一種產(chǎn)生交流輸出的摩擦發(fā)電機(jī)和發(fā)電機(jī)組的制作方法
【專利摘要】一種能夠產(chǎn)生交流輸出的摩擦發(fā)電機(jī)和發(fā)電機(jī)組，包括兩個(gè)互相滑動的兩個(gè)部件，第一部件，包括：第一摩擦件、在第一摩擦件的相對兩個(gè)表面分別接觸設(shè)置的第一電極層和第二電極層，其中，第一電極層和第二電極層為圖形化電極層，并且在第一摩擦件上的投影圖形不重合；第二部件，包括：第二摩擦件、第二摩擦件的相對兩個(gè)表面分別接觸設(shè)置的第三電極層和第四電極層，其中第三電極層和第四電極層為圖形化電極層；并且在第二摩擦件上的投影圖形不重合；第一部件與第二部件相對設(shè)置，使第二電極層與第三電極層面對面，在外力作用下當(dāng)?shù)谝徊考鄬τ诘诙考l(fā)生滑動摩擦?xí)r，第一電極層與第三電極層之間、第二電極層與第四電極層之間輸出交流電信號。
【專利說明】一種產(chǎn)生交流輸出的摩擦發(fā)電機(jī)和發(fā)電機(jī)組

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種發(fā)電機(jī)，特別涉及將運(yùn)動、振動、流體等自然存在的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為交流信號輸出的摩擦發(fā)電機(jī)和發(fā)電機(jī)組。

【背景技術(shù)】
[0002]在微電子和材料技術(shù)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?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出前所未有的應(yīng)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。
[0003]目前，技術(shù)人員利用摩擦生電現(xiàn)象，研發(fā)出了將運(yùn)動、振動、流體等自然存在的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的結(jié)構(gòu)簡單的摩擦電發(fā)電機(jī)，其基本結(jié)構(gòu)參見圖1，包括表面得失電子能力不同材料制備的摩擦層I和摩擦層2，摩擦層I和摩擦層2分別接觸設(shè)置有電極層3和電極層4，當(dāng)摩擦層I與摩擦層2發(fā)生相對滑動摩擦，并且接觸面積發(fā)生變化時(shí)，能夠通過電極層3和電極層4為外電路輸出電信號，摩擦層I和摩擦層2在往復(fù)滑動摩擦過程中能夠產(chǎn)生交流脈沖輸出?？梢詫⑷梭w運(yùn)動、振動等微小的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，在無線傳感、生物植入、安全監(jiān)測等領(lǐng)域有著廣泛的。
[0004]現(xiàn)有的以圖1為基本結(jié)構(gòu)的摩擦電發(fā)電機(jī)雖然能夠產(chǎn)生較高的電壓輸出，但是，輸出電流和功率密度都比較低，在很大程度上限制了發(fā)電機(jī)的應(yīng)用，不利于直接應(yīng)用來驅(qū)動電子器件，需要將輸出的電能儲存在電池等儲能元件中為微型電子器件提供匹配的電源。而且發(fā)電機(jī)工作時(shí)需要較大的滑動空間，使兩個(gè)摩擦層的接觸面積改變量足夠大，獲得足以驅(qū)動電子器件的電能，因此，其轉(zhuǎn)化效率、以及應(yīng)用范圍受到限制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種能夠?qū)⑦\(yùn)動、振動、流體等自然存在的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為交流電信號輸出的結(jié)構(gòu)簡單的摩擦發(fā)電機(jī)，克服現(xiàn)有摩擦電發(fā)電機(jī)輸出電流和功率密度較低的缺陷。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種產(chǎn)生交流輸出的摩擦發(fā)電機(jī)，包括:
[0007]第一部件，所述第一部件包括:第一摩擦件、在所述第一摩擦件的相對兩個(gè)表面分別接觸設(shè)置的第一電極層和第二電極層，其中，所述第一電極層和第二電極層為圖形化電極層，并且在所述第一摩擦件上的投影圖形不重合；
[0008]第二部件，所述第二部件包括:第二摩擦件、所述第二摩擦件的相對兩個(gè)表面分別接觸設(shè)置的第三電極層和第四電極層，其中，所述第三電極層和第四電極層為圖形化電極層；并且在所述第二摩擦件上的投影圖形不重合；
[0009]所述第一部件與第二部件相對設(shè)置，使所述第二電極層與所述第三電極層面對面，所述第一部件相對于第二部件發(fā)生滑動摩擦?xí)r，所述第一電極層與第三電極層之間、第二電極層與第四電極層之間輸出交流電信號。
[0010]優(yōu)選的，所述第二電極層與第三電極層的厚度范圍為10納米至10微米。
[0011]優(yōu)選的，所述第二電極層與第三電極層的厚度范圍為100納米至I微米。
[0012]優(yōu)選的，所述第一摩擦件和/或第二摩擦件的材料選自絕緣體。
[0013]優(yōu)選的，所述第二電極層與第三電極層的圖形相同或者互補(bǔ)。
[0014]優(yōu)選的，所述第一電極層與第二電極層在所述第一摩擦件上的投影圖形互補(bǔ)；
[0015]和/或，所述第四電極層與第三電極層在所述第二摩擦件上的投影圖形互補(bǔ)。
[0016]優(yōu)選的，所述第二電極層由多個(gè)長條形電極條平行排列形成，多個(gè)所述電極條互相之間電連接。
[0017]優(yōu)選的，多個(gè)所述電極條的寬度均相等，所述電極條的寬度與相鄰兩個(gè)電極條之間的距離相等。
[0018]優(yōu)選的，所述第一摩擦件和/或所述第二摩擦件的厚度與所述電極條的寬度相當(dāng)；所述電極條的寬度范圍為100納米-10厘米。
[0019]優(yōu)選的，所述滑動摩擦的滑動方向垂直于所述電極條的長度方向。
[0020]優(yōu)選的，所述第二電極層由多個(gè)塊狀子電極按照棋盤格子圖形排列形成。
[0021]優(yōu)選的，所述塊狀子電極在所述第一摩擦件上的投影圖形為正方形、長方形或菱形。
[0022]優(yōu)選的，多個(gè)所述塊狀子電極的尺寸和形狀相同。
[0023]優(yōu)選的，所述第二電極層由周期性的多個(gè)電極扇區(qū)組成，多個(gè)所述扇區(qū)之間電連接。
[0024]優(yōu)選的，每個(gè)所述電極扇區(qū)和兩個(gè)相鄰電極扇區(qū)之間的間隔具有相同的大小和形狀。
[0025]優(yōu)選的，所述第一摩擦件和第二摩擦件互相接觸的表面為弧面彈頭形或圓錐形，由多個(gè)扇區(qū)形成的弧面彈頭形或圓錐形第二電極層和第三電極層分別接觸設(shè)置在第一摩擦件與第二摩擦件的表面。
[0026]優(yōu)選的，所述第一摩擦件為片狀結(jié)構(gòu)，所述第一電極層和第二電極層分別接觸設(shè)置于所述第一摩擦件的上表面和下表面；
[0027]所述第二摩擦件為片狀結(jié)構(gòu)，所述第三電極層和第四電極層分別接觸設(shè)置于所述第一摩擦件的上表面和下表面。
[0028]優(yōu)選的，所述第一摩擦件為圓柱殼狀，所述第一電極層和第二電極層分別接觸設(shè)置于所述第一摩擦件的內(nèi)表面和外表面；
[0029]所述第二摩擦件為圓柱殼狀，所述第三電極層和第四電極層分別接觸設(shè)置于所述第一摩擦件的外表面和內(nèi)表面；
[0030]所述第一部件與第二部件形成套層結(jié)構(gòu)，所述第一部件相對于第二部件發(fā)生滑動摩擦為第一部件相對于第二部件同軸轉(zhuǎn)動，或者沿著第一摩擦件軸線方向滑動，或者沿著螺旋上升狀軌跡互相滑動摩擦。
[0031]優(yōu)選的，所述第一摩擦件和/或第二摩擦件的材料選自高分子聚合物、非導(dǎo)電性氧化物和復(fù)雜氧化物。
[0032]優(yōu)選的，所述高分子聚合物選自聚四氟乙烯，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、聚丙烯和聚氯乙烯；
[0033]所述非導(dǎo)電性氧化物和復(fù)雜氧化物選自氧化硅、氧化錳、氧化鉻、氧化鐵、氧化銅、氧化鋅、B12和Y2O3。
[0034]優(yōu)選的，所述第一摩擦件和/或第二摩擦件的厚度范圍為10納米-1厘米。
[0035]優(yōu)選的，所述第一摩擦件和/或第二摩擦件為柔性的或者硬性的。
[0036]優(yōu)選的，在所述第一部件面向所述第二部件的全部或部分表面設(shè)置納米粒子修飾層；
[0037]和/或，在所述第二部件面向所述第一部件的全部或部分表面設(shè)置納米粒子修飾層。
[0038]優(yōu)選的，所述納米粒子修飾層中所述納米粒子為有機(jī)物納米粒子或者S12納米粒子。
[0039]優(yōu)選的，所述第一電極層、第二電極層、第三電極層或第四電極層的材料選自金屬、合金、銦錫氧化物、有機(jī)物導(dǎo)體或摻雜的半導(dǎo)體，其中，金屬，選自金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒以及由2種以上物質(zhì)所形成的合金；有機(jī)物導(dǎo)體選自自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁類化合物、聚苯胺和/或聚噻吩。
[0040]優(yōu)選的，所述第一電極層、第二電極層為通過沉積方法制備在第一摩擦件相對兩個(gè)表面的電極層；第三電極層、第四電極層為通過沉積方法制備在第二摩擦件兩個(gè)相對表面的電極層。
[0041]優(yōu)選的，在所述第一部件背向第二部件的表面上設(shè)置第一基板；在第二部件背向第一部件的表面上設(shè)置第二基板。
[0042]相應(yīng)的，本發(fā)明還提供一種產(chǎn)生交流輸出的摩擦發(fā)電機(jī)組，包括多個(gè)上述的摩擦發(fā)電機(jī)，多個(gè)所述摩擦發(fā)電機(jī)層疊在一起，并且相鄰兩個(gè)所述摩擦發(fā)電機(jī)共用第一基板或第二基板。
[0043]優(yōu)選的，將所述發(fā)電機(jī)組中的所有基板從上到下排序，按照奇數(shù)基板和偶數(shù)基板分為兩組，其中一組能夠相對于另一組同步運(yùn)動。
[0044]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果是:
[0045]1、本發(fā)明的摩擦發(fā)電機(jī)，基本結(jié)構(gòu)中包括兩個(gè)互相滑動摩擦的部件，每個(gè)部件都包括摩擦件，以及接觸設(shè)置在摩擦件相對兩個(gè)表面上的圖形化的電極層，并且這兩個(gè)電極層在摩擦件上的投影圖形不重合，當(dāng)兩個(gè)部件互相摩擦?xí)r，一個(gè)部件的摩擦件的表面與另一個(gè)部件的電極層摩擦，通過設(shè)計(jì)電極層圖形，能夠使兩個(gè)部件在相對滑動時(shí)，摩擦件與電極層的總的接觸面積能夠從最大到最小周期性的連續(xù)變化，從而在兩個(gè)部件的電極層之間輸出交流電信號。
[0046]2、本發(fā)明的摩擦發(fā)電機(jī)采用圖形化的電極層設(shè)計(jì)，在兩個(gè)部件相對滑動距離較小時(shí)，即可獲得摩擦件與電極層之間摩擦面積較大的變化，因此能夠獲得較高的輸出電流，同時(shí)提高了能量轉(zhuǎn)化的效率和功率密度。
[0047]3、在兩個(gè)相互滑動的部件互相接觸的表面上設(shè)置納米顆粒的修飾層，不僅沒有妨礙發(fā)電機(jī)的電信號輸出，而且起到了潤滑的作用，能夠有效的降低兩個(gè)部件的摩擦系數(shù)，有利于摩擦發(fā)電機(jī)能量轉(zhuǎn)化效率的提高。本發(fā)明的發(fā)電機(jī)能量轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)到52%至58%。
[0048]4、采用本發(fā)明提供的摩擦發(fā)電機(jī)堆疊形成發(fā)電機(jī)組，可以獲得比類似結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)高140至220倍的功率密度，能夠直接驅(qū)動燈泡等用電器，無需再將電能儲存在蓄電池等器件中。
[0049]5、本發(fā)明的發(fā)電機(jī)和發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)簡單，各部分的材料選擇和制備方法簡便，并且可以根據(jù)需要將發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)為疊層狀、套層狀等多種結(jié)構(gòu)，便于應(yīng)用在安全和監(jiān)控、基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控、便攜式/可穿戴式電子產(chǎn)品、照明設(shè)備、等方面。
[0050]6、采用柔性材料制備發(fā)電機(jī)互相摩擦的兩個(gè)部件，可以將本發(fā)明的發(fā)電機(jī)與其他柔性器件結(jié)合使用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0051]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(biāo)記指示相同的部分。并未刻意按實(shí)際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點(diǎn)在于示出本發(fā)明的主旨。
[0052]圖1為現(xiàn)有摩擦電發(fā)電機(jī)的機(jī)構(gòu)示意圖；
[0053]圖2為本發(fā)明提供的摩擦發(fā)電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)示意圖；
[0054]圖3為電極層與摩擦件互相摩擦發(fā)電的原理示意圖；
[0055]圖4為第一部件與第二部件互相接觸時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0056]圖5 (a)至圖5 (C)和圖6 (a)至圖6 (C)分別為發(fā)電機(jī)的基本發(fā)電單兀工作原理示意圖；
[0057]圖7至圖10為電極層采用不同圖形時(shí)的示意圖；
[0058]圖11為發(fā)電機(jī)的第一部件與第二部件形成套層結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0059]圖12A和圖12B分別為一個(gè)具體發(fā)電機(jī)的短路電流和開路電壓測量結(jié)果；
[0060]圖13為本發(fā)明提供的摩擦發(fā)電機(jī)組的典型結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0061]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實(shí)施例僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)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(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0062]其次，本發(fā)明結(jié)合示意圖進(jìn)行詳細(xì)描述，在詳述本發(fā)明實(shí)施例時(shí)，為便于說明，所述示意圖只是示例，其在此不應(yīng)限制本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0063]為了克服現(xiàn)有摩擦電發(fā)電機(jī)的輸出電流和功率密度低的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出一種能夠輸出交流電信號的結(jié)構(gòu)簡單的摩擦發(fā)電機(jī)，其技術(shù)方案為采用兩個(gè)摩擦層互相摩擦，在每個(gè)摩擦層的相對兩個(gè)表面分別接觸設(shè)置圖形化的電極層，兩個(gè)摩擦層設(shè)置有電極的表面互相滑動摩擦?xí)r，在接觸表面形成多個(gè)電極層與摩擦層的相對滑動區(qū)域，在相對較小的滑動距離內(nèi)，即可獲得較大的導(dǎo)電層與摩擦層的相對滑動面積改變，能夠高效的將環(huán)境中普遍存在的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。同時(shí)，由于本發(fā)明的發(fā)電機(jī)采用圖形化電極層的設(shè)計(jì)，可以獲得持續(xù)的電信號輸出。通過設(shè)計(jì)摩擦層相對表面的電極層的圖形，可以獲得持續(xù)的交流電信號輸出，并且輸出電流和功率密度足以直接驅(qū)動小型用電器。
[0064]下面結(jié)合附圖詳細(xì)介紹本發(fā)明的實(shí)施例。
[0065]本發(fā)明摩擦發(fā)電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)，參見圖2，包括第一部件100和第二部件200，其中，第一部件100包括第一摩擦件101，以及在第一摩擦件101的相對兩個(gè)表面接觸設(shè)置的第一電極層102和第二電極層103 ;第二部件200包括第二摩擦件201，以及在第二摩擦件201的相對兩個(gè)表面接觸設(shè)置的第三電極層202和第四電極層203。其中，第一電極層102與第二電極層103為圖形化的電極層，并且在第一摩擦件101上的投影圖形不重合；第三電極層202與第四電極層203為圖形化的電極層，并且在第二摩擦件201上的投影圖形不重合。第一部件100與第二部件200相對設(shè)置,使第二電極層103與第三電極層202面對面，當(dāng)?shù)谝徊考?00相對于第二部件200發(fā)生滑動摩擦?xí)r，第一摩擦件101的部分表面與第三電極層202滑動摩擦，第二摩擦件201的部分表面與第二電極層103滑動摩擦，第一電極層102與第三電極層202之間、第二電極層103與第四電極層203之間輸出交流電信號。
[0066]本發(fā)明的摩擦發(fā)電機(jī)利用了具有不同摩擦電極序的第二電極層103與第一摩擦件101的接觸時(shí)發(fā)生表面電荷轉(zhuǎn)移的原理。這里所述的“摩擦電極序”，是指根據(jù)材料對電荷的吸引程度將其進(jìn)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(fù)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(jī)制，一般認(rèn)為，這種電荷轉(zhuǎn)移和材料的表面功函數(shù)相關(guān)，通過電子或者離子在接觸面上的轉(zhuǎn)移而實(shí)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(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，即兩種材料在該序列中相差越遠(yuǎn)，接觸后所產(chǎn)生電荷的正負(fù)性和該序列相符合的幾率就越大，而且實(shí)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(fù)性可能并不符合該序列的預(yù)測。需要進(jìn)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(yán)格意義上講，摩擦電極序的表述是不準(zhǔn)確的，但由于歷史原因而一直沿用至今。
[0067]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并分離后其表面所帶有的電荷，一般認(rèn)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(shí)間，根據(jù)環(huán)境中濕度等因素，其保持時(shí)間在數(shù)小時(shí)甚至長達(dá)數(shù)天，而且其消失的電荷量可以通過再次接觸得以補(bǔ)充，因此，本發(fā)明人認(rèn)為，在本發(fā)明中接觸電荷的電量可以近似認(rèn)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(fù)電荷的聚集區(qū)域，但整個(gè)表面凈電荷的符號為正。
[0068]本發(fā)明的摩擦發(fā)電機(jī)中，能夠?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿幕景l(fā)電單元參見圖3，摩擦層20的下表面接觸設(shè)置電極層30，另一電極層10與摩擦層20的上表面產(chǎn)生滑動摩擦，使摩擦層20與電極層10的接觸面積發(fā)生變化。由于電極層10與摩擦層20材料的摩擦電極序不同，互相接觸時(shí)在接觸表面產(chǎn)生表面電荷轉(zhuǎn)移，電極層10表面帶有正電荷，摩擦層20上表面帶有等量的負(fù)電荷。當(dāng)電極層10與摩擦層20相對滑動摩擦?xí)r，摩擦層20的接觸電荷與電極層10的接觸電荷互相錯位，在兩個(gè)電極層10和30之間形成電勢差，因此，在兩個(gè)電極層10和30之間能夠產(chǎn)生電信號輸出。結(jié)合圖2,本發(fā)明中，第一電極層102與第二電極層103為圖形化的電極層，并且在第一摩擦件101上的投影圖形不重合；第三電極層202與第四電極層203為圖形化的電極層，并且在第二摩擦件201上的投影圖形不重合。因此，第一部件100與第二部件200相對滑動摩擦?xí)r，能夠出現(xiàn)第一摩擦件101的部分表面與第三電極層202滑動摩擦，第二摩擦件201的部分表面與第二電極層103滑動摩擦，相當(dāng)于存在多個(gè)圖三所示的發(fā)電單元。
[0069]本發(fā)明中，第一摩擦件101與第二摩擦件201的材料可以選擇絕緣體材料，特別是高分子聚合物材料，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。
[0070]除上述提到的高分子聚合物可以作為第一摩擦件101與第二摩擦件201材料外，非導(dǎo)電性氧化物和復(fù)雜氧化物也具有摩擦電特性，能夠在與導(dǎo)電的電極層材料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、B12和Y2O3等。
[0071]第一摩擦件101與第二摩擦件201的材料可以相同，也可以不同。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)互相摩擦的摩擦層與電極層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(yuǎn))時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出的電信號越強(qiáng)。所以，可以根據(jù)實(shí)際需要，選擇合適的材料來制備第一摩擦件101 (或第二摩擦件201)和電極層材料，以獲得更好的輸出效果。限于篇幅的原因，并不能對所有可能的材料進(jìn)行窮舉，在發(fā)明的啟示下，本領(lǐng)域的技術(shù)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。
[0072]本發(fā)明并不限定第一摩擦件101、第二摩擦件201以及四個(gè)電極層必須是硬質(zhì)材料，也可以選擇柔性材料，因?yàn)椴牧系挠捕炔⒉挥绊懩Σ良c電極層二者之間的滑動摩擦效果，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。第一摩擦件101或第二摩擦件201的厚度無特別要求，優(yōu)選為10納米-1厘米，更優(yōu)選為100納米-1毫米，更優(yōu)選為I微米-100微米。
[0073]本發(fā)明的摩擦發(fā)電機(jī)中，四個(gè)電極層(102、103、202和203)的材料可以相同，也可以不同。四個(gè)電極層的材料可以選擇常用的導(dǎo)電材料，所述的導(dǎo)電材料可選自金屬、合金、銦錫氧化物、有機(jī)物導(dǎo)體等，具體電極層材料的選擇不作為限定本發(fā)明保護(hù)范圍的因素，本領(lǐng)域常用的材料為:金屬，選自金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒；由金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻和硒中的2種以上物質(zhì)所形成的合金；導(dǎo)電氧化物，例如氧化銦錫ITO ;有機(jī)物導(dǎo)體一般為導(dǎo)電高分子，選自自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁類化合物、聚苯胺和/或聚噻吩等。
[0074]第一電極層102和第四電極層203的厚度無特殊要求，可以為平板、薄片或薄膜，第一電極層102和/或第四電極層203優(yōu)選為薄膜，薄膜厚度的可選范圍為10納米-5毫米。第二電極層103和第三電極層202的厚度應(yīng)盡可能薄一些，保證第一部件100與第二部件200互相滑動摩擦?xí)r，不會阻礙部分第一摩擦件101表面與第三電極層202 (或者部分第二摩擦件201的表面與第二電極層103)的接觸和滑動，在滑動過程中，第一部件100與第二部件200接觸狀態(tài)的示意圖參見圖4。優(yōu)選的，第二電極層103與第三電極層202的厚度為范圍為10納米至10微米，更優(yōu)選為100納米至I微米，更優(yōu)選為100納米至500微米。
[0075]本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)第一或第二摩擦件材料的選擇，確定相應(yīng)電極層材料以及制備方法的選擇，例如直接貼合或沉積等常規(guī)方式在摩擦層材料的兩個(gè)相對表面設(shè)置電極層，形成緊密接觸以確保電極層與相應(yīng)的摩擦件(例如第一電極層102和第一摩擦件101)的良好電接觸。制備電極層材料的常用方法包括磁控濺射、蒸鍍和印刷打印技術(shù)等。
[0076]需要說明的是，本發(fā)明中，第一摩擦件101 (或者第二摩擦件201)可以為片狀、平板狀、曲面結(jié)構(gòu)或者圓柱殼狀，相應(yīng)的，第一摩擦件101 (或者第二摩擦件201)的相對兩個(gè)表面具體是指片狀或者平板狀的上下表面，或者是指圓柱殼狀的內(nèi)外表面，或者是曲面的內(nèi)外表面。
[0077]本發(fā)明中，當(dāng)?shù)谝徊考?00的厚度比較薄或者為柔性時(shí)，可以在第一部件100背向第二部件200的表面上設(shè)置第一基板104，來增強(qiáng)第一部件的強(qiáng)度；具體的，第一基板104可以通過粘貼等常規(guī)方式與第一部件100背向第二部件200的表面貼合固定。同樣的，當(dāng)?shù)诙考?00的厚度比較薄或者為柔性時(shí)，可以在第二部件200背向第一部件100的表面上設(shè)置第二基板204。第一基板104與第二基板的材料無特殊要求，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境選擇合適的基板材料，例如可以為丙烯酸片、或者陶瓷片等。
[0078]本發(fā)明中，優(yōu)選的，在第一部件100與第二部件200的接觸面上，第二電極層103與第三電極層202的圖形互補(bǔ)。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以保證在第一部件100相對于第二部件200滑動過程中，能夠保證同時(shí)出現(xiàn)第一摩擦件101與第三電極層202接觸面積最大、第二摩擦件201與第二電極層103接觸面積也最大的情況，有利于提高摩擦發(fā)電機(jī)的輸出電流。
[0079]優(yōu)選的，第一電極層102與第二電極層103在第一摩擦件101上的投影圖形互補(bǔ)，第三電極層202與第四電極層203在第二摩擦件201上的投影圖形互補(bǔ)。
[0080]優(yōu)選的，在第一部件100與第二部件200的接觸面上，第二電極層103與第三電極層202的圖形互補(bǔ)；第一電極層102與第二電極層103在第一摩擦件101上的投影圖形互補(bǔ)，第三電極層202與第四電極層203在第二摩擦件201上的投影圖形互補(bǔ)。采用這樣的電極層圖形設(shè)計(jì)，可以將摩擦發(fā)電機(jī)等效為多個(gè)圖5或圖6所示的發(fā)電單元的并聯(lián)，在每個(gè)發(fā)電單元中又包括兩個(gè)發(fā)電子單元，一個(gè)子單元由第一摩擦件101、第一電極層102和第三電極層202組成，另一個(gè)子單元由第二摩擦件201、第二電極層103和第四電極層203組成。參見圖5，當(dāng)?shù)诙姌O層103與第三電極層202接觸面積最小時(shí)(見圖5 Ca?,總的摩擦層與電極層的接觸面積最大，摩擦發(fā)電機(jī)無電信號輸出；當(dāng)?shù)谝徊考?00相對于第二部件200沿著箭頭方向滑動時(shí)，第一摩擦件101的部分表面與第三電極層202滑動摩擦，同時(shí)第二摩擦件201的部分表面與第二電極層103滑動摩擦，電子通過外電路從第一電極層102流向第三電極層，同時(shí)電子通過外電路從第四電極層203流向第二電極層103，見圖5 (b);第一部件相對于第二部件200繼續(xù)沿著箭頭方向滑動，至第二電極層103與第三電極層202接觸面積最小時(shí)(見圖5 (c))，總的摩擦件與電極層的接觸面積最小，摩擦發(fā)電機(jī)無電信號輸出。第一部件100繼續(xù)沿著箭頭方向滑動，參見圖6 (a)至圖6 (C)，第一部件100相對于第二部件200繼續(xù)沿著箭頭方向滑動，摩擦件上的接觸電荷驅(qū)動電子通過外電路從第二電極層103流向第四電極層203，同時(shí)電子通過外電路從第三電極層202流向第一電極層102，直到摩擦件與電極層總的接觸面積最大。因此，第一部件100相對于第二部件200在一個(gè)方向勻速滑動時(shí)，能夠同時(shí)在第一電極層102與第三電極層202之間、第二電極層103與第四電極層203之間輸出交流電信號。這里所述總的摩擦件與電極層接觸面積，是指圖5和圖6中兩個(gè)子單元中摩擦件與電極層接觸面積之和。這樣結(jié)構(gòu)的摩擦發(fā)電機(jī)，第一部件100相對于第二部件200在一定方向上滑動時(shí)可以獲得最大的電流輸出，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的效率最聞。
[0081]實(shí)際中，第一部件與第二部件的尺寸可以不同，尺寸可以相差幾倍，因此，在本發(fā)明中，所述的一個(gè)電極層與另一個(gè)電極層的圖形互補(bǔ)，并不要求嚴(yán)格的電極層的尺寸相等，只要一個(gè)電極層的圖形能夠與另一個(gè)電極層的部分圖形互補(bǔ)即可。
[0082]下面介紹幾種圖形化電極層的優(yōu)選實(shí)施例，這里列出的電極層的圖形只是一種示例，用于展示本發(fā)明的原理，不作為限制本發(fā)明保護(hù)范圍的條件。
[0083]參見圖7，第二電極層113由多個(gè)長條形電極條113a平行排列在第一摩擦件111的一個(gè)表面形成，多個(gè)電極條113a互相之間電連接，可以通過導(dǎo)線113b將所有電極條113a的一端連接在一起。優(yōu)選的，第一電極層112與第二電極層113的圖形在第一摩擦件上的投影圖形互補(bǔ)，此時(shí)，第一電極層112由多個(gè)長條形電極條112a平行排列在第一摩擦件111的另一個(gè)表面形成，如圖7中所不。
[0084]優(yōu)選的，多個(gè)電極條113a的寬度均相等，并且相鄰兩個(gè)電極條113a等距排列。更優(yōu)選的，任意相鄰的兩個(gè)電極條113a的距離與電極條的寬度相等。
[0085]優(yōu)選的，第一摩擦件101的厚度與電極條113a的寬度相當(dāng)。電極條的寬度范圍可以為100納米-10厘米，優(yōu)選的范圍為1-100微米，更優(yōu)選的范圍為10-100微米。
[0086]優(yōu)選的，第三電極層與第二電極層的圖形相同，也為由多個(gè)長條形電極條互相電連接形成；更優(yōu)選的，第四電極層與第二電極層在第二摩擦件上的投影圖形互補(bǔ)。
[0087]如果能精確控制每個(gè)電極層中電極條的形狀、尺寸和排布位置，第一部件相對于第二部件滑動過程中，可以使摩擦件與電極層總的接觸面積能夠最大，滑動摩擦引起摩擦件與電極層錯位/失配的面積達(dá)到最大，這樣在滑動摩擦過程中產(chǎn)生的電荷密度和總電量最大。當(dāng)然，如果不能完全精確的控制電極條的形狀、尺寸和位置，則盡量保證第二電極層中大部分的電極條都能與第三電極層的電極條至少部分接觸，這樣也能夠使二者在滑動摩擦的過程中發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。
[0088]優(yōu)選的，第二電極層的電極條與第三電極層的電極條平行設(shè)置，并且第一部件相對于第二部件沿著圖7中箭頭方向滑動時(shí)，交替出現(xiàn)輸出電流最大和最小的情況，能夠?qū)ν廨敵鼋涣麟娦盘?；勻速滑動摩擦?xí)r，能夠?qū)ν廨敵龉潭l率的交流電信號，其頻率為電極條的寬度除以滑動速度。
[0089]優(yōu)選的，第二摩擦件的厚度與形成第三電極層的電極條的寬度相當(dāng)。
[0090]圖8給出了另一種第一電極層122和第二電極層103的典型排布情況。在該例子中，第一電極層122和第二電極層123均由多個(gè)塊狀子電極122a和123a按照棋盤格子圖形在第一摩擦件121的表面排列形成，多個(gè)塊狀子電極122a交錯占據(jù)多個(gè)棋盤格子。第二電極層123的棋盤格子圖形與第一電極層的棋盤格子位置交錯，在第一摩擦件121上的投影圖形互補(bǔ)。優(yōu)選的，第三電極層的圖形與第二電極層的圖形互補(bǔ)，第四電極層與第三電極層在第二摩擦件上的投影圖形互補(bǔ)。第一部件第二部件相對放置時(shí)，第二電極層中的每個(gè)塊狀子電極至少和一個(gè)第二電極層的塊狀子電極部分接觸，如果能精確控制電極層中每個(gè)塊狀子電極的形狀和尺寸，則可以使這些摩擦單元實(shí)現(xiàn)完全接觸和分離，摩擦件與電極層總的接觸面積最大，這樣在摩擦過程中產(chǎn)生的電荷密度最大。當(dāng)然，如果不能完全精確的控制每個(gè)摩擦單元的形狀、尺寸和位置，則盡量保證第二電極層中大部分的塊狀子電極都能與第三電極層的塊狀子電極至少部分接觸，這樣就能夠使第一部件與第二部件發(fā)生滑動摩擦的過程中摩擦件與電極層的接觸面積發(fā)生變化，同時(shí)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，從而實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。這種棋盤式的排布方式給本發(fā)明帶來一個(gè)非常顯著的優(yōu)勢，即無論任何方向的外力，只要能使第一部件和第二部件之間發(fā)生較小的相對滑動，都能引起摩擦件與電極層接觸面積的變化，亦即本發(fā)明的發(fā)電機(jī)對外界機(jī)械能的適應(yīng)范圍有很大擴(kuò)展。
[0091]優(yōu)選的，第二電極層122的每個(gè)塊狀子電極122a的尺寸和形狀相同。更優(yōu)選的，第二電極層中多個(gè)塊狀子電極122a為正方形、長方形或菱形。更優(yōu)選的，第二電極層122的每個(gè)塊狀子電極122a的邊長與第一摩擦件的厚度相當(dāng)。同樣的，第二電極層122的每個(gè)塊狀子電極122a的邊長與第二摩擦件的厚度相當(dāng)。
[0092]本發(fā)明中，摩擦件的厚度指摩擦件上設(shè)置有電極層的兩個(gè)相對表面之間的距離，例如板狀摩擦件上下表面之間的距離為摩擦件的厚度。第一摩擦件或第二摩擦件的厚度可以是均勻的也可以是不均勻的，都可以用作本發(fā)明的摩擦件。
[0093]第一部件相對于第二部件的滑動摩擦反向可以為沿著互相的接觸面，即在一個(gè)方向上作往返運(yùn)動，也可以為第一部件相對于第二部件的沿著一個(gè)軸的轉(zhuǎn)動。這樣的情況中，圖形化電極層優(yōu)選為軸對稱圖形。
[0094]參見圖9，第一電極層132和第二電極層133具有互補(bǔ)的“周期扇區(qū)”分布形式，其中每個(gè)電極扇區(qū)中心角的角度均為45度，并且所有周期電極扇區(qū)的頂點(diǎn)重合，均位于電極層或者第一摩擦件的轉(zhuǎn)動中心P。這樣，第一電極層132和第二電極層133均被分成8個(gè)面積相等的扇區(qū)，并且，每隔一個(gè)扇區(qū)設(shè)置第一電極層材料，即每個(gè)電極扇區(qū)和兩個(gè)相鄰電極扇區(qū)之間的間隔具有相同的大小和形狀。所不同的是，第一電極層132與第二電極層133的周期扇區(qū)為互補(bǔ)圖形，即第一電極層兩個(gè)扇區(qū)132a之間的空白區(qū)域?qū)?yīng)第二電極層的一個(gè)扇區(qū)133a。
[0095]除了圖9顯示的方式，電極層扇形的大小和數(shù)量還可以有不同的設(shè)置方式。參見圖10中左圖，顯示了具有六個(gè)摩擦材料區(qū)的實(shí)施方式，電極層的扇區(qū)無共用中心，各個(gè)扇區(qū)之間通過導(dǎo)線等實(shí)現(xiàn)電連接。本發(fā)明的第二電極層和第三電極層不僅可以是二維平面的，還可以是三維曲面的，第一摩擦件和第二摩擦件互相接觸的表面為弧面彈頭形或圓錐形，由多個(gè)扇區(qū)形成的弧面彈頭形或圓錐形(如圖10中右圖所示)第二電極層和第三電極層分別接觸設(shè)置在第一摩擦件與第二摩擦件的表面。第一部件與第二部件形成弧面彈頭形或圓錐形的同軸內(nèi)外套層結(jié)構(gòu)，兩個(gè)部件均能能夠繞軸旋轉(zhuǎn)，使得二者接觸面上的摩擦件與電極層材料發(fā)生相對滑動摩擦。雖然圖9和圖10顯示的均是電極層為周期扇區(qū)的情況，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員完全可以預(yù)測，對于第一部件和第二部件為其他形狀、摩擦材料區(qū)為其他形狀的情況，也可以設(shè)置成三維曲面的形式，以滿足不同的應(yīng)用環(huán)境。
[0096]電極層采用扇區(qū)分布的分布方式，當(dāng)?shù)谝徊考c第二部分繞軸相對轉(zhuǎn)動時(shí)，由于第二電極層與第三電極層的扇形區(qū)分布模式相同，且每個(gè)扇形區(qū)的大小相同，因此兩個(gè)部件上的摩擦件與電極層的接觸面積可以從最大連續(xù)轉(zhuǎn)動到最小的狀態(tài)。例如在圖9中，每個(gè)電極層被均勻分割為8個(gè)圓心角為45°的扇形,其中4個(gè)相隔對稱分布的扇形覆蓋有第一電極層材料132a和第二電極層材料133a，當(dāng)兩個(gè)部件相對轉(zhuǎn)過360°時(shí)，共發(fā)生4個(gè)周期的重合與分離，而相應(yīng)輸出4個(gè)周期的交流電信號。當(dāng)然，周期扇區(qū)的圓心角還可以為其他角度，優(yōu)選為360° /2n，其中η為第一電極層和/或第二電極層的周期扇區(qū)的個(gè)數(shù)。
[0097]雖然“周期扇形”分布的電極層材料區(qū)可以采用多種分布方式，但是仍需說明的是，本發(fā)明更優(yōu)選為各扇區(qū)具有相同大小，并且等間隔分布的扇形區(qū)。
[0098]本發(fā)明中，第一摩擦件101可以為片狀結(jié)構(gòu)，如圖4中所示，第一電極層102和第二電極層103分別接觸設(shè)置于第一摩擦件101的上表面和下表面；第二摩擦件201為片狀結(jié)構(gòu)，第三電極層202和第四電極層203分別接觸設(shè)置于第一摩擦件201的上表面和下表面。第一摩擦件101與第二摩擦件201可以為柔性的，也可以為硬性的，當(dāng)采用柔性材料時(shí)，本發(fā)明的摩擦發(fā)電機(jī)為柔性發(fā)電機(jī)，可以與柔性電極器件配合使用。
[0099]同樣，第一摩擦件與第二摩擦件均可以采用圓柱殼狀，參見圖11，第一部件中的第一摩擦件141為圓柱殼狀，在第一摩擦件141的內(nèi)表面接觸設(shè)置圖形化的第一電極層124，在外表面接觸設(shè)置圖形化的第二電極層143 ;第二部件中的第二摩擦件241為圓柱殼狀，在第二摩擦件241的內(nèi)表面接觸設(shè)置圖形化第三電極層242，在外表面接觸設(shè)置圖形化的第四電極層243。第二摩擦件241的內(nèi)徑大于第一摩擦件141的外徑，使第一部件與第二部件形成內(nèi)外套層結(jié)構(gòu)，第二部件相對于第一部件以M點(diǎn)為軸沿著箭頭F方向旋轉(zhuǎn)，使第一摩擦件的部分外表面與第三電極層滑動摩擦、第二摩擦件的部分內(nèi)表面與第二電極層滑動摩擦，在第一電極層142與第三電極層204之間、第二電極層143與第四電極層243之間向外電路輸出交流電信號。
[0100]圖11中摩擦發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，第一部件與第二部件的滑動摩擦并不限定為沿著軸向的旋轉(zhuǎn)，也可以是第一部件相對于第二部件在軸向平行移動，或者第一部件相對于第二部件沿著螺旋上升狀軌跡互相滑動摩擦。
[0101]優(yōu)選的，第二電極層143與第三電極層242為互補(bǔ)的圖形化電極層，更優(yōu)選的，第一電極層142與第二電極層143在第一摩擦件141上的投影圖形互補(bǔ)，第四電極層243與第三電極層242在第二摩擦件241上的投影圖形互補(bǔ)。第二電極層的143的圖形結(jié)構(gòu)與考圖7和圖8中的情況類似，電極層可以有多個(gè)平行排列的電極條組成，或者是由多個(gè)塊狀子電極組成，根據(jù)第一部件與第二部件的滑動方向，電極條或者塊狀子電極的在摩擦件表面的設(shè)置可以做出不同的選擇。例如，若第一部件相對于第二部件為繞第一摩擦件軸線的旋轉(zhuǎn)，在垂直于所述軸線方向無相對滑動，則電極條的長邊(或者塊狀子電極的邊)平行于軸線排列；如果第一部件相對于第二部件為沿著螺旋上升狀軌跡滑動，，則電極條的長邊(或者塊狀子電極的邊)與軸線有一設(shè)定的夾角設(shè)置在第一摩擦件的內(nèi)表面或外表面；若第一部件相對于第二部件為沿著軸線方向的相對滑動，則電極條的長邊(或者塊狀子電極的邊)垂直于軸線排列。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)套層式摩擦發(fā)電機(jī)的具體結(jié)構(gòu)以及滑動模式，選擇合適的電極層圖形，使第一部件與第二部件在滑動摩擦過程中，能夠出現(xiàn)摩擦件與電極層總的接觸面積最大和最小的情況。
[0102]在本發(fā)明的摩擦發(fā)電機(jī)中，還可以在第一部件面向第二部件的全部或部分表面設(shè)置納米粒子修飾層，同樣也可以在第二部件面向第一部件的全部或部分表面設(shè)置納米粒子修飾層。所述納米粒子修飾層可以同時(shí)覆蓋摩擦件的表面與設(shè)置在摩擦件表面的電極層的表面，納米粒子修飾層的材料可以選擇絕緣材料的納米顆粒，例如有機(jī)物納米粒子、S12納米粒子等。納米粒子修飾層的制備可以采用噴涂的方法實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的研究過程中，發(fā)現(xiàn)在第一部件與第二部件的接觸表面上設(shè)置絕緣材料的納米粒子修飾層，不僅不會影響發(fā)電機(jī)的電信號輸出性能，反而能夠在第一部件與第二部件滑動摩擦?xí)r，可以起到潤滑的作用，能夠顯著的降低第一部件與第二部件之間的有效摩擦系數(shù)，從而能夠提高發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)化效率。納米粒子修飾層的厚度優(yōu)選為10納米至100納米。
[0103]下面以一個(gè)具體摩擦發(fā)電機(jī)，介紹本發(fā)明提供的摩擦發(fā)電機(jī)的輸出電流特性、電流密度以及能量轉(zhuǎn)化效率等性能。
[0104]取兩片聚四氟乙烯(PTFE)片，作為第一摩擦件和第二摩擦件，在其上下表面分別制備如圖7所示的Cu電極層，電極層中電極條寬度均為I毫米厚度約為10納米，多個(gè)電極條間距I毫米平行等距排列在第一摩擦件的上、下表面，并且上下表面的電極條互相錯位，摩擦件的上下表面形成互補(bǔ)圖形電極層，然后在上表面噴涂一層約10納米厚度的PTFE納米粒子修飾層，形成發(fā)電機(jī)的片狀第一部件，將下表面的電極層通過導(dǎo)線引出后粘貼在聚丙烯樹脂片上，同樣辦法獲得粘貼在聚丙烯樹脂片上的片狀第二部件。將第一部件固定，第二部件固定在步進(jìn)馬達(dá)上，將兩個(gè)片狀部件面對面設(shè)置，使各自上表面的Cu電極條面對面，并且兩個(gè)部件上的電極條基本平行，步經(jīng)馬達(dá)帶動第二部件在第一部件上以2米/秒的速度滑動摩擦，圖12中顯示了發(fā)電機(jī)的短路輸出電流(圖12A)和開路電壓(圖12B)，可以從圖中看出本發(fā)明的發(fā)電機(jī)可以獲得幅度為2暈安頻率為IK赫茲的類似正旋交流電信號,開路電壓以相同的頻率在O至500V之間變化。制備的發(fā)電機(jī)體積僅有12cm3，重量為140克。在最佳負(fù)載情況下，滑動速度為10米/秒時(shí)，測得平均有效功率為3瓦。本發(fā)電機(jī)的短路電流最大值與兩個(gè)部件的相對滑動速度基本問線性關(guān)系，而開路電壓的最大值基本不隨滑動速度的變化而變化。
[0105]本發(fā)明中，還可以將多個(gè)發(fā)電機(jī)進(jìn)行層疊獲得能夠輸出交流信號的摩擦發(fā)電機(jī)組，每個(gè)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)參見圖4，在第一部件和第二部件的外側(cè)均包括第一基板和第二基板，當(dāng)多個(gè)發(fā)電機(jī)層疊疊加時(shí)，參見圖13，相鄰兩個(gè)發(fā)電機(jī)Gl和G2之間共用一個(gè)基板，基板在這里的作用除了為第一部件或者第二部件提供支撐外，還用于隔離相鄰發(fā)電機(jī)之間的電場影響。除了最上面和最下面的兩個(gè)基板外，每個(gè)基板151的上下表面都各有一個(gè)發(fā)電機(jī)，相當(dāng)于在每個(gè)基板151的上表面是在上發(fā)電機(jī)的第二部件250，下表面是在下發(fā)電機(jī)的第一部件150，以相鄰的發(fā)電機(jī)Gl和G2共用基板151為例，在基板151的上表面為在上發(fā)電機(jī)Gl的第二部件，基板151的下表面為在下發(fā)電機(jī)G2的第一部件。優(yōu)選的，兩個(gè)相鄰的發(fā)電機(jī)中，在上發(fā)電機(jī)的第二部件固定在共用基板的上表面，在下發(fā)電機(jī)的第一部件固定在共用基板的下表面，在上發(fā)電機(jī)的第二部件與在下發(fā)電機(jī)的第一部件能夠跟隨共用基板運(yùn)動。優(yōu)選的，將發(fā)電機(jī)組中的所有基板從上到下排序，按照奇數(shù)基板和偶數(shù)基板分為兩組，其中一組能夠相對于另一組同步運(yùn)動，這樣的運(yùn)動可以通過在基板上連接機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，這樣可以使多個(gè)發(fā)電機(jī)的兩個(gè)部件同步發(fā)生滑動摩擦。優(yōu)選的，可以將所有發(fā)電機(jī)輸出端并聯(lián)，如果所有發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)都相同，能夠獲得并聯(lián)的輸出電信號。
[0106]發(fā)明人制作了高度為4厘米的發(fā)電機(jī)組，奇數(shù)基板與偶數(shù)基板的寬度分別為15厘米和5厘米，堆疊適當(dāng)層數(shù)的發(fā)電機(jī)，可以獲得490KW/m3的能量密度，是現(xiàn)有類似結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)的140至220倍，而且能量轉(zhuǎn)化效率達(dá)到52%至58%?？梢钥闯霰景l(fā)明的發(fā)電機(jī)組極大的提高了發(fā)電機(jī)的能量密度和轉(zhuǎn)化效率，能夠高效的收集人體運(yùn)動、機(jī)械運(yùn)動等產(chǎn)生的能量將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，并將其直接轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢詫?shí)用的電能，而不需要利用儲能裝置先將電能儲存起來進(jìn)行利用。因此，本發(fā)明的摩擦發(fā)電機(jī)以及發(fā)電機(jī)組，可以在安全和監(jiān)控、基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控、便攜式/可穿戴式電子產(chǎn)品、照明設(shè)備、等方面廣泛應(yīng)用。
[0107]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)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(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)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(shí)施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)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(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種產(chǎn)生交流輸出的摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，包括: 第一部件，所述第一部件包括:第一摩擦件、在所述第一摩擦件的相對兩個(gè)表面分別接觸設(shè)置的第一電極層和第二電極層，其中，所述第一電極層和第二電極層為圖形化電極層，并且在所述第一摩擦件上的投影圖形不重合； 第二部件，所述第二部件包括:第二摩擦件、所述第二摩擦件的相對兩個(gè)表面分別接觸設(shè)置的第三電極層和第四電極層，其中，所述第三電極層和第四電極層為圖形化電極層；并且在所述第二摩擦件上的投影圖形不重合； 所述第一部件與第二部件相對設(shè)置，使所述第二電極層與所述第三電極層面對面，所述第一部件相對于第二部件發(fā)生滑動摩擦?xí)r，所述第一電極層與第三電極層之間、第二電極層與第四電極層之間輸出交流電信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述第二電極層與第三電極層的厚度范圍為10納米至10微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述第二電極層與第三電極層的厚度范圍為100納米至I微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述第一摩擦件和/或第二摩擦件的材料選自絕緣體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述第二電極層與第三電極層的圖形相同或者互補(bǔ)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述第一電極層與第二電極層在所述第一摩擦件上的投影圖形互補(bǔ)； 和/或，所述第四電極層與第三電極層在所述第二摩擦件上的投影圖形互補(bǔ)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述第二電極層由多個(gè)長條形電極條平行排列形成，多個(gè)所述電極條互相之間電連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，多個(gè)所述電極條的寬度均相等，所述電極條的寬度與相鄰兩個(gè)電極條之間的距離相等。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述第一摩擦件和/或所述第二摩擦件的厚度與所述電極條的寬度相當(dāng)；所述電極條的寬度范圍為100納米-10厘米。
10.根據(jù)權(quán)利要求7-9任一項(xiàng)所述的摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述滑動摩擦的滑動方向垂直于所述電極條的長度方向。
11.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述第二電極層由多個(gè)塊狀子電極按照棋盤格子圖形排列形成。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述塊狀子電極在所述第一摩擦件上的投影圖形為正方形、長方形或菱形。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，多個(gè)所述塊狀子電極的尺寸和形狀相同。
14.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述第二電極層由周期性的多個(gè)電極扇區(qū)組成，多個(gè)所述扇區(qū)之間電連接。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，每個(gè)所述電極扇區(qū)和兩個(gè)相鄰電極扇區(qū)之間的間隔具有相同的大小和形狀。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述第一摩擦件和第二摩擦件互相接觸的表面為弧面彈頭形或圓錐形，由多個(gè)扇區(qū)形成的弧面彈頭形或圓錐形第二電極層和第三電極層分別接觸設(shè)置在第一摩擦件與第二摩擦件的表面。
17.根據(jù)權(quán)利要求1-16任一項(xiàng)所述的摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述第一摩擦件為片狀結(jié)構(gòu)，所述第一電極層和第二電極層分別接觸設(shè)置于所述第一摩擦件的上表面和下表面； 所述第二摩擦件為片狀結(jié)構(gòu)，所述第三電極層和第四電極層分別接觸設(shè)置于所述第一摩擦件的上表面和下表面。
18.根據(jù)權(quán)利要求1-13任一項(xiàng)所述的摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述第一摩擦件為圓柱殼狀，所述第一電極層和第二電極層分別接觸設(shè)置于所述第一摩擦件的內(nèi)表面和外表面； 所述第二摩擦件為圓柱殼狀，所述第三電極層和第四電極層分別接觸設(shè)置于所述第一摩擦件的外表面和內(nèi)表面； 所述第一部件與第二部件形成套層結(jié)構(gòu)，所述第一部件相對于第二部件發(fā)生滑動摩擦為第一部件相對于第二部件同軸轉(zhuǎn)動，或者沿著第一摩擦件軸線方向滑動，或者沿著螺旋上升狀軌跡互相滑動摩擦。
19.根據(jù)權(quán)利要求1-18任一項(xiàng)所述的摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述第一摩擦件和/或第二摩擦件的材料選自高分子聚合物、非導(dǎo)電性氧化物和復(fù)雜氧化物。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述高分子聚合物選自聚四氟乙烯，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、聚丙烯和聚氯乙烯； 所述非導(dǎo)電性氧化物和復(fù)雜氧化物選自氧化硅、氧化錳、氧化鉻、氧化鐵、氧化銅、氧化鋅、B12 和 Y2O30
21.根據(jù)權(quán)利要求1-20任一項(xiàng)所述的摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述第一摩擦件和/或第二摩擦件的厚度范圍為10納米-1厘米。
22.根據(jù)權(quán)利要求1-21任一項(xiàng)所述的摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述第一摩擦件和/或第二摩擦件為柔性的或者硬性的。
23.根據(jù)權(quán)利要求1-22任一項(xiàng)所述的摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，在所述第一部件面向所述第二部件的全部或部分表面設(shè)置納米粒子修飾層； 和/或，在所述第二部件面向所述第一部件的全部或部分表面設(shè)置納米粒子修飾層。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述納米粒子修飾層中所述納米粒子為有機(jī)物納米粒子或者S12納米粒子。
25.根據(jù)權(quán)利要求1-24任一項(xiàng)所述的摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述第一電極層、第二電極層、第三電極層或第四電極層的材料選自金屬、合金、銦錫氧化物、有機(jī)物導(dǎo)體或摻雜的半導(dǎo)體，其中，金屬，選自金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒以及由2種以上物質(zhì)所形成的合金；有機(jī)物導(dǎo)體選自自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁類化合物、聚苯胺和/或聚噻吩。
26.根據(jù)權(quán)利要求1-25任一項(xiàng)所述的摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述第一電極層、第二電極層為通過沉積方法制備在第一摩擦件相對兩個(gè)表面的電極層；第三電極層、第四電極層為通過沉積方法制備在第二摩擦件兩個(gè)相對表面的電極層。
27.根據(jù)權(quán)利要求1-27任一項(xiàng)所述的摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，在所述第一部件背向第二部件的表面上設(shè)置第一基板；在第二部件背向第一部件的表面上設(shè)置第二基板。
28.一種產(chǎn)生交流輸出的摩擦發(fā)電機(jī)組，其特征在于，包括多個(gè)如權(quán)利要求26所述的摩擦發(fā)電機(jī)，多個(gè)所述摩擦發(fā)電機(jī)層疊在一起，并且相鄰兩個(gè)所述摩擦發(fā)電機(jī)共用第一基板或第二基板。
29.根據(jù)權(quán)利要求1-28任一項(xiàng)所述的摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，將所述發(fā)電機(jī)組中的所有基板從上到下排序，按照奇數(shù)基板和偶數(shù)基板分為兩組，其中一組能夠相對于另一組同步運(yùn)動。
【文檔編號】H02N1/04GK104426417SQ201310390673
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年8月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月30日
【發(fā)明者】朱光, 王中林 申請人:國家納米科學(xué)中心