件為彈性連接件，
[0016]所述第一基板與第三基板分別位于所述第二基板的上方和下方；
[0017]所述第二連接件連接在所述第二基板與所述第三基板之間，使所述第二基板的下表面與所述第三基板的上表面相對設置；
[0018]所述第一連接件連接在所述第一基板與所述第三基板或第二基板之間，使所述第一摩擦層與所述第二摩擦層相對設置。
[0019]優(yōu)選的，所述接觸式開關的兩個接觸端通過開關支架固定在所述第三基板的上表面。
[0020]優(yōu)選的，所述接觸式開關的觸頭的可移動距離大于所述兩個接觸端之間的設定距離，并且在所述第一摩擦層的下表面與第二摩擦層的上表面接觸后所述觸頭才能與第二接觸端接觸。
[0021]優(yōu)選的，所述接觸式開關的觸頭的可移動距離等于兩個接觸端之間的設定距離，并且，當?shù)谝换逑卤砻媾c第二基板上表面之間的距離最大時，所述觸頭與第一接觸端接觸；第二基板下表面與第三基板上表面的距離最小時，所述觸頭與第二接觸端接觸。
[0022]優(yōu)選的，所述第一摩擦層和所述第二摩擦層的材料之間存在摩擦電極序差異。
[0023]優(yōu)選的，所述第一摩擦層和所述第二摩擦層為絕緣材料，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。
[0024]優(yōu)選的，所述第一摩擦層或第二摩擦層的絕緣材料可由金屬或半導體材料替換；所述金屬材料選自金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒，以及由上述金屬形成的合金；所述半導體材料選自 SnO2, ZnO, TiO2, In2O3, ZnS, ZnSe, ZnTe, GaN, Se, CdS, CdSe, CdTe, Si, Ge, PbS,InGaAs, PbSe, InSb, PbTe, HgCdTe, PbSn, HgS, HgSe 和 HgTe0
[0025]優(yōu)選的，所述第一摩擦層的下表面和/或第二摩擦層的上表面的全部或部分具有納米或微米尺度的微結(jié)構(gòu)或者納米材料的點綴或涂層。所述微結(jié)構(gòu)選自納米線、納米棒、納米管、納米錐、納米顆粒、納米溝槽、微米線、微米棒、微米管、微米錐、微米顆粒和微米溝槽。
[0026]優(yōu)選的，所述第一摩擦層的下表面和/或第二摩擦層的上表面經(jīng)過化學改性，其中，
[0027]在摩擦電極序相對為正的材料表面弓I入更易失電子的官能團，或者在摩擦電極序相對為負的材料表面引入更易得電子的官能團；
[0028]或者，在極性為正的材料表面引入正電荷，在極性為負的材料表面引入負電荷。
[0029]優(yōu)選的，所述第一摩擦層和/或第二摩擦層的厚度為100nm-5mm。
[0030]優(yōu)選的，所述第一摩擦層下表面與所述第二摩擦層上表面形狀相同或互補。
[0031 ] 優(yōu)選的,所述第一電極層和所述第二電極層的導電材料選自金屬、合金、導電氧化物或有機物導體；其中，所述金屬選自金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒；所述合金選自金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒形成的合金、不銹鋼。
[0032]優(yōu)選的，所示第一基板采用導電材料代替所述第一電極層；
[0033]和/或，所述第二基板采用導電材料代替所述第二電極層。
[0034]優(yōu)選的，所述觸頭、或所述兩個接觸端的材料選自金屬或合金；所述金屬選自金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒；所述合金選自金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒形成的合金、不銹鋼。
[0035]優(yōu)選的，所述觸頭為觸片，所述兩個接觸端均為觸片或觸點；
[0036]或者，所述觸頭為撞針，所述兩個接觸端均為觸片。
[0037]優(yōu)選的，所述觸片具有彈性。
[0038]優(yōu)選的，所述第一基板、第二基板、第三基板或開關支架為絕緣材料。
[0039]優(yōu)選的，所述第一摩擦層、第一電極層、第二摩擦層、第二電極層、第一基板或第二基板為柔性材料或彈性材料。
[0040]優(yōu)選的，所述兩個接觸端之間的設定距離為5mm到20mm。
[0041]相應的，本發(fā)明還提供一種摩擦發(fā)電方法，包括步驟:
[0042]提供上表面接觸設置第一電極層的第一摩擦層，提供下表面接觸設置第二電極層的第二摩擦層；
[0043]所述第一摩擦層的下表面與所述第二摩擦層的上表面接觸；
[0044]第一摩擦層的下表面與第二摩擦層的上表面離開設定距離后，第一電極層與第二電極層導通；在第一電極層與第二電極層之間向外輸出第一脈沖電信號后第一電極層與第二電極層斷開；
[0045]第一摩擦層的下表面與第二摩擦層的上表面的距離縮小直至再次接觸后，第一電極層與第二電極層再次導通，在第一電極層與第二電極層之間向外輸出第二脈沖電信號后第一電極層與第二電極層再次斷開；
[0046]重復上述第一摩擦層的下表面與第二摩擦層的上表面離開和接觸的步驟。
[0047]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的摩擦摩擦發(fā)電機具有下列有益效果:
[0048]1、在使用相同的第一摩擦層和第二摩擦層材料的情況下，由于接觸式開關的接入，可以極大地提高輸出電流和輸出功率，擴展了摩擦發(fā)電機在大電流、大功率方面的應用。
[0049]2、本發(fā)明的發(fā)電機在更寬的輸出負載范圍內(nèi)，輸出電壓保持恒定，瞬時輸出電流和瞬時輸出功率與負載電阻成反比。輸出特性與負載電阻之間的明確關系，為調(diào)控發(fā)電機的輸出特性提供了簡單、有效的途徑。
[0050]3、本發(fā)明的發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單，制備方法簡單，對材料無特殊要求，可以將海浪、風能、機械設備以及人體運動等產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，具有廣泛的實際用途?？梢杂玫谝浑姌O層直接作為第一摩擦層材料，進一步簡化發(fā)電機的結(jié)構(gòu)。采用導電的第一基板或第二基板，可以代替第一電極層和第二電極層，能夠簡化發(fā)電機的結(jié)構(gòu)。
[0051]4、可以在摩擦層表面進行微、納米結(jié)構(gòu)修飾或者進行表面化學改性，提高發(fā)電機的電學輸出特性。另外，與全橋整流器結(jié)合可以將輸出的交流電信號轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗蛎}沖信號，不僅可以作為脈沖電源直接應用于電化學等領域，還可以為電容器或者鋰離子電池充電，也可以為各種小型便攜式電子器件提供所需電源。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0052]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。
[0053]圖1-圖3為本發(fā)明發(fā)電機一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0054]圖4和圖5為本發(fā)明發(fā)電機包括第二連接件實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0055]圖6為第一連接件連接在第一基板上表面時發(fā)電機的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0056]圖7為本發(fā)明發(fā)電機的發(fā)電原理示意圖；
[0057]圖8為一個摩擦層采用導電材料的發(fā)電機結(jié)構(gòu)示意圖；
[0058]圖9為第一基板和第二基板采用導電材料的發(fā)電機結(jié)構(gòu)示意圖；
[0059]圖10和圖11為本發(fā)明發(fā)電機中不同結(jié)構(gòu)接觸式開關的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0060]圖12為第一摩擦層的SiO2納米顆粒層的掃描電鏡圖片；
[0061]圖13為發(fā)電機的開路電壓測量結(jié)果；
[0062]圖14為發(fā)電機在IMQ負載電阻下的輸出電流曲線；
[0063]圖15為發(fā)電機的瞬時最大輸出電壓隨負載的變化曲線；
[0064]圖16為發(fā)電機的瞬時最大輸出電流隨負載的變化曲線；
[0065]圖17為發(fā)電機的瞬時最大輸出功率隨負載的變化曲線；
[0066]圖18為發(fā)電機的電流衰減時間常數(shù)隨負載的變化曲線。
【具體實施方式】
[0067]下面將結(jié)合本發(fā)明實施示例中的附圖，對本發(fā)明實施示例中的技術方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施示例僅是本發(fā)明一部分實施示例，而不是全部的實施示例?；诒景l(fā)明中的實施示例，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示例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0068]其次，本發(fā)明結(jié)合示意圖進行詳細描述，在詳述本發(fā)明實施示例時，為便于說明，所述示意圖只是示例，不應限制本發(fā)明保護的范圍。
[0069]本發(fā)明基于發(fā)電機自身的運動使接觸式開關產(chǎn)生“斷開”和“閉合”兩個不同的狀態(tài)，對電流的產(chǎn)生起到控制所用；使得接觸式開關閉合時，在兩個電極層之間產(chǎn)生一個瞬時的大電流、大功率的電學脈沖。
[0070]下面結(jié)合附圖詳細介紹本發(fā)明脈沖摩擦發(fā)電機的具體結(jié)構(gòu)。
[0071]圖1是脈沖摩擦發(fā)電機的在靜止時的典型結(jié)構(gòu)，包括:第一基板101，第一基板101下表面設置的第一電極層102，與第一電極層102下表面接觸設置的第一摩擦層103 ;第二基板201，第二發(fā)電層支架201上表面設置的第二電極層202，與第二電極層202上表面接觸設置的第二摩擦層203 ;觸頭301與固定設置的兩個接觸端302和303構(gòu)成的接觸式開關，其中，觸頭301與第一電極層102連通，并且能夠跟隨第一基板101運動，兩個接觸端302和303都與第二電極層202連通；當觸頭301與接觸端302或接觸端303其中任何一個接觸端發(fā)生接觸時，接觸式開關閉合；第一連接件401，使第一摩擦層103與第二摩擦層203面對面設置，并且在外力作用下能夠使第一基板101與第二基板201之間的距離改變過程中，第一摩擦層103下表面與第二摩擦層203上表面能夠接觸和分離。其中，觸頭301與第一接觸端302接觸時，第一摩擦層103與第二摩擦層203處于分離狀態(tài)；觸頭301與第二接觸端303接觸時，第一摩擦層103的下表面與第二摩擦層203的上表面接觸。當接觸式開關閉合時，第一電極層102與觸頭301之間和/或第二電極層202與接觸端302 (或303)之間有脈沖電信號輸出。
[0072]本發(fā)明中，接觸式開關的兩個接觸端302和303的固定有多種方式，在這里不做特別限定，只需要滿足兩個接觸端的距離能夠使觸頭301與接觸端302和303分別接觸即可，例如，可以采用圖1中將兩個接觸端固定在開關支架304的方式進行固定，開關支架可以與第二基板201固定在一起。在其他實施例中開關支架也可以不與第二基板201固定在一起，參見圖5。優(yōu)選的，觸頭301與第一基板101固定在一起，可以使觸頭301與第一基板同步運動。接觸式開關的觸頭301可以通過導線與第一電極層102連通，兩個接觸端302和303可以通過導線與第二電極層202連通。接觸式開關的結(jié)構(gòu)有多種選擇，觸頭可以為觸片或者撞針，接觸端可以為觸片或者觸點。觸頭301或兩個接觸端302和303的材料可以選自金屬或合金；所述金屬選自金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒；所述合金選自金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒形成的合金、不銹鋼。
[0073]第一連接件401的作用為使第一摩擦層103的下表面與第二摩擦層203的上表面面對面設置，并且在靜止狀態(tài)下使第一摩擦層103下表面與第二摩擦層203上表面保持一定距離；在受到外力作用時可以使第一摩擦層103的下表面與第二摩擦層203的上表面互相接觸和分離。因此第一連接件401可以連接在第一基板101與第二基板201之間，也可以連接在第一摩擦層與第二摩擦層之間，具體的，第一連接件可以連接在第一基板的下表面與第二基板的上表面，或者連接在第一摩擦層的下表面與第二摩擦層的上表面。第一連接件與發(fā)電機其他部件的連接位置可以根據(jù)發(fā)電機的具體使用情況有多種選擇，第一連接件與其他部件的連接方式可以為粘貼或者夾持等多種方式，因此，其具體連接位置和連接方式不應成為限制本發(fā)明保護范圍的因素。
[0074]第一連接件401可以采用彈性材料或者彈性結(jié)構(gòu)，當外力作用在第一基板或第二基板上時，第一連接件被壓縮，使第一摩擦層103的下表面與第二摩擦層203的上表面接觸，撤去所述外力時，由于第一連接件的彈性回復作用使第一摩擦層103的下表面與第二摩擦層203的上表面分離。在第一基板101未受到外力作用的自然狀態(tài)時，第一彈性連接件401不發(fā)生形變，觸頭301的位置至少不低于第一接觸端302，如圖1所示，在自然狀態(tài)時觸頭301與第一接觸端302接觸；或者自然狀態(tài)時觸頭301的位置較高(高于第一接觸端302的位置)，在外力或者是彈性的第一連接件401作用下，第一基板101向著第二基板201運動，使觸頭301與第一接觸端302接觸(形成圖1所示的狀態(tài))，此時接觸式開關閉合，第一電極層102與第二電極層202聯(lián)通。當?shù)谝换?01受到向下的作用力時，彈性的第一連接件401受到壓縮，使第一基板101連同第一電極層102和第一摩擦層103向下運動，如圖2所示，此時，觸頭301和第一接觸端302分開，不與兩個接觸端(第一接觸端302和第二接觸端303)中的任何一個接觸端發(fā)生接觸，使第一電極層102和第二電極層202斷開，此時發(fā)電機處于斷路狀態(tài)。當?shù)谝换?01連同第一電極層102和第一摩擦層103繼續(xù)向下運動，第一摩擦層103的下表面和第二摩擦層203的上表面發(fā)生接觸時，如圖3所示，此時接觸式開關閉合，第一電極層102與第二電極層202聯(lián)通。當作用在第一基板101上的力撤回時，彈性的第一連接件401的壓縮量逐漸減小，使發(fā)電機依次經(jīng)過圖2和圖1所示的狀態(tài)，并最終回到未受到外力作用的自然狀態(tài)。鑒于第一連接件401在發(fā)電機中的作用，所述觸頭301的可移動距離不小于所述兩個接觸端302和303之間的設定距離。優(yōu)選的，所述觸頭301的可移動距離等于所述兩個接觸端302和303之間的設定距離，也就是，當?shù)谝换逑卤砻媾c第二基板上表面之間的距離最大時，觸頭301與第一接觸端302接觸，第一基板下表面與第二基板上表面之間的距離最小時，觸頭301與第二接觸端303接觸。兩個接觸端302和303之間的設定距離可以為5mm到20mm。相應的，第一摩擦層103的下表面與第二摩擦層上表面之間的距離可以為5mm到30mm。
[0075]可以在發(fā)電機的第一電極層102與接觸式開關之間(或者在第二電極層202與接觸式開關之間)作為發(fā)電機的輸出端連接需要供電的負載(在本申請的所有附圖中均未畫出所述負載)，在發(fā)電機的往復運動過程中，發(fā)電機的電學輸出受到接觸開關的控制。當接觸式開關斷開時，發(fā)電機處于斷路狀態(tài)，負載上沒有電流產(chǎn)生；當接觸式開關閉合的瞬間，發(fā)電機處于閉路狀態(tài)，并產(chǎn)生瞬時的大功率輸出。
[0076]本發(fā)明的脈沖摩擦發(fā)電機利用了具有不同摩擦電極序的摩擦層材料接觸時發(fā)生表面電荷轉(zhuǎn)移的原理。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，兩種材料在相互接觸的瞬間，在接觸面上正電荷從摩擦電極序中極性較負的材料表面轉(zhuǎn)移至摩擦電極序中極性較正的材料表面。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(zhuǎn)移的機制，一般認為，這種電荷轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移而實現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)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(jié)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(jié)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。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)如果兩種材料在摩擦電極序中處于較接近的位置，接觸后電荷分布的正負性可能并不符合該序列的預測。需要進一步說明是，電荷的轉(zhuǎn)移并不需要兩種材料之間的相對摩擦，只要存在相互接觸即可，因此，從嚴格意義上講，摩擦電極序的表述是不準確的，但由于歷史原因而一直沿用至今。
[0077]本發(fā)明中所述的“摩擦電荷”或“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。研究發(fā)現(xiàn)，該電荷能夠保持較長的時間，根據(jù)環(huán)境中濕度等因素，其保持時間在數(shù)小時甚至長達數(shù)天，而且其消失的電荷量可以通過再次接觸得以補充，因此，本發(fā)明人認為，在本發(fā)明中接觸電荷的電量可以近似認為保持恒定。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。
[0078]本發(fā)明的發(fā)電機中，第一摩擦層103和第二摩擦層203需要滿足:第一摩擦層103的材料與第二摩擦層203的材料存在摩擦電極序差異。
[0079]圖1所示的發(fā)電機，在第一摩擦層103的下表面與第二摩擦層203的上表面接觸的同時，觸頭301與第二接觸端303接觸，并且第一摩擦層103與第二摩擦層203分開的同時觸頭301與第二接觸端303也分開，即第一摩擦層與第二摩擦層的接觸與分開，與觸頭301與第二接觸端303的接觸和分開同時發(fā)生。在其他實施例中，還可以在第二基板201的下表面增加一個第二連接件，參見圖4，在圖1所示的發(fā)電機基礎上還包括第三基板402和彈性的第二連接件403，第一基板101與第三基板402分別位于第二基板201的上方和下方，第二連接件403連接在第二基板201的下表面與第三基板402的上表面之間，使第二基板201的下表面與第三基板402的上表面相對設置；第二連接件403的作用是使第二基板201下表面與第三基板402上表面在靜止時保持一定距離，在受到外力作用時第二基板201的下表面與第三基板402的上表面距離縮小甚至接觸。第一連接件401可以連接在第一基板101與第三基板402之間，并且使第一摩擦層103與第二摩擦層203相對設置，如圖4所示，也可以連接在第一基板101的下表面與第二基板201的上表面之間，如圖1-圖3中所示。開關支架304可以連接在第三基板402的上表面，也可以不與開關支架連接在一起。彈性的第二連接件403的作用在于，可以在第一摩擦層103與第二摩擦層203接觸后(見圖5)，第一基板101繼續(xù)向下運動使第二連接件被壓縮，才能使觸頭301與第二接觸端303接觸；同樣，撤去外力時，在第二連接件彈性回復作用下，觸頭301與第二接觸端303分開后，第一摩擦層103與第二摩擦層203才分開，即第一摩擦層與第二摩擦層的接觸與分開，不與觸頭301與第二接觸端303的接觸和分開同時發(fā)生。鑒于第一連接件401與第二連接件403在發(fā)電機中的作用，接觸式開關的觸頭301的可移動距離不小于兩個接觸端302和303之間的設定距離，并且在第一摩擦層的下表面與第二摩擦層的上表面接觸后觸頭301才能與第二接觸端303接觸。優(yōu)選的，所述觸頭301的可移動距離等于兩個接觸端302和303之間的設定距離，當?shù)谝换逑卤砻媾c第二基板上表面之間的距離最大時，觸頭301與第一接觸端302接觸，第二基板下表面與第三基板上表面的距離最小時，觸頭301與第二接觸端303接觸。同樣的，兩個接觸端302和303之間的設定距離可以為5mm到20mm。相應的，第一摩擦層103的下表面與第二摩擦層上表面之間的距離可以為5mm到30mm。
[0080]在其他實施例中，第一連接件401件的一端可以連接在第一基板101的上表面上，另一端與其他裝置連接，通過其他裝置的運動來控制第一基板的運動，參見圖6所示，通過控制第一連接件401來調(diào)節(jié)第一摩擦層103與第二摩擦層203的距離。
[0081]下面以圖5所示的發(fā)電機結(jié)構(gòu)為例，其中在未受外力的自然狀態(tài)時接觸式開關的觸頭301正好與第一接觸端302接觸，介紹本發(fā)明的發(fā)電機的工作原理。圖6是接觸開關式脈沖摩擦機的發(fā)電工作原理示意圖。最初，當發(fā)電機受到向下的作用力時，第一基板101向下運動，觸頭301和第一接觸端302、第二接觸端303斷開，如圖7a所示。此時，由于第一摩擦層103與第二摩擦層203之間還沒有發(fā)生接觸，在兩個摩擦層的表面還沒有產(chǎn)生接觸電荷。當?shù)谝荒Σ翆?03與第二摩擦層203接觸時，在兩個摩擦層的表面產(chǎn)生接觸電荷。在本發(fā)明的所有示例中，設定第一摩擦層103的材料處于摩擦序列表的更正的位置，第二摩擦層203的材料處于摩擦序列表的更負的位置。因此，當?shù)谝荒Σ翆?03下表面與第二摩擦層203上表面接觸時，第一摩擦層103的下表面產(chǎn)生正的接觸電荷，第二摩擦層203的上表面產(chǎn)生負的接觸電荷。此時，由于正、負接觸電荷在垂直方向上沒有分離，因此在遠離摩擦層接觸面的位置，正負電荷所產(chǎn)生的電場相互抵消，第一電極層102和第二電極層202之間沒有產(chǎn)生電勢差。因此，當觸頭301和第二接觸端303接觸時，在第一電極層102和第二電極層202之間沒有電流流過，如圖7b所示。當外力撤回時，第一摩擦層103和第二摩擦層203發(fā)生分離，在第一電極層102和第二電極層202之間產(chǎn)生電勢差。在本發(fā)明的所有不例中，我們將第二電極層202的電位設為零,將第一電極層102的電位設為輸出電位。因此，在正、負接觸電荷的作用下，在第一電極層102上產(chǎn)生正的電勢。但是，此時觸頭301不與第一接觸端302和第二接觸端303發(fā)生接觸，發(fā)電機處于斷開狀態(tài)，因此，不能在第一電極層102和第二電極層202之間產(chǎn)生電流，如圖7c所示。隨著正、負接觸電荷分開距離的增大，第一電極層102的電勢隨之增大。當彈性的第一連接件401恢復到未壓縮狀態(tài)時，觸頭301和第一接觸端302發(fā)生接觸，因此發(fā)電機從斷路狀態(tài)瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)殚]合狀態(tài)，如圖7d所示。由于在第一電極層102上存在正的電勢，因此，電子從第二電極層202流向第一電極層102 (圖中箭頭方向)，在第一電極層102上產(chǎn)生負的誘導電荷，在第二電極層202上產(chǎn)生正的誘導電荷，在此過程中，發(fā)電機輸出正的電流脈沖。當發(fā)電機再次受到向下的作用力時，第一基板101向下運動，當?shù)谝荒Σ翆?03的下表面和第二摩擦層203的上表面接觸時，正、負接觸電荷產(chǎn)生的電勢相互抵消，在正、負誘導電荷的作用下，在第一電極層102上產(chǎn)生負電勢。但是，此時觸頭301還沒有與第二接觸端303接觸，電路仍處于斷開狀態(tài)，因此，誘導電荷不能在第一電極層102和第二電極層202之間流動，仍然停留在電極層上，如圖7e所示。隨著第二連接件被壓縮同時第二基板201繼續(xù)向下運動，最終使第二基板201的下表面與第三基板402的上表面發(fā)生接觸，并使觸頭301和第二接觸端303發(fā)生接觸，使第一電極層102和第二電極層202連通，使發(fā)電機由開路狀態(tài)瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)殚]路狀態(tài)。此時，在第一電極層102的負電勢的驅(qū)動下，第一電極層102的負的誘導電荷流向第二電極層202(圖中箭頭方向)，并與第二電極層202上的正的誘導電荷相互抵消，最終使第一電極層的電勢變?yōu)榱?。在此過程中產(chǎn)生瞬時的負電流，如圖7f所示。到此，發(fā)電機完成了一個發(fā)電周期。隨著周期性外力的作用，發(fā)電機沿著圖7c-7f所示的循環(huán)過程產(chǎn)生瞬時的脈沖電流輸出。
[0082]絕緣體材料，例如常規(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)明第一摩擦層103、第二摩擦層203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供參考，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。[0083]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。因此，半導體和金屬也可以作為制備第一摩擦層103或第二摩擦層203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，因此以下列出的半導體材料均可作為本發(fā)明中的第一摩擦層或者第二摩擦層的材料:SnO2，ZnO, TiO2, In2O3, ZnS, ZnSe, ZnTe, GaN, Se, CdS, CdSe, CdTe, Si, Ge, PbS, InGaAs, PbSe, InSb,PbTe, HgCdTe, PbSn, HgS, HgSe, HgTe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IT0。
[0084]通過實驗發(fā)現(xiàn)，當?shù)谝荒Σ翆?03與第二摩擦層203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層103、第二摩擦層203，以獲得更好的輸出效果。
[0085]本發(fā)明的第一摩擦層103、第二摩擦層203的厚度無特別要求，本發(fā)明優(yōu)選摩擦層為薄膜，厚度為10nm-5mm,優(yōu)選IOnm-1mm,更優(yōu)選100nm-500 y m。
[0086]本發(fā)明的發(fā)電機中，還可以對第一摩擦層103的下表面和/或第二摩擦層203的上表面進行物理改性，使其全部或部分表面具有微米或亞微米量級的微結(jié)構(gòu)或者納米材料的點綴或涂層，以增強第一摩擦層103與第二摩擦層203之間的接觸面積。所述微結(jié)構(gòu)可以選自納米線、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(jié)構(gòu)。優(yōu)選為在第一摩擦層103的下表面、第二摩擦層203的上表面包括上述微、納米結(jié)構(gòu)形成的陣列。
[0087]另外，還可以在第一摩擦層103的下表面和/或第二摩擦層203的上表面進行化學改性，能夠進一步提高電荷在接觸瞬間的轉(zhuǎn)移量，從而提高接觸電荷密度和發(fā)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摩擦的第一摩擦層和第二摩擦層，在摩擦電極序相對為正的材料表面引入更易失電子的官能團(即強給電子團)，或者在摩擦電極序相對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接觸時的轉(zhuǎn)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:?；?、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(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，從而在摩擦層材料表面引入氨基。
[0089]另外一種方法是對于相互摩擦的第一摩擦摩擦層和第二摩擦層，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引入負電荷。具體可以通過化學鍵合的方式實現(xiàn)。例如，可以在聚二甲基硅氧烷PDMS摩擦層表面利用溶膠-凝膠的方法修飾上正硅酸乙酯(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(jié)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(jù)摩擦層或電極層材料的得失電子性質(zhì)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(nèi)。
[0090]優(yōu)選的，第一摩擦層103和第二摩擦層203選擇彈性材料或柔性材料，可以增加受到外力作用時的接觸面積。同樣，第一電極層102、第二電極層202、第一基板103或第二基板203也可以為彈性材料或者柔性材料，使本發(fā)明的發(fā)電機成為一個柔性器件。對于第一連接件連接在第一摩擦層與第二摩擦層之間的情況，特別是第一連接件連接在第一摩擦層下表面與第二摩擦層上表面之間的情況，優(yōu)選第一摩擦層、第一電極層、第二摩擦層和第二電極層為彈性或柔性材料。
[0091]盡管附圖中所示的發(fā)電機結(jié)構(gòu)中，第一摩擦層的下表面與第二摩擦層的上表面均為平面，實際中第一摩擦層的下表面與第二摩擦層的上表面可以為曲面或者不平整的凹凸結(jié)構(gòu)表面，優(yōu)選的，第一摩擦層的下表面與第二摩擦層的上表面形狀相同或互補，使得在有外力施加時，第一摩擦層下表面與所述第二摩擦層上表面完全接觸。
[0092]第一電極層102和第二電極層202是兩個導電元件，只要具備能夠?qū)щ姷奶匦约纯桑梢赃x擇常用的電極材料，例如金屬、合金、導電氧化物或有機物導體等，其中，金屬選自金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒等，更優(yōu)選為金屬薄膜，例如鋁膜、金膜、銅膜等；合金選自金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒形成的合金、不銹鋼等。常用的導電氧化物包括銦錫氧化物IT0、離子摻雜型的半導體和導電有機物。電極層最好與相應的摩擦層的表面緊密接觸，以保證電荷的傳輸效率，較好的方式是將導電材料通過沉積的方式在相應摩擦層的表面成薄膜，厚度可以為IOnm-1mm,優(yōu)選為100nm_500 y m ;具體的沉積方法可以為電子束蒸發(fā)、等離子體濺射、磁控濺射或蒸鍍。實際中，本領域的技術人員可以根據(jù)各摩擦層材料的選擇，確定相應電極層材料以及制備方法的選擇，以確保電極層與相應的摩擦層(例如第一電極層102和第一摩擦層103)的良好電接觸。具體電極層材料的選擇不作為限定本發(fā)明保護范圍的條件。
[0093]本發(fā)明中，第一基板與第二基板為第一電極層與第二電極層提供支撐的部件，因此，第一基板和第二基板的材料選擇無特殊要求，可以為導體、絕緣體或半導體，例如鋁板或硅片。第一基板和第二基板可以為柔性基板也可以為硬性基板，例如橡膠或玻璃板。第一電極層與第一基板之間，以及第二電極層與第二基板之間的固定可以采用常規(guī)的粘貼等固定方式。
[0094]對于只起支撐和固定作用的第一基板101、第二基板201和第三基板402、以及開關支架其材料選擇無特別要求，優(yōu)選為絕緣材料，可以選自玻璃，有機玻璃，聚乙烯板材或聚氯乙烯等絕緣材料。
[0095]本發(fā)明的發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單，制備方法簡單，對材料無特殊要求，在實際使用中，只需進行簡單的固定和封裝，即可應用在收集海浪、風能、機械和人體的運動等產(chǎn)生的機械能，具有廣泛的實際用途。
[0096]第一摩擦層或第二摩擦層可以采用導電材料制備，這樣可以同時起到電極層和摩擦層的作用，第一摩擦層或第二摩擦層替換第一電極層或第二電極層。圖8是本實施例發(fā)電機的第一摩擦層米用導電材料的結(jié)構(gòu)不意圖，包括:第一基板111，在第一基板111下表面設置的由導電材料組成的第一摩擦層112 ;第二基板201，在第二基板201上表面設置的第二電極層202，與第二電極層202上表面接觸設置的第二摩擦層203 ;第三基板402，與第三基板402上表面相連的開關支架304 ;連接第一基板111和第三基板402的彈性的第一連接件401，連接第二基板201和第三基板402的彈性的第二連接件403 ;與第一基板111右側(cè)固定相連的觸頭301采用觸片，與開關支架304左側(cè)相連的第一接觸端302和第二接觸端303均采用觸片；第一摩擦層112與觸頭301之間通過導線連接，第二電極層202、第一接觸端302和第二接觸端303之間通過導線連接。當觸頭301與第一接觸端302或第二接觸端303其中任何一個觸片發(fā)生接觸時，第一摩擦層112與第二電極層202聯(lián)通；當觸頭301不與第一接觸端302和第二接觸端303中的任何一個觸片發(fā)生接觸時，第一摩擦層112和第二電極層202斷開。在靜止狀態(tài)下(無外力作用時)彈性的第一連接件401使第一摩擦層112下表面與第二摩擦層203上表面保持一定距離；彈性的第二連接件403使第二基板201下表面與第三基板402上表面在靜止時保持一定距離。在第一基板111未受到外力作用時，第一連接件401不發(fā)生形變，此時觸頭301與第一接觸端302發(fā)生接觸，使第一摩擦層112和第二電極層202處于連通狀態(tài)。當?shù)诙B接件403完全壓縮時，此時觸頭301與第二接觸端303發(fā)生接觸，使第一摩擦層112和第二電極層202處于連通狀態(tài)。以上描述的是第一摩擦層采用導電材料、第二摩擦層采用非導電材料的發(fā)電機結(jié)構(gòu)，對于第一摩擦層采用非導電材料、第二摩擦層采用導電材料的發(fā)電機結(jié)構(gòu)相似，這里不再復述。
[0097]本實施示例中，除了第一摩擦層或第二摩擦層需要使用導電材料外，發(fā)電機各部分的材料選擇與實施示例一中的相同，在這里不再復述。同時，導電的第一摩擦層或第二摩擦層同時起到了第一電極層或第二電極層的作用。在發(fā)電機的往復運動中，接觸式開關的接觸方式、發(fā)電機的發(fā)電原理與前述內(nèi)容相同，這里不再復述。
[0098]另外，本發(fā)明的發(fā)電機還可以采用導電材料制作第一基板和/或第二基板，基板可以同時起到電極層的作用，采用導電材料的第一基板代替第一電極層，和/或采用導電材料的第二基板代替第二電極層，進而簡化發(fā)電機的結(jié)構(gòu)。圖9是本實施例發(fā)電機的結(jié)構(gòu)示意圖。在本實施例中，發(fā)電機的結(jié)構(gòu)包括:由導電材料制作的第一基板121，與第一基板121下表面接觸設置的第一摩擦層122 ;由導電材料制作的第二基板221，與第二基板221上表面接觸設置的第二摩擦層222 ;第三基板402，與第三基板402上表面相連的開關支架304 ;連接第一基板121和第三基板402的彈性的第一連接件401，連接第二基板221和第三基板402的彈性的第二連接件403 ;與第一基板121右側(cè)固定相連的觸頭301，與開關支架304左側(cè)相連的第一接觸端302和第二接觸端303 ;第二基板221、第一接觸端302和第二接觸端303之間通過導線連接。當觸頭301與第一接觸端302和第二接觸端303其中任何一個接觸端發(fā)生接觸時，第一基板121與第二基板221聯(lián)通；當觸頭不與第一接觸端302和第二接觸端303中的任何一個觸片發(fā)生接觸時，第一基板121和第二基板221斷開。在靜止狀態(tài)下彈性的第一連接件401使第一摩擦層122下表面與第二摩擦層222上表面保持一定距離；彈性的第二連接件402使第二發(fā)電層支架221下表面與底座層301上表面在靜止時保持一定距離。在第一基板121未受到外力作用時，彈性的第一連接件401不發(fā)生形變，此時觸頭301與第一接觸端302發(fā)生接觸，使第一基板121和第二基板221處于連通狀態(tài)。當彈性的第二連接件402完全壓縮時，此時觸頭301與第二接觸端303發(fā)生接觸，使第一基板121和第二基板221處于聯(lián)通狀態(tài)。導電的第一基板或第二基板可以采用Cu板、Al片等材料。
[0099]本實施不例中，除了第一基板121和第二基板221需要使用導電材料外,發(fā)電機各部分的材料選擇與實施示例一中的相同，在這里不再復述。同時，導電的基板121和221同時起到了圖1和圖4所示發(fā)電機中第一電極層102和第二電極層202的作用。在發(fā)電機的往復運動中，接觸式開關的接觸方式、發(fā)電機的發(fā)電原理與示例一相同，不再復述。
[0100]第三基板為連接第二基板的第二連接件提供支撐的部件，對其材料選擇無特殊要求，可以為導體、絕緣體或半導體。開關支架為固定接觸式開關的兩個接觸端的部件，其材料選擇選擇無特殊要求，可以為導體、絕緣體或半導體，當然，對于開關支架與第二基板或第三基板固定在一起的情況，如果第二基板或第三基板的材料為導電材料，則開關支架的材料優(yōu)選為絕緣體材料，兩個接觸端之間可以通過導線或者導電薄膜等進行連接。
[0101]第一連接件和第二連接件優(yōu)選為彈性結(jié)構(gòu)，例如彈簧或者彈片等。第一連接件或第二連接件的結(jié)構(gòu)有多種，可以為多個彈簧單元排列共同構(gòu)成第一連接件或第二連接件，也可以是一個整體的彈性部件。
[0102]上述實施例中，接觸式開關的觸頭和接觸端均采用觸片，當觸頭的觸片與接觸端的觸片接觸時，接觸式開關閉合。兩個觸片之間接觸有更大的接觸面積，可以減小接觸式開關的接觸電阻，適合用于大電流輸出的情況。
[0103]除了使用上述的片式接觸的接觸式開關外，還可以使用其他形式的接觸式開關。如圖10所示，采用撞針式觸頭311，兩個接觸端312和313可以采用觸片式并且固定在開關支架304上，接觸式開關與發(fā)電機其他部分的連接與前述實施例中相同。當撞針式觸頭311與觸片式接觸端312和313中任何一個觸片發(fā)生接觸時，第一電極層102與第二電極層202連通；當撞針式觸頭311不與觸片式第一接觸端312和第二接觸端313中的任何一個觸片發(fā)生接觸時，第一電極層102和第二電極層202斷開。在靜止狀態(tài)下彈性的第一連接件401使第一摩擦層103下表面與第二摩擦層203上表面保持一定距離；彈性的第二連接件403使第二基板201下表面與第三基板402上表面在靜止時保持一定距離。在第一基板101未受到外力作用時，第一連接件401不發(fā)生形變，此時撞針式觸頭311與第一接觸端312發(fā)生接觸，使第一電極層102和第二電極層202處于連通狀態(tài)，如圖10所示。當?shù)诙B接件403被完全壓縮時，撞針式觸頭311與第二接觸端313發(fā)生接觸，使第一電極層102和第二電極層202處于連通狀態(tài)。
[0104]接觸式開關還可以采用觸片與觸頭接觸的方式，參見圖11的摩擦摩擦發(fā)電機，接觸式開關的觸頭321為觸片，兩個接觸端322和323為觸點并且固定在開關支架304上，當觸片與兩個接觸端的任何一個接觸點接觸時接觸式開關閉合。發(fā)電機的其他部分的材料與前述實施例中的相同，接觸式開關與發(fā)電機其他部分的連接也與前述實施例中的相同。當觸片321與第一觸點322或第二觸點323其中任何一個觸點發(fā)生接觸時，第一電極層102與第二電極層202連通；當觸片321不與第一觸點322和第二觸點323中的任何一個觸點發(fā)生接觸時，第一電極層102和第二電極層202斷開。
[0105]采用撞針或觸點和觸片接觸的接觸式開關，可以在更短的時間內(nèi)完成穩(wěn)定的接觸，提高接觸式開關的速度，適合用于高頻率的輸出。優(yōu)選的，接觸式開關的觸片具有彈性，當觸片與觸片(或者撞針、觸點等)接觸時，觸片發(fā)生彈性形變，保證觸頭與接觸端之間的良好電接觸。
[0106]相應的，本發(fā)明還提供一種摩擦發(fā)電方法，包括步驟:
[0107]提供上表面接觸設置第一電極層的第一摩擦層，提供下表面接觸設置第二電極層的第二摩擦層；
[0108]所述第一摩擦層的下表面與所述第二摩擦層的上表面接觸；
[0109]第一摩擦層的下表面與第二摩擦層的上表面離開設定距離后，第一電極層與第二電極層導通，在第一電極層與第二電極層之間向外輸出第一脈沖電信號后第一電極層與第二電極層斷開；
[0110]第一摩擦層的下表面與第二摩擦層的上表面的距離縮小直至再次接觸時或接觸后，第一電極層與第二電極層再次導通，在第一電極層與第二電極層之間向外輸出第二脈沖電信號后第一電極層與第二電極層再次斷開；
[0111]重復上述第一摩擦層的下表面與第二摩擦層的上表面離開和接觸的步驟。
[0112]所述發(fā)電方法中，使用的第一摩擦層、第一電極層、第二摩擦層和第二電極層的材料和結(jié)構(gòu)與本發(fā)明前述的脈沖摩擦發(fā)電機中的相應部分相同，發(fā)電原理與前述發(fā)電機的發(fā)電原理也相同，在這里不在復述。第一摩擦層與第二摩擦層接觸和分離過程中形成的第一脈沖電信號與第二脈沖電信號為反向脈沖信號。第一電極層與第二電極層之間的導通可以通過開關來實現(xiàn)，可以在第一電極層與第二電極層之間連接需要供電的負載實現(xiàn)發(fā)電方法的向外輸出電信號。
[0113]在以上所有示例中，都可以通過對摩擦層表面進行微米、納米尺度的結(jié)構(gòu)加工、材料修飾以提高兩個摩擦層之間的接觸面積。下面以一個世紀示例為例，說明脈沖摩擦發(fā)電機的制備過程及摩擦層的表面修飾過程。
[0114]首先，以有機玻璃PMMA為材料，通過激光切割的方法加工第一基板101、第二基板201、第三基板301和開關支架302。然后利用磁控濺射的方法在第一基板101的下表面和第二基板201的上表面蒸鍍100納米厚度的Au薄膜作為第一電極層102和第二電極層202。將第一電極層放入含有SiO2納米顆粒的溶液中，利用自組裝的方法在第一電極層102的下表面組裝一層SiO2納米顆粒作為第一摩擦層103。圖12是第一摩擦層103的SiO2納米顆粒的電子掃描顯微鏡(SEM)圖片，如圖所示，SiO2納米顆粒排列整齊，尺寸約為240納米。在第二電極層202的上表面利用旋轉(zhuǎn)涂膜的方法制備聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜作為第二摩擦層203。切割三片Cu片作為接觸式開關的觸頭和兩個接觸端，在第一基板上固定一個Cu片作為觸頭301，觸頭301與第一電極層通過導線連接，在開關支架上按照設定距離固定另外兩個Cu片作為兩個接觸端，將開關支架上的兩個Cu片與第二電極層通過導線連接，采用彈簧作為彈性的第一連接件401和第二連接件403，將第一基板、第二基板、第三基板與開關支架按照圖4所示的結(jié)構(gòu)進行連接組裝，使SiO2層與PDMS薄膜層面對面設置，并且在未受外力作用時SiO2層與PDMS薄膜保持一定的距離，在第一基板上施加外力時SiO2層與PDMS薄膜的表面能夠接觸，撤去外力時SiO2層與PDMS薄膜的表面能夠分開。
[0115]當發(fā)電機受到周期性外力的作用下，可以輸出交流脈沖信號。下面以制備完成的發(fā)電機器件為例，展示脈沖摩擦發(fā)電機的輸出特性。圖13是發(fā)電機的開路電壓特性，表面開路電壓大約285V。圖14是負載IMQ時發(fā)電機的多周期(圖14a)和單周期(圖14b)的輸出電流曲線。曲線表明，輸出脈沖電流的最大值大約250UA。電流曲線的特征為:首先，電流從零陡峭地上升到最大值，然后隨時間緩慢衰減。電流陡峭上升的瞬間對應于觸頭301與第一接觸端302/第二接觸端303接觸的瞬間。在第一電極層與第二電極層之間不接接觸式開關直接導通形成現(xiàn)有的接觸式脈沖發(fā)電機，輸出脈沖電流的最大值約為5.7 y A，表明本發(fā)明的發(fā)電機與現(xiàn)有的接觸式脈沖發(fā)電機相比能夠獲得高的脈沖電流輸出。圖15是輸出瞬時最大電壓隨負載的變化曲線。曲線表明，在500Q到IGQ的負載電阻變化范圍內(nèi)，輸出電壓近似保持在285V左右，與開路電壓大致相同。圖16是發(fā)電機的瞬時最大電流隨負載電阻的變化曲線。曲線表明，瞬時最大電流與電阻成反比，當負載電阻為500 Q時，瞬時最大電流達到0.53A。在本示例的發(fā)電機中，第一摩擦層103和第二摩擦層203之間的接觸面積是4X10_4m2。因此，負載電阻為500 Q時，瞬時最大電流密度達到1325A/m2。圖17是發(fā)電機的瞬時最大輸出功率隨負載電阻的變化曲線。曲線表明，瞬時最大輸出功率與電阻成反比，當負載電阻為500Q時，瞬時最大輸出功率達到142W，所對應的瞬時最大輸出功率密度達到3.6X 105W/m2。圖18是發(fā)電機的電流衰減時間常數(shù)隨電阻的變化。曲線表明，衰減時間常數(shù)與電阻成正比。以上輸出特征表明，這種開關式的脈沖摩擦發(fā)電機的瞬時最大輸出電壓保持恒定，與負載電阻的大小無關。瞬時最大輸出電流和功率都與電阻成反比，可通過對負載的調(diào)控，有效調(diào)控發(fā)電機的最大輸出電流和功率。
[0116]本發(fā)明各實施不例的發(fā)電機輸出的電信號為交流脈沖電信號，可以在發(fā)電機的輸出端(第一電極層與接觸式開關之間，或者第二電極層與接觸式開關之間)連接全橋整流器，將發(fā)電機的輸出信號整流為單向脈沖電信號。發(fā)電機輸出的單向脈沖電信號，不僅可以作為脈沖電源直接應用于電化學等領域，還可以用來給儲能元件充電，比如電容器或者鋰離子電池等，而儲存的電能能夠用來為便攜式小型電子設備提供電力，具有廣泛的應用前
旦
o
[0117]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施示例而已，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(nèi)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示例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術實質(zhì)對以上實施示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(nèi)。
【權利要求】
1.一種脈沖摩擦發(fā)電機，其特征在于，包括: 第一基板；所述第一基板下表面設置的第一電極層；所述第一電極層下表面接觸設置的第一摩擦層； 第二基板；所述第二基板上表面設置的第二電極層；所述第二電極層上表面接觸設置的第二摩擦層； 接觸式開關，所述接觸式開關包括觸頭和固定設置的兩個接觸端，其中，所述觸頭與所述第一電極層連通，并且能夠跟隨所述第一基板運動；所述兩個接觸端都與所述第二電極層連通；當所述觸頭與所述兩個接觸端中任何一個接觸時，所述接觸式開關閉合； 第一連接件，所述第一連接件使所述第一摩擦層與所述第二摩擦層面對面設置，并且在外力作用下能夠使所述第一基板與第二基板之間的距離改變過程中，所述第一摩擦層下表面與所述第二摩擦層上表面能夠接觸和分離； 其中，所述觸頭與第一接觸端接觸時，所述第一摩擦層與第二摩擦層處于分離狀態(tài)；所述觸頭與第二接觸端接觸時，所述第一摩擦層的下表面與第二摩擦層上表面接觸；所述接觸式開關閉合時，所述第一電極層 與所述觸頭之間和/或第二電極層與所述接觸端之間有脈沖電信號輸出。
2.根據(jù)權利要求1所述的脈沖摩擦發(fā)電機，其特征在于，在所述接觸式開關的觸頭的可移動距離不小于所述兩個接觸端之間的設定距離。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的脈沖摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述接觸式開關的觸頭的可移動距離等于所述兩個接觸端之間的設定距離。
4.根據(jù)權利要求1-3任一項所述的脈沖摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述第一連接件為彈性連接件，所述第一連接件連接在所述第一基板與第二基板之間，或者所述第一連接件固定在所述第一摩擦層與第二摩擦層之間。
5.根據(jù)權利要求1-4任一項所述的脈沖摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述接觸式開關的兩個接觸端通過開關支架固定在所述第二基板上。
6.根據(jù)權利要求1或2所述的脈沖摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述發(fā)電機還包括彈性的第二連接件和第三基板，其中，所述第一連接件為彈性連接件， 所述第一基板與第三基板分別位于所述第二基板的上方和下方； 所述第二連接件連接在所述第二基板與所述第三基板之間，使所述第二基板的下表面與所述第三基板的上表面相對設置； 所述第一連接件連接在所述第一基板與所述第三基板或第二基板之間，使所述第一摩擦層與所述第二摩擦層相對設置。
7.根據(jù)權利要求6所述的脈沖摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述接觸式開關的兩個接觸端通過開關支架固定在所述第三基板的上表面。
8.根據(jù)權利要求6或7所述的脈沖摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述接觸式開關的觸頭的可移動距離大于所述兩個接觸端之間的設定距離，并且在所述第一摩擦層的下表面與第二摩擦層的上表面接觸后所述觸頭才能與第二接觸端接觸。
9.根據(jù)權利要求6或7所述的脈沖摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述接觸式開關的觸頭的可移動距離等于兩個接觸端之間的設定距離，并且，當?shù)谝换逑卤砻媾c第二基板上表面之間的距離最大時，所述觸頭與第一接觸端接觸；第二基板下表面與第三基板上表面的距離最小時，所述觸頭與第二接觸端接觸。
10.根據(jù)權利要求1-9任一項所述的脈沖摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述第一摩擦層和所述第二摩擦層的材料之間存在摩擦電極序差異。
11.根據(jù)權利要求1-10任一項所述的脈沖摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述第一摩擦層和所述第二摩擦層為絕緣材料，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。
12.根據(jù)權利要求11所述的脈沖摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述第一摩擦層或第二摩擦層的絕緣材料可由金屬或半導體材料替換；所述金屬材料選自金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒，以及由上述金屬形成的合金；所述半導體材料選自SnO2, ZnO, TiO2, In2O3, ZnS,ZnSe, ZnTe, GaN, Se, CdS, CdSe, CdTe, Si, Ge, PbS, InGaAs, PbSe, InSb,PbTe, HgCdTe, PbSn,HgS，HgSe 和 HgTe。
13.根據(jù)權利要求1-11任一項所述的脈沖摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述第一摩擦層的下表面和/或第二摩擦層的上表面的全部或部分具有納米或微米尺度的微結(jié)構(gòu)或者納米材料的點綴或涂層。所述微結(jié)構(gòu)選自納米線、納米棒、納米管、納米錐、納米顆粒、納米溝槽、微米線、微米棒、微米管、微米錐、微米顆粒和微米溝槽。
14.根據(jù)權利要求1-13任一項所述的脈沖摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述第一摩擦層的下表面和/或第二摩擦層的上表面經(jīng)過化學改性，其中， 在摩擦電極序相對為正的材料表面引入更易失電子的官能團，或者在摩擦電極序相對為負的材料表面引入更易得電子的官能團； 或者，在極性為正的材料表面引入正電荷，在極性為負的材料表面引入負電荷。
15.根據(jù)權利要求1-14任一項所述的脈沖摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述第一摩擦層和/或第二摩擦層的厚度為100nm-5mm。
16.根據(jù)權利要求1-15任一項所述的脈沖摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述第一摩擦層下表面與所述第二摩擦層上表面形狀相同或互補。
17.根據(jù)權利要求1-16任一項所述的脈沖摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述第一電極層和所述第二電極層的導電材料選自金屬、合金、導電氧化物或有機物導體；其中，所述金屬選自金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒；所述合金選自金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒形成的合金、不銹鋼。
18.根據(jù)權利要求1-17任一項所述的脈沖摩擦發(fā)電機，其特征在于，所示第一基板采用導電材料代替所述第一電極層； 和/或，所述第二基板采用導電材料代替所述第二電極層。
19.根據(jù)權利要求1-18任一項所述的脈沖摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述觸頭、或所述兩個接觸端的材料選自金屬或合金；所述金屬選自金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒；所述合金選自金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒形成的合金、不銹鋼。
20.根據(jù)權利要求1-19任一項所述的脈沖摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述觸頭為觸片，所述兩個接觸端均為觸片或觸點； 或者，所述觸頭為撞針，所述兩個接觸端均為觸片。
21.根據(jù)權利要求20所述的脈沖摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述觸片具有彈性。
22.根據(jù)權利要求1-17任一項所述的脈沖摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述第一基板、第二基板、第三基板或開關支架為絕緣材料。
23.根據(jù)權利要求1-22任一項所述的脈沖摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述第一摩擦層、第一電極層、第二摩擦層、第二電極層、第一基板或第二基板為柔性材料或彈性材料。
24.根據(jù)權利要求2-23任一項所述的脈沖摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述兩個接觸端之間的設定距離為5mm到20mm。
25.一種摩擦發(fā)電方法，其特征在于，包括步驟: 提供上表面接觸設置第一電極層的第一摩擦層，提供下表面接觸設置第二電極層的第二摩擦層； 所述第一摩擦層的下表面與所述第二摩擦層的上表面接觸； 第一摩擦層的下表面與第二摩擦層的上表面離開設定距離后，第一電極層與第二電極層導通；在第一電極層與第二電極層之間向外輸出第一脈沖電信號后第一電極層與第二電極層斷開； 第一摩擦層的下表面與第二摩擦層的上表面的距離縮小直至再次接觸后，第一電極層與第二電極 層再次導通，在第一電極層與第二電極層之間向外輸出第二脈沖電信號后第一電極層與第二電極層再次斷開； 重復上述第一摩擦層的下表面與第二摩擦層的上表面離開和接觸的步驟。
【文檔編號】H02N1/04GK103780132SQ201310303848
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年7月18日 優(yōu)先權日:2013年7月18日
【發(fā)明者】王中林, 程綱, 林宗宏 申請人:國家納米科學中心