一種滑動式摩擦納米發(fā)電機(jī)組的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種滑動摩擦納米發(fā)電機(jī)組，包括第一導(dǎo)電元件、與第一導(dǎo)電元件上表面接觸放置的第一摩擦層、第二導(dǎo)電元件、與第二導(dǎo)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；當(dāng)施加的外力使所述第一摩擦單元的上表面與第二摩擦單元的下表面發(fā)生相對滑動摩擦、并且導(dǎo)致二者的摩擦面積發(fā)生變化時(shí)，能夠通過第一導(dǎo)電元件和第二導(dǎo)電元件向外電路輸出電信號。本發(fā)明的摩擦納米發(fā)電機(jī)中，對發(fā)電機(jī)的基板施加周期性的外力時(shí)，可以在第一導(dǎo)電基板和第二導(dǎo)電基板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(shù)，也可用來做傳感技術(shù)。
【專利說明】一種滑動式摩擦納米發(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)組，特別涉及將施加外力的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的滑動式摩擦納米發(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，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(zhì)量較重，而且含有的有毒化學(xué)物質(zhì)對環(huán)境和人體存在潛在的危害。因此，開發(fā)出能將運(yùn)動、振動等自然存在的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)具有極其重要的意義。
[0003]但是，目前能將上述機(jī)械能有效地轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電機(jī)均是以電磁感應(yīng)為基礎(chǔ)的，由水輪機(jī)、汽輪機(jī)、柴油機(jī)或其它動力機(jī)械驅(qū)動，將水流，氣流，燃料燃燒或原子核裂變產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能傳給發(fā)電機(jī)，再由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能加以利用。這些發(fā)電機(jī)都需要相對集中、大強(qiáng)度的能量輸入，而對于人們?nèi)粘；顒又挟a(chǎn)生的以及自然界存在的強(qiáng)度較小的動能，基本都無法將其有效的轉(zhuǎn)化為電能。同時(shí)，傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的體積較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，根本不能作為微型電子器件的供電元件使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題，本發(fā)明提供一種滑動摩擦納米發(fā)電機(jī)組，能夠?qū)⑹┘釉谀Σ良{米發(fā)電機(jī)上的切向外力的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種摩擦納米發(fā)電機(jī)，包括:
[0006]第一導(dǎo)電元件、與第一導(dǎo)電元件上表面接觸放置的第一摩擦層、第二導(dǎo)電元件、與第二導(dǎo)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；當(dāng)施加的外力使所述第一摩擦單元的上表面與第二摩擦單元的下表面發(fā)生相對滑動摩擦、并且導(dǎo)致二者的摩擦面積發(fā)生變化時(shí)，能夠通過第一導(dǎo)電兀件和第二導(dǎo)電兀件向外電路輸出電信號；
[0007]優(yōu)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(yōu)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(dǎo)體材料；
[0009]優(yōu)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；
[0010]優(yōu)選地，所述半導(dǎo)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(dǎo)體和有機(jī)半導(dǎo)體；
[0011]優(yōu)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；
[0012]優(yōu)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(dǎo)電氧化物、半導(dǎo)體氧化物或復(fù)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 ；
[0013]優(yōu)選地，所述第一摩擦單元的上表面為具有負(fù)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。
[0014]優(yōu)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。
[0015]優(yōu)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(jié)構(gòu)；
[0016]優(yōu)選地，所述微結(jié)構(gòu)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)；
[0017]優(yōu)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(diǎn)綴或涂層；
[0018]優(yōu)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(jīng)過化學(xué)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(tuán)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(tuán)；
[0019]優(yōu)選地，所述容易失去電子的官能團(tuán)包括氨基、羥基或烷氧基；
[0020]優(yōu)選地，所述容易得到電子的官能團(tuán)包括?；?、羧基、硝基或磺酸基；
[0021]優(yōu)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(jīng)過化學(xué)改性，使得在所述第一摩擦單元的上表面材料引入負(fù)電荷和/或在所述第二摩擦單元的下表面材料引入正電荷；
[0022]優(yōu)選地，所述化學(xué)改性通過化學(xué)鍵合引入帶電荷基團(tuán)的方式實(shí)現(xiàn)；
[0023]優(yōu)選地，用導(dǎo)電材料替換絕緣材料或半導(dǎo)體材料制備所述第一摩擦單元或第二摩擦單元；
[0024]優(yōu)選地，構(gòu)成所述第一摩擦單元或第二摩擦單元的所述導(dǎo)電材料選自金屬、導(dǎo)電氧化物和導(dǎo)電高分子；
[0025]優(yōu)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；
[0026]優(yōu)選地，所述第一摩擦層中包含至少2個(gè)所述第一摩擦單元和/或所述第二摩擦層中包含至少2個(gè)所述第二摩擦單元；
[0027]優(yōu)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；
[0028]優(yōu)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(yīng)，使得第一摩擦層與第二摩擦層相對放置時(shí)，在外力的作用下每個(gè)第一摩擦單元的上表面至少能與一個(gè)第二摩擦單元的下表面部分接觸；
[0029]優(yōu)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(shí)，在外力的作用下每個(gè)第一摩擦單元的上表面都能與一個(gè)第二摩擦單元的下表面基本完全接觸；
[0030]優(yōu)選地，所述第一導(dǎo)電元件和第二導(dǎo)電元件選自金屬、導(dǎo)電氧化物導(dǎo)電高分子；
[0031]優(yōu)選地，所述第一導(dǎo)電元件和第二導(dǎo)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；
[0032]優(yōu)選地，所述第一導(dǎo)電元件和/或第二導(dǎo)電元件為薄膜或薄片；
[0033]優(yōu)選地，所述第一導(dǎo)電元件和/或第二導(dǎo)電元件為硬質(zhì)的；
[0034]優(yōu)選地，所述第一導(dǎo)電元件和/或第二導(dǎo)電元件為柔性的；
[0035]優(yōu)選地，所述第一摩擦層中還包含第一填充介質(zhì)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(zhì)用于填充除第二摩擦單元以外的空間；
[0036]優(yōu)選地，所述第一填充介質(zhì)和第二填充介質(zhì)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(gòu)成；
[0037]優(yōu)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)；
[0038]優(yōu)選地，所述第一填充介質(zhì)的厚度小于或等于第一摩擦單元的厚度，第二填充介質(zhì)的厚度小于或等于第二摩擦單元的厚度；
[0039]優(yōu)選地，所述第一填充介質(zhì)和/或第二填充介質(zhì)為不導(dǎo)電的固體、不導(dǎo)電的液體、不導(dǎo)電的氣體或真空環(huán)境；
[0040]優(yōu)選地，所述第一摩擦層和/或第二摩擦層為薄膜或薄片；
[0041]優(yōu)選地，所述第一導(dǎo)電元件的外表面和所述第二導(dǎo)電元件的內(nèi)表面均為閉合曲面，且二者同軸，使得分布于所述第一導(dǎo)電元件外表面的所述第一摩擦單元與分布于所述第二導(dǎo)電元件內(nèi)表面的所述第二摩擦單元在有外力施加的情況下，能夠發(fā)生相對滑動摩擦并且摩擦面積能夠發(fā)生變化；
[0042]優(yōu)選地，所述閉合曲面為圓柱面；
[0043]優(yōu)選地，所述第一導(dǎo)電元件為實(shí)心圓柱；
[0044]優(yōu)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(dǎo)電元件同軸的一個(gè)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(dǎo)電元件同軸的另一個(gè)圓柱面，并且在力的作用下，每個(gè)所述第一摩擦單元的上表面均與一個(gè)所述第二單元的下表面至少部分接觸。
[0045]對本發(fā)明的滑動摩擦納米發(fā)電機(jī)組施加周期性的切向外力時(shí)，可以在第一導(dǎo)電元件和第二導(dǎo)電元件之間形成交流脈沖信號輸出。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的滑動摩擦納米發(fā)電機(jī)具有下列優(yōu)點(diǎn):
[0046]1、原理和應(yīng)用上的新突破。本發(fā)明的發(fā)電機(jī)兩基板之間不需要間隙，與兩基板周期性全接觸和全分離的器件在發(fā)電原理上不同，給社會提供了一個(gè)全新的設(shè)計(jì)思路。而且無間隙的設(shè)計(jì)省略了彈性距離保持件的安裝，也為封裝技術(shù)提供了方便，使其能夠應(yīng)用在更為廣闊的領(lǐng)域。
[0047]2、能量的高效利用。本發(fā)明的發(fā)電機(jī)無需大規(guī)模、高強(qiáng)度的能量輸入，僅需輸入的機(jī)械能能夠驅(qū)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?nèi)粘Ｉ钪挟a(chǎn)生的各種強(qiáng)度的機(jī)械能，并將其轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)能量的高效利用；而且,本摩擦納米發(fā)電機(jī)同時(shí)包含多個(gè)發(fā)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(gè)方向，它都可以有功率輸出，這大大提高了發(fā)電機(jī)的效率。
[0048]3、結(jié)構(gòu)簡單、輕巧便攜和高度兼容。本發(fā)明的發(fā)電機(jī)無需磁鐵、線圈、轉(zhuǎn)子等部件，結(jié)構(gòu)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基板和第二基板產(chǎn)生相對滑動的器件上，無需特殊的工作環(huán)境，因此具有很高的兼容性。
[0049]4、用途廣泛。通過對發(fā)電機(jī)中第一基板的上表面和第二基板的下表面表面進(jìn)行物理改性或化學(xué)改性，引入納米結(jié)構(gòu)圖案或涂納米材料等，還可以進(jìn)一步提高摩擦納米發(fā)電機(jī)在切向外力作用下兩基片接觸并相對滑動時(shí)產(chǎn)生的接觸電荷密度，從而提高發(fā)電機(jī)的輸出能力。因此，本發(fā)明的發(fā)電機(jī)不僅能作為小型功率源，同時(shí)也可用于大功率發(fā)電。此外，本發(fā)明的摩擦納米發(fā)電機(jī)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(shè)備使用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0050]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。
[0051]圖1為本發(fā)明的摩擦納米發(fā)電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)示意圖；
[0052]圖2為本發(fā)明的摩擦納米發(fā)電機(jī)的發(fā)電原理的剖面示意圖；
[0053]圖3為本發(fā)明第一摩擦單元和第二摩擦單元的條形設(shè)計(jì)方案；
[0054]圖4為本發(fā)明第一摩擦單元和第二摩擦單元的棋盤形設(shè)計(jì)方案；
[0055]圖5為本發(fā)明包含填充介質(zhì)的第一摩擦單元和第二摩擦單元的條形設(shè)計(jì)方案；
[0056]圖6為本發(fā)明包含填充介質(zhì)的第一摩擦單元和第二摩擦單元的棋盤形設(shè)計(jì)方案；
[0057]圖7為本發(fā)明發(fā)電機(jī)的另一種典型結(jié)構(gòu)示意圖；
[0058]圖8為本發(fā)明發(fā)電機(jī)的另一種典型結(jié)構(gòu)示意圖；
[0059]圖9為本發(fā)明發(fā)電機(jī)的另一種典型結(jié)構(gòu)示意圖；
[0060]圖10為本發(fā)明發(fā)電機(jī)的另一種典型結(jié)構(gòu)示意圖；[0061]圖11為本發(fā)明發(fā)電機(jī)的另一種典型結(jié)構(gòu)示意圖；
[0062]圖12為本發(fā)明實(shí)施例中摩擦納米發(fā)電機(jī)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(shí)施方式】
[0063]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。基于本發(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。
[0064]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。
[0065]本發(fā)明提供一種將運(yùn)動、振動等自然存在的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的結(jié)構(gòu)簡單的摩擦納米發(fā)電機(jī)，能夠?yàn)槲⑿碗娮悠骷峁┢ヅ涞碾娫?。本發(fā)明的摩擦納米發(fā)電機(jī)利用了在摩擦電極序中的極性存在差異的材料接觸時(shí)產(chǎn)生表面電荷轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，將外力的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。
[0066]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(jìn)行的排序，兩種材料在相互接觸摩擦的瞬間，在摩擦面上負(fù)電荷從摩擦電極序中極性較正的材料表面轉(zhuǎn)移至摩擦電極序中極性較負(fù)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摩擦面上的轉(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。
[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摩擦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。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(zhì)的厚度是指由填充介質(zhì)下表面到上表面的垂直距離。
[0069]本發(fā)明的摩擦納米發(fā)電機(jī)的一種典型基本結(jié)構(gòu)，參見圖1，包括:第一導(dǎo)電元件
11、所述第一導(dǎo)電原件11上表面上設(shè)置的若干第一摩擦單元101，這些摩擦單元構(gòu)成了第一摩擦層10 ;第二導(dǎo)電元件21、所述第二導(dǎo)電元件21下表面設(shè)置的若干第二摩擦單元201，這些摩擦單元構(gòu)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(dāng)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(fā)生相對滑動摩擦、并且導(dǎo)致二者的摩擦面積發(fā)生變化時(shí)，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(dǎo)電元件11和第二導(dǎo)電元件21向外電路輸出電信號。
[0070]為了方便說明，以下將結(jié)合圖1的典型結(jié)構(gòu)來描述本發(fā)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(nèi)容并不僅局限于圖1所示的實(shí)施例，而是可以用于本發(fā)明所公開的所有技術(shù)方案。
[0071]本發(fā)明的摩擦納米發(fā)電機(jī)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(fā)生滑動摩擦，由于構(gòu)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(fā)二者的表面電荷轉(zhuǎn)移。
[0072]參見圖2 (b)，為了屏蔽由于錯(cuò)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(chǎn)生的表面電荷所形成的電場，第一導(dǎo)電元件11中的自由電子就會通過外電路流到第二導(dǎo)電元件21，產(chǎn)生一瞬時(shí)電流。
[0073]參見圖2 (C)，當(dāng)外力反方向時(shí)，第一摩擦單元101和第二摩擦單元201的相對滑動錯(cuò)位消失，兩導(dǎo)電元件恢復(fù)原狀，第二導(dǎo)電元件21中的電子流回第一導(dǎo)電元件11，從而給出一相反方向的電流。
[0074]雖然摩擦起電的現(xiàn)象早已被人們所認(rèn)識，本領(lǐng)域?qū)δ軌虬l(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(jìn)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(lǐng)域的技術(shù)人員能夠清楚地認(rèn)識到滑動摩擦納米發(fā)電機(jī)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(fā)明中所有技術(shù)方案的各部件材料的可選擇范圍，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以根據(jù)實(shí)際需要來作具體選擇，從而達(dá)到調(diào)控發(fā)電機(jī)輸出性能的目的。
[0075]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(fā)生摩擦的過程中能夠在表面產(chǎn)生接觸電荷。常規(guī)的絕緣材料都具有摩擦電特性，均可以作為制備本發(fā)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并按照摩擦電極序由正極性到負(fù)極性排序:苯胺甲醛樹脂、聚甲醛、乙基纖維素、聚酰胺U、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、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(jìn)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(fā)明保護(hù)范圍的限制性因素，因?yàn)樵诎l(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。
[0076]相對于絕緣體，半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(tài)半導(dǎo)體外，還有非晶態(tài)的玻璃半導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體等。非導(dǎo)電性氧化物、半導(dǎo)體氧化物和復(fù)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(dāng)然，還可以使用其他具有導(dǎo)電特性的材料充當(dāng)容易失去電子的基板材料，例如銦錫氧化物ΙΤ0。
[0077]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)谝荒Σ羻卧?01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(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單元101和第二摩擦單元201，以獲得更好的輸出效果。
[0078]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(jìn)行物理改性，使其表面分布有微米或次微米量級的微結(jié)構(gòu)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(xué)刻蝕和離子體刻蝕等。也可以通過納米材料的點(diǎn)綴或涂層的方式來實(shí)現(xiàn)該目的。
[0079]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(jìn)行化學(xué)改性，能夠進(jìn)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(jī)的輸出功率?；瘜W(xué)改性又分為如下兩種類型:
[0080]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(tuán)(即強(qiáng)給電子基團(tuán))，或者在極性為負(fù)的材料表面引入更易得電子的官能團(tuán)(強(qiáng)吸電子基團(tuán))，都能夠進(jìn)一步提高電荷在相互滑動時(shí)的轉(zhuǎn)移量，從而提高摩擦電荷密度和發(fā)電機(jī)的輸出功率。強(qiáng)給電子基團(tuán)包括:氨基、羥基、烷氧基等；強(qiáng)吸電子基團(tuán)包括:?；Ⅳ然?、硝基、磺酸基等。官能團(tuán)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?dú)獾幕旌蠚庠谝欢üβ氏庐a(chǎn)生等離子體，從而在基板材料表面引入氨基。
[0081]另外一種方法是在極性為正的基板材料表面引入正電荷，而在極性為負(fù)的基板材料表面引入負(fù)電荷。具體可以通過化學(xué)鍵合的方式實(shí)現(xiàn)。例如，可以在聚二甲基硅氧烷(英文簡寫為PDMS)基板表面利用水解-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(fù)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(gè)基板變成帶正電性。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)基板材料的得失電子性質(zhì)和表面化學(xué)鍵的種類，選擇合適的修飾材料與其鍵合，以達(dá)到本發(fā)明的目的，因此這樣的變形都在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0082]本發(fā)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(zhì)材料，也可以選擇柔性材料，因?yàn)椴牧系挠捕炔⒉挥绊懚咧g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。第一摩擦單元101和第二摩擦單元201的厚度對本發(fā)明的實(shí)施沒有顯著影響，只是在設(shè)置的過程中需要綜合考慮摩擦單元強(qiáng)度與發(fā)電效率等因素。本發(fā)明優(yōu)選摩擦層為薄層，厚度為50nm-2cm,優(yōu)選IOOnm-1cm,更優(yōu)選I μ m-5mm,更優(yōu)選10 μ 這些厚度對本發(fā)明中所有的技術(shù)方案都適用。
[0083]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(xì)條狀間隔排列在第一導(dǎo)電原件11的上表面，構(gòu)成了不連續(xù)的第一摩擦層10 ;第二摩擦單元201在第二導(dǎo)電元件21的下表面也呈相同的細(xì)條狀間隔排列，構(gòu)成了同樣不連續(xù)的第二摩擦層20 ；由此，當(dāng)?shù)谝荒Σ翆?0和第二摩擦層20相對放置時(shí)，能保證每個(gè)第一摩擦單元101都至少與一個(gè)第二摩擦單元201部分接觸。當(dāng)對發(fā)電機(jī)施加能使第一摩擦單元101和第二摩擦單元201之間發(fā)生相對滑動、并且二者的接觸面積發(fā)生改變的力時(shí)，發(fā)電機(jī)能夠工作，向外電路輸出信號。如果能精確控制每個(gè)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(shí)現(xiàn)完全接觸，滑動摩擦引起的錯(cuò)位/失配的面積達(dá)到最大，這樣在摩擦過程中產(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每個(gè)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(gè)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(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。
[0084]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(gè)導(dǎo)電元件的表面，并且二者以相同的方式排布使得第一摩擦層10和第二摩擦層20相對放置時(shí)，每個(gè)第一摩擦單元101至少和一個(gè)第二摩擦單元201部分接觸，如果能精確控制每個(gè)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(shí)現(xiàn)完全接觸，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，則盡量保證大部分的第一摩擦單元101都能與一個(gè)第二摩擦單元201至少部分接觸，這樣就能夠使二者在發(fā)生滑動摩擦的過程中接觸面積發(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，只要能使第一摩擦層10和第二摩擦層20之間發(fā)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(fā)明的發(fā)電機(jī)對驅(qū)動源的適應(yīng)范圍有很大擴(kuò)展。
[0085]雖然圖3和圖4所示的實(shí)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(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識到這些并不是本發(fā)明的發(fā)電機(jī)能夠正常工作的必要條件，因?yàn)橹灰軌蚴挂恍┑谝荒Σ羻卧?01和第二摩擦單元201在滑動摩擦的過程中摩擦面積發(fā)生變化，就能夠使本發(fā)明的發(fā)電機(jī)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101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(gè)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(shí)在尺寸上滿足能夠在滑動的過程中摩擦面積發(fā)生變化即可。因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員完全可以根據(jù)實(shí)際需要來設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)都是在本發(fā)明所公開的原理下指導(dǎo)完成的，應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0086]第一導(dǎo)電元件11和第二導(dǎo)電元件21作為發(fā)電機(jī)的兩個(gè)電極，只要具備能夠?qū)щ姷奶匦约纯?，可選自金屬或?qū)щ娧趸?，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)選金屬薄膜，例如鋁膜、金膜、銅膜；常用的導(dǎo)電氧化物包括銦錫氧化物ITO和離子摻雜型的半導(dǎo)體。電極層最好與相應(yīng)的摩擦單元表面緊密接觸，以保證電荷的傳輸效率；導(dǎo)電材料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，也可以直接利用金屬板作為導(dǎo)電元件。導(dǎo)電元件并不必須限定是硬質(zhì)的，也可以是柔性的，因?yàn)槿嵝詫?dǎo)電元件同樣可以起到對摩擦層的支撐和導(dǎo)電作用。
[0087]導(dǎo)電元件可以是薄膜或薄層，厚度的可選范圍為10nm-5mm,優(yōu)選為50nm-lmm,優(yōu)選為 100nm-500 μ m,優(yōu)選為 500nm_200 μ m,優(yōu)選為 I μ m_100 μ m。
[0088]第一導(dǎo)電元件11和第二導(dǎo)電元件21與外電路連接的方式可以是通過導(dǎo)線或金屬薄膜與外電路連接。
[0089]圖5和圖6是本發(fā)明摩擦納米發(fā)電機(jī)的另一種典型結(jié)構(gòu)示意圖，其主要結(jié)構(gòu)分別與圖3和圖4所示的實(shí)施例相同，區(qū)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(zhì)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(zhì)202，第一填充介質(zhì)102和第二填充介質(zhì)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(fā)生電荷轉(zhuǎn)移。第一填充介質(zhì)102和第二填充介質(zhì)202的加入使得第一摩擦層10和第二摩擦層20的機(jī)械強(qiáng)度大大增強(qiáng)，從而使本發(fā)明的發(fā)電機(jī)能夠用于更為廣泛的領(lǐng)域，并具有更長的壽命。
[0090]第一填充介質(zhì)102和第二填充介質(zhì)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)。
[0091]顯然，如果發(fā)電機(jī)在使用的過程中需要液體、氣體或真空環(huán)境，上述第一填充介質(zhì)102和第二填充介質(zhì)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(zhì)的材料應(yīng)該在摩擦過程中不容易發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移。
[0092]第一填充介質(zhì)102和第二填充介質(zhì)202的形狀以滿足對摩擦層強(qiáng)度的要求為基本原則，具體可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。圖7是第一摩擦層10和第二摩擦層20中均設(shè)有填充介質(zhì)的情況，并且所述填充介質(zhì)的高度均低于相應(yīng)的摩擦單元，這種設(shè)置方式能夠在保證發(fā)電機(jī)工作效率的同時(shí)，有效改善摩擦層的強(qiáng)度。也可以只在一個(gè)摩擦層中設(shè)置填充層，例如圖8和圖9所示的情況。其中圖9所示的第二填充介質(zhì)202與第二摩擦單元201的高度基本相同，這種情況適用于構(gòu)成第二摩擦單元201的材料本身強(qiáng)度較小的情況。由于第二填充介質(zhì)202是由具有相對中性摩擦電特性的材料構(gòu)成的，因此即便在滑動的過程中與第一摩擦單元101之間發(fā)生摩擦，但是由于其不易發(fā)生電荷的特性，使得這種摩擦不會對發(fā)電機(jī)的整體效率產(chǎn)生明顯影響。
[0093]圖10是本發(fā)明另一種典型的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。在該實(shí)施例中第一導(dǎo)電元件11和第二導(dǎo)電元件21為柔性薄片，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(dǎo)電元件11的外表面，而第二摩擦單元201位于第二導(dǎo)電元件21的內(nèi)表面，并且與第一摩擦單元101相對布置。當(dāng)施加的外力F使第二導(dǎo)電元件21帶動第二摩擦單元201與第一摩擦單元101發(fā)生相對轉(zhuǎn)動時(shí)，第一摩擦單元101與第二摩擦單元201之間能夠發(fā)生滑動摩擦，從而使發(fā)電機(jī)工作。
[0094]圖11是在圖10所示實(shí)施例的基礎(chǔ)上將第一導(dǎo)電元件11改為實(shí)心圓柱，這種結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提高了發(fā)電機(jī)的整體強(qiáng)度，擴(kuò)展了其應(yīng)用范圍。
[0095]對于圖10和圖11所示的發(fā)電機(jī)，進(jìn)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(dǎo)電元件11同軸的一個(gè)圓柱面，而所有第二摩擦單元201的下表面均屬于與第一導(dǎo)電元件11同軸的另一個(gè)圓柱面，并且在力的作用下每一個(gè)第一摩擦單元101的上表面均與一個(gè)第二摩擦單元201的下表面至少部分接觸。該設(shè)計(jì)使得第一摩擦單元101和第二摩擦單元201只要沿一個(gè)方向相對滑動，而不必改變力的方向，就可以使發(fā)電機(jī)連續(xù)工作。
[0096]圖1-9中的設(shè)計(jì)都可以做出封閉的圓筒形結(jié)構(gòu)來根據(jù)圖10和圖11中的設(shè)計(jì)做成圓柱形旋轉(zhuǎn)摩擦發(fā)電機(jī)。為了提高發(fā)電機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度、延長其使用壽命，可以在圖10和11所示的發(fā)電機(jī)中使用填充介質(zhì)，具體的填充方式可參照圖7-9所示的實(shí)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(zhì)102和第二填充介質(zhì)202，并且所述填充介質(zhì)的厚度可以小于或等于相應(yīng)摩擦單元的厚度。填充介質(zhì)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(shè)計(jì)和由此衍生出的各種設(shè)計(jì)都包括在該專利的保護(hù)范圍。
[0097]實(shí)施例1
[0098]第一導(dǎo)電兀件米用厚度為Imm,尺寸為5cmX6cm的金屬銅薄片,第二導(dǎo)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(fù)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，同樣以0.5cm的間隔分布在招片上。
[0099]在金屬鋁薄片和金屬銅薄片上引出導(dǎo)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(jié)構(gòu)的縱向方向進(jìn)行往復(fù)滑動時(shí)，聚對苯二甲酸乙二酯條和聚四氟乙烯條之間產(chǎn)生滑動摩擦,并且摩擦面積發(fā)生周期性變化,從而促使摩擦納米發(fā)電機(jī)工作,所產(chǎn)生的短路電流輸出圖見圖12。
[0100]實(shí)施例2
[0101]本實(shí)施例與實(shí)施例1基本相同，區(qū)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(zhuǎn)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(jīng)過熱氫氧化鉀的化學(xué)刻蝕，在窗口處形成金字塔形的凹陷結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(yīng)的方式布置在第二導(dǎo)電元件的表面。當(dāng)硅片與PDMS兩種材料在外力作用下接觸并發(fā)生相對滑動時(shí)，由于PDMS具有較好的彈性，其能夠進(jìn)入并填充硅片表面的凹陷結(jié)構(gòu)，較水平面接觸增大了接觸面積，因此能夠改善發(fā)電機(jī)的輸出性能。
[0102]實(shí)施例3
[0103]本實(shí)施例與實(shí)施例2基本相同，區(qū)別僅在于在PDMS表面進(jìn)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(jī)中，對沉積有金的一面進(jìn)行刻蝕，通入02、Ar和CF4氣體，流量分別控制在lOsccm、15sccm和30sccm，壓強(qiáng)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(jìn)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(jié)構(gòu)的PDMS薄膜與硅片的接觸面積進(jìn)一步增加，發(fā)電機(jī)的輸出性能被進(jìn)一步改善。[0104]實(shí)施例4
[0105]第一導(dǎo)電元件采用厚度為2mm的金屬銅薄膜層，第二導(dǎo)電元件采用厚度為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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(fā)電機(jī)反復(fù)施加不同方向的力使聚酰亞胺圓片與鋁片發(fā)生周期性相對滑動，本發(fā)明的發(fā)電機(jī)均有電信號輸出。
[0106]由于聚酰亞胺在摩擦電極序中具有極負(fù)的極性，而金屬鋁在電極序中的極性較正，本實(shí)施例的材料組合有利于提高摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出。
[0107]實(shí)施例5
[0108]以厚度為100 μ m金屬銅薄膜為第一導(dǎo)電元件，通過光刻掩膜的方法在其表面形成預(yù)設(shè)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(dǎo)體加工工藝中的甩膜技術(shù)在上述制得的器件上均勻甩上一層聚丙烯腈進(jìn)行填充，然后對填充材料進(jìn)行如加熱或曝光等處理，待其機(jī)械強(qiáng)度達(dá)到要求范圍后，利用等離子體干法刻蝕技術(shù)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(dāng)?shù)母叨燃纯尚纬伤璧谝荒Σ翆?。以厚度?00 μ m的金屬鋁片為第二導(dǎo)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(yīng)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(jīng)甩膜、刻蝕等過程用聚丙烯腈對其進(jìn)行填充，從而形成連續(xù)的第二摩擦層。最后，在金屬銅層和金屬鋁層上引出導(dǎo)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(fā)明的發(fā)電機(jī)制備。在外力的作用下，第一摩擦層和第二摩擦層發(fā)生相對滑動，并向外電路輸出電信號。
[0109]本實(shí)施例中使用了填充層對發(fā)電機(jī)的摩擦層進(jìn)行封裝，能夠顯著增強(qiáng)摩擦單元的機(jī)械強(qiáng)度、延長發(fā)電機(jī)的工作壽命。
[0110]本發(fā)明的摩擦納米發(fā)電機(jī)可以利用平動動能使發(fā)電機(jī)產(chǎn)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(fā)電機(jī)。另外，本發(fā)明的摩擦納米發(fā)電機(jī)制備方法簡便、制備成本低廉，是一種應(yīng)用范圍廣泛的摩擦納米發(fā)電機(jī)和發(fā)電機(jī)組。
[0111]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】
1.一種滑動式摩擦納米發(fā)電機(jī)組，其特征在于包括: 第一導(dǎo)電兀件， 與第一導(dǎo)電元件上表面接觸放置的第一摩擦層， 第二導(dǎo)電元件， 與第二導(dǎo)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； 當(dāng)施加的外力使所述第一摩擦單元的上表面與第二摩擦單元的下表面發(fā)生相對滑動摩擦、并且導(dǎo)致二者的摩擦面積發(fā)生變化時(shí)，能夠通過第一導(dǎo)電元件和第二導(dǎo)電元件向外電路輸出電信號。
2.如權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)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(quán)利要求1或2所述的發(fā)電機(jī)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(dǎo)體材料。
4.如權(quán)利要求3所述的發(fā)電機(jī)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。
5.如權(quán)利要求3所述的發(fā)電機(jī)組，其特征在于，所述半導(dǎo)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(dǎo)體和有機(jī)半導(dǎo)體。
6.如權(quán)利要求5所述的發(fā)電機(jī)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。
7.如權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)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(dǎo)電氧化物、半導(dǎo)體氧化物或復(fù)雜氧化物，包括氧化硅、氧化招，氧化猛、氧化鉻、氧化鐵、氧化鈦、氧化銅、氧化鋅、BiO2和Y2O3。
8.如權(quán)利要求1或2所述的發(fā)電機(jī)組，其特征在于，所述第一摩擦單元的上表面為具有負(fù)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。
9.如權(quán)利要求1、2或8所述的發(fā)電機(jī)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、聚甲醒、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。
10.如權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)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(jié)構(gòu)。
11.如權(quán)利要求10所述的發(fā)電機(jī)組，其特征在于，所述微結(jié)構(gòu)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)。
12.如權(quán)利要求1-11任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)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(diǎn)綴或涂層。
13.如權(quán)利要求1-12任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)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(jīng)過化學(xué)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(tuán)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(tuán)。
14.如權(quán)利要求13所述的發(fā)電機(jī)組，其特征在于，所述容易失去電子的官能團(tuán)包括氨基、羥基或烷氧基。
15.如權(quán)利要求13所述的發(fā)電機(jī)組，其特征在于，所述容易得到電子的官能團(tuán)包括?；Ⅳ然?、硝基或磺酸基。
16.如權(quán)利要求1-15任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)組,其特征在于,所述第一摩擦單兀的上表面和/或第二摩擦單元的下表面經(jīng)過化學(xué)改性，使得在所述第一摩擦單元的上表面材料引入負(fù)電荷和/或在所述第二摩擦單元的下表面材料引入正電荷。
17.如權(quán)利要求16所述的發(fā)電機(jī)組，其特征在于，所述化學(xué)改性通過化學(xué)鍵合引入帶電荷基團(tuán)的方式實(shí)現(xiàn)。
18.如權(quán)利要求1-17任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)組，其特征在于，用導(dǎo)電材料替換絕緣材料或半導(dǎo)體材料制備所述第一摩擦單元或第二摩擦單元。
19.如權(quán)利要求18所述的發(fā)電機(jī)組，其特征在于構(gòu)成所述第一摩擦單元或第二摩擦單元的所述導(dǎo)電材料選自金屬、導(dǎo)電氧化物和導(dǎo)電高分子。
20.如權(quán)利要求19任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)組，其特征在于其所述金屬選自金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒，以及由上述金屬形成的合金。
21.如權(quán)利要求1-20任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)組，其特征在于所述第一摩擦層中包含至少2個(gè)所述第一摩擦單元和/或所述第二摩擦層中包含至少2個(gè)所述第二摩擦單元。
22.如權(quán)利要求21所述的發(fā)電機(jī)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。
23.如權(quán)利要求21或22所述的發(fā)電機(jī)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(yīng)，使得第一摩擦層與第二摩擦層相對放置時(shí)，在外力的作用下每個(gè)第一摩擦單元的上表面至少能與一個(gè)第二摩擦單元的下表面部分接觸。
24.如權(quán)利要求23所述的發(fā)電機(jī)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(shí)，在外力的作用下每個(gè)第一摩擦單元的上表面都能與一個(gè)第二摩擦單元的下表面基本完全接觸。
25.如權(quán)利要求1-24任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)組,其特征在于所述第一導(dǎo)電兀件和第二導(dǎo)電元件選自金屬、導(dǎo)電氧化物和導(dǎo)電高分子。
26.如權(quán)利要求25所述的發(fā)電機(jī)組,其特征在于所述第一導(dǎo)電兀件和第二導(dǎo)電兀件選自金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒，以及由上述金屬形成的合金。
27.如權(quán)利要求1-26任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)組,其特征在于所述第一導(dǎo)電兀件和/或第二導(dǎo)電元件為薄膜或薄片。
28.如權(quán)利要求1-27任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)組，其特征在于所述第一導(dǎo)電元件和/或第二導(dǎo)電元件為硬質(zhì)的。
29.如權(quán)利要求1-27任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)組，其特征在于所述第一導(dǎo)電元件和/或第二導(dǎo)電元件為柔性的。
30.如權(quán)利要求1-29任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)組，其特征在于所述第一摩擦層中還包含第一填充介質(zhì)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(zhì)用于填充除第二摩擦單元以外的空間。
31.如權(quán)利要求30所述的發(fā)電機(jī)組，其特征在于所述第一填充介質(zhì)和第二填充介質(zhì)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(gòu)成。
32.如權(quán)利要求31所述的發(fā)電機(jī)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)。
33.如權(quán)利要求30-32任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)組，其特征在于所述第一填充介質(zhì)的厚度小于或等于第一摩擦單元的厚度，第二填充介質(zhì)的厚度小于或等于第二摩擦單元的厚度。
34.如權(quán)利要求30-33任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)組，其特征在于所述第一填充介質(zhì)和/或第二填充介質(zhì)為不導(dǎo)電的固體、不導(dǎo)電的液體、不導(dǎo)電的氣體或真空環(huán)境。
35.如權(quán)利要求1-34任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)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。
36.如權(quán)利要求1-35任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)組,其特征在于所述第一導(dǎo)電兀件的外表面和所述第二導(dǎo)電元件的內(nèi)表面均為閉合曲面，且二者同軸，使得分布于所述第一導(dǎo)電元件外表面的所述第一摩擦單元與分布于所述第二導(dǎo)電元件內(nèi)表面的所述第二摩擦單元在有外力施加的情況下，能夠發(fā)生相對滑動摩擦并且摩擦面積能夠發(fā)生變化。
37.如權(quán)利要求36所述的發(fā)電機(jī)組，其特征在于所述閉合曲面為圓柱面。
38.如權(quán)利要求37所述的發(fā)電機(jī)組，其特征在于所述第一導(dǎo)電元件為實(shí)心圓柱。
39.如權(quán)利要求36-38任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)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(dǎo)電元件同軸的一個(gè)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(dǎo)電元件同軸的另一個(gè)圓柱面，并且在力的作用下，每個(gè)所述第一摩擦單元的上表面均與一個(gè)所述第 二單元的下表面至少部分接觸。
【文檔編號】H02N1/04GK103780122SQ201310042128
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年2月1日 優(yōu)先權(quán)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(xué)中心