一種基於滑動摩擦的脈衝發電機和發電方法

2023-06-25 16:43:21

一種基於滑動摩擦的脈衝發電機和發電方法
【專利摘要】本發明提供一種基於滑動摩擦的脈衝發電機和發電方法，發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發生滑動摩擦並且接觸面積改變後，通過接觸式開關閉合使第一電極層與第二電極層導通，發電機輸出脈衝電信號後接觸式開關斷開；然後，第一摩擦層的下表面與第二摩擦層的上表面繼續滑動摩擦，直至通過接觸式開關再次閉合使第一電極層與第二電極層再次導通，發電機輸出脈衝電信號後接觸式開關再次斷開，如此反覆，將施加在發電機上的轉動、振動等機械能轉變為脈衝電信號輸出。
【專利說明】一種基於滑動摩擦的脈衝發電機和發電方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種發電機，特別是涉及將機械能轉化為瞬時高功率電脈衝的基於滑動摩擦的脈衝發電機和發電方法。
【背景技術】
[0002]滑動、震動、轉動等機械能是廣泛存在的能量形式。目前，機械能轉化為電能的發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，已經發明的靜電感應發電機，存在體積大、適用性窄等缺點，電磁感應發電機和壓電發電機則普遍存在結構複雜，對材料有特殊要求和成本較高等缺陷。摩擦發電機是最近發明的一種新型的將機械能轉化為電能的方式。但是，摩擦發電機存在輸出電流和輸出功率小的缺點，不能將環境中普遍存在的機械能轉變為可以有效利用的電能。

【發明內容】

[0003]本發明涉及一種利用滑動摩擦進行發電的裝置，發電機能夠將轉動、振動等機械能轉化為瞬時大功率的電學脈衝，能夠為電子器件提供大功率脈衝電源。
[0004]為實現上述目的，本方法提供一種轉動式脈衝摩擦發電機，包括:
[0005]第一摩擦層；所述第一摩擦層上表面接觸設置的第一電極層；
[0006]第二摩擦層；所述第二摩擦層下表面接觸設置的第二電極層；所述第一摩擦層的下表面與所述第二摩擦層的上表面相對放置；
[0007]接觸式開關，所述接觸式開關包括撞針和距離固定的多個對撞針，其中，所述撞針與所述第一電極層連通，並且能夠跟隨所述第一電極層運動；所有所述對撞針都與所述第二電極層連通，並且能夠跟隨所述第二電極層運動；當所述撞針與任何一個所述對撞針接觸時，所述接觸式開關閉合；
[0008]所述第一摩擦層的上表面和所述第二摩擦層的下表面在外力的作用下發生相對滑動摩擦、同時摩擦面積發生變化，帶動所述撞針與所述對撞針接觸時，所述第一電極層和第二電極層之間輸出脈衝電信號。
[0009]優選的，在所述外力作用下所述第一摩擦層相對於所述第二摩擦層的滑動方向沿著接觸面的切向滑動。
[0010]優選的，在所述滑動方向上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並且產生摩擦的最大滑動距離不小於所述撞針依次與兩個所述對撞針接觸時所述撞針移動的距離。
[0011]優選的，一個所述撞針固定在所述第一電極層上；多個所述對撞針固定在所述第二電極層上。
[0012]優選的，在所述外力作用下所述第一摩擦層相對於所述第二摩擦層轉動。
[0013]優選的，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面積最大和最小時，所述撞針分別與一個所述對撞針接觸。[0014]優選的，所述第一摩擦層的下表面為扇形；和/或，所述第二摩擦層的上表面為扇形，並且所述第一摩擦層的下表面與第二摩擦層的上表面面積和形狀均相同。
[0015]優選的，所述第一扇形和/或第二扇形的圓心角不大於180度。
[0016]優選的，所述第一摩擦層的下表面和/或第二摩擦層的上表面由多個由空白區域間隔的扇形摩擦單元組成。
[0017]優選的，組成所述第一摩擦層下表面和/或第二摩擦層的上表面的多個扇形摩擦單元的圓心角相同且通過共用頂點互相連通；所述多個扇形摩擦單元與所述空白區域在一個平面或曲面內交替均勻分布。
[0018]優選的，在所述第一電極層上還包括第一轉盤，所述接觸式開關的撞針固定在所述第一轉盤的邊緣，使所述撞針在所述第一轉盤上的位置與第一摩擦層一個扇形弧邊的中間位置對應。
[0019]優選的，在所述第二電極層下還包括第二轉盤，所述接觸式開關的多個對撞針對稱的固定在所述第二轉盤的邊緣，其中，多個對撞針中一半固定在第二轉盤上的位置與第二摩擦層兩個扇形弧邊的中間位置對應。
[0020]優選的，所述第一轉盤和所述第二轉盤能夠同軸轉動，在所述第一轉盤與第二轉盤上設置有相同個數、相同形狀、相同尺寸的所述扇形摩擦單元。
[0021]優選的，所述接觸式開關中包括的對撞針的個數兩倍於構成第一摩擦層的摩擦單元的個數。
[0022]優選的，構成所述第一摩擦層的多個摩擦單元相應的第一電極層互相不連通，所述接觸式開關中包括所述撞針的個數等於構成所述第一摩擦層的摩擦單元的個數。
[0023]優選的，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。
[0024]優選的，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、聚醯胺尼龍11、聚醯胺尼龍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、聚醯亞胺、聚氯乙烯、聚二甲基矽氧烷、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯和派瑞林等。
[0025]優選的，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, HgTe0
[0026]優選的，所述第一摩擦層的下表面和/或所述第二摩擦層的上表面的全部或部分表面具有納米或微米尺度的結構修飾或者納米材料的點綴或塗層，其中，所述納米或微米尺度的結構選自納米線、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。[0027]優選的,所述第一電極層或第二電極層的材料選自金屬或合金；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、不鏽鋼。
[0028]優選的，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，使得在轉動時，所述第一摩擦層下表面與所述第二摩擦層上表面完全接觸。
[0029]優選的，所述接觸式開關的撞針和對撞針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、不鏽鋼。
[0030]優選的，所述撞針和/或對撞針為彈性的導電材料。
[0031]優選的，所述第一轉盤為導電材料，所述第一轉盤替代所述第一電極層；
[0032]和/或，所述第二轉盤為導電材料，所述第二轉盤替代所述第二電極層。
[0033]優選的，所述第一摩擦層、第二摩擦層、第一電極層和/或第二電極層為柔性或彈性材料。
[0034]相應的，本發明還提供一種發電方法，包括步驟:
[0035]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；
[0036]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；
[0037]第一摩擦層的下表面與第二摩擦層的上表面滑動摩擦並且接觸面積發生變化後，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衝電信號後第一電極層與第二電極層斷開；
[0038]第一摩擦層的下表面與第二摩擦層的上表面繼續相對滑動，直至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衝電信號後第一電極層與第二電極層再次斷開；
[0039]重複上述第一摩擦層的下表面與第二摩擦層的上表面相對滑動的步驟。
[0040]與現有技術相比，本發明具有下列有益效果:
[0041]1、在使用相同的第一摩擦層和第二摩擦層材料的情況下，由於接觸式開關的接入，可以極大地提高輸出電流和輸出功率，擴展了摩擦發電機在大電流、大功率方面的應用。
[0042]2、由多個扇形摩擦單元構成兩個摩擦層的情況下，兩個摩擦層相對高速轉動，發電機可以輸出高頻的脈衝電信號。
[0043]3、可以用電極層直接作為一個摩擦層材料，簡化發電機的結構。
[0044]4、可以在摩擦層表面進行微、納米結構修飾，提高發電機的電學輸出特性。另外，與全橋整流器結合可以將輸出的交流電信號轉變為單向脈衝信號，不僅可以作為脈衝電源直接應用於電化學等領域，還可以為電容器或者鋰離子電池充電，也可以為各種小型可攜式電子器件提供所需電源。
[0045]5、本發明的發電機結構簡單，製備方法簡單，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生的機械能轉變為電能，具有廣泛的實際用途。
【專利附圖】

【附圖說明】[0046]通過附圖所示，本發明的上述及其它目的、特徵和優勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標記指示相同的部分。並未刻意按實際尺寸等比例縮放繪製附圖，重點在於示出本發明的主旨。
[0047]圖1和圖2為本發明發電機的典型結構示意圖；
[0048]圖3和圖4為本發明發電機中接觸式開關的連接位置不意圖；
[0049]圖5為本發明發電機的工作原理不意圖；
[0050]圖6為本發明中摩擦層表面為凹凸結構的發電機結構示意圖；
[0051]圖7至圖13為本發明發電機的摩擦層由兩個扇形摩擦單元構成的發電機的結構示意圖；
[0052]圖14為本發明發電機的摩擦層由四個扇形摩擦單元構成的發電機的結構示意圖；
[0053]圖15為摩擦層由多個扇形摩擦單元構成的發電機中包括多個撞針的發電機結構示意圖；
[0054]圖16為第一摩擦層的SiO2納米顆粒層的掃描電鏡圖片；
[0055]圖17為發電機的開路電壓測量結果；
[0056]圖18為發電機在22ΜΩ負載下不同轉速時的輸出電流曲線；
[0057]圖19為本發電機在500 Ω負載下高速旋轉時的輸出電流曲線。
【具體實施方式】
[0058]下面將結合本發明實施示例中的附圖，對本發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明一部分實施示例，而不是全部的實施示例。基於本發明中的實施示例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施示例，都屬於本發明保護的範圍。
[0059]其次，本發明結合示意圖進行詳細描述，在詳述本發明實施示例時，為便於說明，所述示意圖只是示例，不應限制本發明保護的範圍。
[0060]本發明提供一種可以將環境中普遍存在的機械能轉變為電能的脈衝發電機，其技術方案為，利用存在摩擦電極序差異的兩種摩擦材料進行互相摩擦，產生表面電荷，在分別於兩個摩擦層貼合的電極層之間產生電勢，在兩個電極層之間引入一個接觸式開關，通過接觸式開關產生的「斷開」和「閉合」兩個不同的狀態，對發電機電流的產生起到控制所用；使得開關閉合時，在兩個電極層之間產生一個瞬時的大電流、大功率的電學脈衝信號。
[0061]本發明的發電機利用了具有不同摩擦電極序的摩擦層材料接觸時發生表面電荷轉移的原理。本發明中所述的「摩擦電極序」，是指根據材料對電荷的吸引程度將其進行的排序，兩種材料在相互接觸的瞬間，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，還沒有一種統一的理論能夠完整的解釋電荷轉移的機制，一般認為，這種電荷轉移和材料的表面功函數相關，通過電子或者離子在接觸面上的轉移而實現電荷轉移。需要說明的是，摩擦電極序只是一種基於經驗的統計結果，即兩種材料在該序列中相差越遠，接觸後所產生電荷的正負性和該序列相符合的機率就越大，而且實際的結果受到多種因素的影響，比如材料表面粗糙度、環境溼度和是否有相對摩擦等。本發明人發現如果兩種材料在摩擦電極序中處於較接近的位置，接觸後電荷分布的正負性可能並不符合該序列的預測。需要進一步說明是，電荷的轉移並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，但由於歷史原因而一直沿用至今。
[0062]本發明中所述的「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並分離後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。研究發現，該電荷能夠保持較長的時間，根據環境中溼度等因素，其保持時間在數小時甚至長達數天，而且其消失的電荷量可以通過再次接觸得以補充，因此，本發明人認為，在本發明中接觸電荷的電量可以近似認為保持恆定。需要說明的是，接觸電荷的符號是淨電荷的符號，即在帶有正接觸電荷的材料表面的局部地區可能存在負電荷的聚集區域，但整個表面淨電荷的符號為正。
[0063]下面結合附圖詳細介紹本發明的基於滑動摩擦的脈衝發電機的【具體實施方式】。
[0064]圖1是本發明基於滑動摩擦的脈衝發電機的一種典型結構。包括:第一摩擦層101、與第一摩擦層101上表面接觸設置的第一電極層102、第二摩擦層201、與第二摩擦層下表面接觸設置的第二電極層202 ;第一摩擦層101的下表面與第二摩擦層201的上表面相對放置；接觸式開關，包括一個撞針301和距離固定的兩個對撞針302和303，其中，撞針301與第一電極層102連通，並且能夠跟隨第一電極層102運動；所述兩個對撞針302和303都與第二電極層202連通，並且能夠跟隨第二電極層202運動；當撞針301與兩個對撞針302和303中任何一個碰撞接觸時，接觸式開關閉合；在外力的作用下，第一摩擦層101下表面與第二摩擦層202上表面相對滑動，同時摩擦面積發生變化，第一電極層102和第二電極層202之間向外電路輸出脈衝電信號。
[0065]圖2為圖1中發電機的俯視示意圖，在外力作用下，當第一摩擦層101相對於第二摩擦層201滑動時，撞針301可以與對撞針302或303接觸，使第一電極層102與第二電極層202之間實現電連通。圖1和圖2中只是本發明的發電機結構的示意圖，發電機中第一摩擦層、第二摩擦層以及相應的第一電極層、第二電極層的結構和形狀都可以有多種變化。接觸式開關的撞針301、兩個對撞針302和303各自的固定位置、形狀等都可以根據實際情況形成變化，只要能夠滿足撞針301跟隨第一電極層運動，對撞針跟隨第二電極層運動。
[0066]兩個對撞針302和303的位置設定，優選為，在第一摩擦層101相對於第二摩擦層201的滑動方向沿著接觸面的切向滑動。在所述滑動方向上，優選的，第一摩擦層101下表面與第二摩擦層201上表面能夠接觸並且產生摩擦的最大滑動距離不小於所述撞針依次與所述兩個對撞針接觸時所述撞針移動的距離。具體的，對於第一摩擦層101相對於第二摩擦層的滑動方向可以為沿著接觸面的平移滑動，即第一摩擦層的101的下表面與第二摩擦層的上表面沿著力的方向滑動錯開，參見圖3，在外力F作用下，第一摩擦層101相對於第二摩擦層201沿著接觸面的平移滑動(沿著箭頭方向)使第一摩擦層101的下表面與第二摩擦層201的上表面錯開，接觸式開關的撞針301設置在第一電極層102(或第一摩擦層101)的最右端，兩個對撞針302和303分別設置在第二電極層202 (或第二摩擦層201)的左右兩端，使第一摩擦層101的下表面與第二摩擦層201的上表面基本重合或者接觸面積最大時，撞針301與第一對撞針302碰撞接觸；第一摩擦層相對於第二摩擦層在受力方向上滑動至第一摩擦層101的下表面與第二摩擦層201的上表面接觸面積最小時，撞針301與第二對撞針303碰撞接觸。同樣的，第一摩擦層101相對於第二摩擦層201也可以為旋轉運動，即第一摩擦層101的下表面與第二摩擦層的上表面旋轉滑動，以第一摩擦層下表面和第二摩擦層的上表面均為扇形，並且面積和形狀均相同，並且共用同一個頂點為例，參見圖4，在外力作用下，第一摩擦層101相對於第二摩擦層201沿著箭頭方向轉動，使第一摩擦層101的下表面與第二摩擦層201的上表面錯開，接觸式開關的撞針301設置在第一電極層102(或第一摩擦層101)的最右端，兩個對撞針302和303分別設置在第二電極層202 (或第二摩擦層201)的左右兩端，使第一摩擦層101的下表面與第二摩擦層201的上表面基本重合或者接觸面積最大時，撞針301與第一對撞針302碰撞接觸；第一摩擦層相對於第二摩擦層在受力方向上滑動至第一摩擦層101的下表面與第二摩擦層201的上表面接觸面積最小時，撞針301與第二對撞針303碰撞接觸。優選的，第一摩擦層和第二摩擦層的扇形的圓心角不大於180度。這裡並不限定相對轉動的第一摩擦層的下表面以及第二摩擦層的上表面一定為平面，也可以為曲面。
[0067]為了方便說明，以下將結合圖2的典型結構來描述本發明的原理、各部件的選擇原則以及材料範圍，但是很顯然這些內容並不僅局限於圖1所示的實施例，而是可以用於本發明所公開的所有技術方案。
[0068]圖5為基於滑動摩擦的脈衝發電機的工作原理示意圖。當發電機的第一摩擦層101的下表面與第二摩擦層201的上表面互相接觸時，在兩個摩擦層的表面產生接觸電荷，在外力作用下第一摩擦層101與第二摩擦層201發生水平方向的摩擦，這裡設定第一摩擦層101下表面的材料處於摩擦序列表的更正的位置，第二摩擦層201上表面的材料處於摩擦序列表的更負的位置。因此，當第一摩擦層101下表面與第二摩擦層201上表面摩擦時，第一摩擦層101的表面產生正的接觸電荷，第二摩擦層201的表面產生負的接觸電荷。隨著外力的作用，第一摩擦層101和第二摩擦層201逐漸分開，使正、負摩擦電荷在水平方向發生分離，並在第一電極層102和第二電極層202之間產生電勢差。但是，此時撞針301與兩個對撞針302和303都沒有接觸，發電機的接觸式開關處於斷開狀態，因此，不能在第一電極層102和第二電極層202之間產生電流，如圖5a所示。當第一摩擦層101下表面和第二摩擦層201上表面完全分開時，撞針301和第一對撞針302接觸，因此發電機從斷路狀態瞬間轉變為閉合狀態，如圖5b所示。由於在第一電極層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,在第一電極層102上產生負的誘導電荷,在第二電極層202上產生正的誘導電荷，在此過程中，發電機輸出正的電流脈衝，如圖5b所示。在相反方向外力作用下，第一摩擦層101下表面和第二摩擦層201上表面的接觸面積逐漸增大，在此過程中，撞針301與兩個對撞針都沒有接觸，發電機處於斷開狀態，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5c所示。當第一摩擦層101下表面和第二摩擦層201上表面完全接觸時，撞針301和第二對撞針303接觸，因此發電機從斷路狀態瞬間轉變為閉合狀態，如圖5d所示。此時，正、負摩擦電荷在第一電極層102上產生的電勢相互抵消，正、負誘導電荷在第一電極層102上產生負的電勢差，因此，在第一電極層102的負電勢的驅動下，第一電極層102的負的誘導電荷流到第二電極層202,並與第二電極層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為零。在此過程中產生瞬時的負電流，如圖5d所示。隨著周期性反方向外力的作用，撞針301將依次與兩個對撞針302和303發生碰撞接觸，每次碰撞接觸時，發電機的第一電極層102與第二電極層202之間將輸出一個瞬時的電流脈衝。[0069]本發明的發電機，接觸式開關是發電機產生大概率輸出的關鍵部件，在第一摩擦層相對於第二摩擦層的往復滑動過程中，發電機的電學輸出受到接觸開關的控制，當接觸開關斷開時，發電機處於斷路狀態，沒有電流產生；當接觸開關閉合的瞬間，發電機處於閉路狀態，並產生瞬時的大功率輸出。所述撞針與對撞針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、不鏽鋼。優選的，撞針和/或對撞針為彈性的導電材料，在第一摩擦層相對於第二摩擦層摩擦過程中，撞針與對撞針能夠碰撞接觸發生彈性形變，保證所述撞針與所述對撞針之間的良好電接觸，並且能夠分離。撞針與對撞針的個數可以根據摩擦層的形狀進行設定，接觸式發電機中包括撞針或對撞針的個數並不限定本發明的保護範圍。優選的，對撞針的個數為偶數個。
[0070]本發明的發電機中，第一摩擦層101和第二摩擦層201需要滿足:第一摩擦層101的材料與第二摩擦層201的材料存在摩擦電極序差異。
[0071]絕緣體材料，例如常規的高分子聚合物都具有摩擦電特性，均可以作為製備本發明第一摩擦層101、第二摩擦層201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，聚二甲基矽氧烷，聚醯亞胺薄膜、苯胺甲醛樹脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纖維素薄膜、聚醯胺薄膜、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。限於篇幅的原因，並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技術人員參考，但是顯然這些具體的材料並不能成為本發明保護範圍的限制性因素，因為在本發明技術方案的啟示下，本領域的技術人員根據這些材料所具有的摩擦電特性很容易選擇其他類似的材料。
[0072]相對於絕緣體，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製備第一摩擦層101或第二摩擦層201的原料。常用的半導體包括:矽、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。除上述晶態半導體外，還有非晶態的玻璃半導體、有機半導體等。非導電性氧化物、半導體氧化物和複雜氧化物也具有摩擦電特性，能夠在摩擦過程形成表面電荷，因此也可以用來作為本發明的摩擦層，例如錳、鉻、鐵、銅的氧化物，還包括氧化矽、氧化錳、氧化鉻、氧化鐵、氧化銅、氧化鋅、BiO2和Y2O3 ;常用的金屬包括金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒，以及由上述金屬形成的合金。當然，還可以使用其他具有導電特性的材料充當容易失去電子的摩擦層材料，例如銦錫氧化物ΙΤ0。
[0073]通過實驗發現，當第一摩擦層101與第二摩擦層201材料的得電子能力相差越大(即在摩擦電極序中的位置相差越遠)時，發電機輸出的電信號越強。所以，可以根據實際需要，選擇合適的材料來製備第一摩擦層101、第二摩擦層201，以獲得更好的輸出效果。
[0074]本發明的第一摩擦層101、第二摩擦層201的厚度無特別要求，本發明優選摩擦層為薄膜，厚度為10nm-5mm,優選IOnm-1mm,更優選100nm-500 μ m。
[0075]本發明的發電機中，還可以對第一摩擦層101的下表面和/或第二摩擦層201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構，以增強第一摩擦層101與第二摩擦層201之間的接觸面積，從而增大接觸電荷量。具體的改性方法包括光刻蝕、化學刻蝕和離子體刻蝕等。也可以通過納米材料的點綴或塗層的方式來實現該目的。所述微結構可以選自納米線、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構。優選為在第一摩擦層101的下表面、第二摩擦層201的上表面包括上述微、納米結構形成的陣列。
[0076]另外，還可以在第一摩擦層101的下表面和/或第二摩擦層201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移量，從而提高接觸電荷密度和發電機的輸出功率。化學改性又分為如下兩種類型:
[0077]—種方法是對於相互滑動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移量，從而提高摩擦電荷密度和發電機的輸出功率。強給電子團包括:氨基、羥基、烷氧基等；強吸電子團包括:醯基、羧基、硝基、磺酸基等。官能團的引入可以採用等離子體表面改性等常規方法。例如可以使氧氣和氮氣的混合氣在一定功率下產生等離子體，從而在摩擦層材料表面引入氨基。
[0078]另外一種方法是對於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。例如，可以在聚二甲基矽氧烷PDMS摩擦層表面利用溶膠-凝膠的方法修飾上正矽酸乙酯(TE0S)，而使其帶負電。也可以在金屬金薄膜層上利用金-硫的鍵結修飾上表面含十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)的金納米粒子，由於十六烷基三甲基溴化銨為陽離子，故會使整個摩擦層變成帶正電性。本領域的技術人員可以根據摩擦層或電極層材料的得失電子性質和表面化學鍵的種類，選擇合適的修飾材料與其鍵合，以達到本發明的目的，因此這樣的變形都在本發明的保護範圍之內。
[0079]優選的，第一摩擦層101和第二摩擦層201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或第二電極層202、也可以為彈性材料或者柔性材料，使本發明的發電機成為一個柔性器件。柔性材料的使用使本發明的發電機在生物和醫學中領域中也有非常廣泛的應用。在使用的過程中還可以用具有超薄、柔軟、具有彈性和/或透明的高分子材料做基底，進行封裝以方便使用並提高強度。顯然，本發明公開的所有結構都可以用相應的超軟並具有彈性的材料做成，從而形成柔性發電機，在這裡就不一一贅述，但是由此衍生出的各種設計應該都包括在本專利的保護範圍內。
[0080]第一電極層102和第二電極層202是兩個導電元件，只要具備能夠導電的特性即可，可以選擇常用的電極材料，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、不鏽鋼等。常用的導電氧化物包括銦錫氧化物ITO、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10nm-5mm,優選為100nm-500 μ m ;具體的沉積方法可以為電子束蒸發、等離子體濺射、磁控濺射或蒸鍍。實際中，本領域的技術人員可以根據各摩擦層材料的選擇，確定相應電極層材料以及製備方法的選擇，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101)的良好電接觸。具體電極層材料的選擇不作為限定本發明保護範圍的條件。
[0081]儘管附圖中所示的發電機結構中，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構表面，優選的，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，使得第一摩擦層下表面與第二摩擦層上表面相對滑動過程中，能夠完全接觸或者出現接觸面積最大的情況。
[0082]參見圖6，為本發明兩個摩擦層不完全接觸的一個典型實施例。該實施例的主要部分與圖1所示的實施例相同，此處僅對二者的區別進行描述。圖6所示的實施例第一摩擦層111的下表面相對較小，並且其下表面和第二摩擦層211的上表面均製備成具有凹凸結構的不平整表面，二者接觸後在相對滑動的過程中能夠形成接觸面積的變化，從而實現向外輸出電信號的目的。該實施例可用於因第一摩擦層111的下表面過小或第一摩擦層111與第二摩擦層211的相對位置可變量比較小時，外力的大小或摩擦層可移動的空間不足以使發電機輸出合適的電信號的情況，通過不平整表面的設置有效地控制了第一摩擦層11與第二摩擦層211的接觸面積，以及產生電信號所需的有效相對位移。本領域的技術人員能夠預測到第二摩擦層211的表面積較小時也完全可以採用該方式來實現本發明的目的，並且表面不平整圖案的設置也是可以根據實際情況進行選擇的，因此這些變形都在本發明的保護範圍之內。
[0083]本發明的第一摩擦層和/或第二摩擦層還可以為圖形化的摩擦層，即第一摩擦層或第二摩擦層由多個摩擦單元構成。構成摩擦層的摩擦單元可以為條帶狀或者扇形，多個摩擦單元之間可以互相連通，也可以不連通。當第一摩擦層相對於第二摩擦層旋轉時，第一摩擦層的部分下表面能夠與第二摩擦層的部分上表面產生交替的滑動摩擦。對於由相同個數的形狀和尺寸相同的扇形摩擦單元構成第一摩擦層和第二摩擦層的情況，優選的，接觸式開關中包括的對撞針的個數兩倍於構成第一摩擦層的摩擦單元的個數。更進一步的，對於構成第一摩擦的多個摩擦單元相應的第一電極層互相不連通的情況，接觸式開關中包括的撞針的個數等於構成第一摩擦層的摩擦單元的個數。下面結合附圖詳細介紹第一摩擦層或第二摩擦層由多個扇形摩擦單元構成的發電機的結構。
[0084]參見圖7和圖8，圖7為本實施例發電機的俯視示意圖，圖8為發電機的剖面結構示意圖，其中，第一摩擦層101為由兩個90度扇形摩擦單元對稱分布構成的圖形(見圖9)，兩個90度扇形摩擦單元與空白區域在平面或曲面內交替均應分布。相應的，第一電極層102與第一摩擦層101的形狀和尺寸均相同，為了增強第一摩擦層的強度，在第一電極層上還包括第一轉盤103，第一轉盤103的俯視圖與第一摩擦層101下表面的形狀和尺寸均相同，接觸式開關的撞針301固定在第一轉盤103的邊緣並且與第一電極層102通過導線連通，優選的，撞針301固定轉盤一個扇葉的中軸線上，使撞針在第一轉盤上的位置與第一摩擦層一個扇形弧邊的中間位置對應，見圖9。相應的，第二摩擦層201為由兩個90度扇形摩擦單元對稱分布構成的圖形(參考圖10)，與第一摩擦層的圖形和尺寸相同，相應的，第二電極層202與第二摩擦層201的形狀和尺寸均相同，為了增強第二摩擦層201的強度，在第二電極層下還包括第二轉盤203，接觸式開關包括4個對撞針311、312、313和314，四個對撞針對稱的均勻分布的固定在第二轉盤的邊緣並且與第二電極層通過導線連通。優選的，四個對撞針中，兩個對撞針(311和313)固定在第二轉盤上的位置與第二摩擦層兩個扇形弧邊的中間位置對應，見圖10，這樣的設置，使第一摩擦層101的下表面與第二摩擦層的上表面201接觸面積最大和最小時撞針與對撞針碰撞接觸。第一轉盤103與第二轉盤203能夠同軸轉動，在第一轉盤與第二轉盤上設置有相同個數、相同形狀、相同尺寸的扇形摩擦單元。優選的，在第一轉盤、第二轉盤上包括相同個數的扇葉，所述扇葉的形狀與尺寸與所述摩擦單元相同。第二轉盤203上交替分布著由第二電極層202與第二摩擦層201佔據的部位和空白區域204，同樣第一摩擦層101與第一電極層102佔據的區域與空白區域交替排列，當外力使第一轉盤103相對於第二轉盤203進行同軸轉動時，帶動扇形的第一摩擦層101下表面與扇形的第二摩擦層201上表面進行滑動摩擦，當第一摩擦層101的下表面與第二摩擦層的上表面完全重合時，撞針301和第一對撞針311接觸，見圖11，使第一電極層和第二電極層連通，發電機輸出瞬時脈衝。圖12是第一摩擦層101下表面和第二摩擦層201上表面分開一定角度時發電機的俯視結構不意圖,此時,撞針301和四個對撞針都沒有接觸，第一電極層和第二電極層斷開，發電機沒有電流輸出。圖13是第一摩擦層101下表面和第二摩擦層201上表面完全分開時發電機的俯視結構示意圖，此時，撞針301和第二對撞針312接觸,使第一電極層和第二電極層聯通,發電機輸出瞬時脈衝。隨著發電機的繼續轉動，撞針301將依次與四個對撞針發生碰撞接觸，並使發電機輸出瞬時脈衝電信號。在發電機的往復轉動過程中，發電機的電學輸出受到接觸開關的控制。當接觸開關斷開時，發電機處於斷路狀態，沒有電流產生；當接觸開關閉合的瞬間，發電機處於閉路狀態，並產生瞬時的大功率輸出。
[0085]上述實施例中，第一摩擦層101和第二摩擦層201由兩個相同的扇形構成，在本發明的其他實施例中，第一摩擦層或第二摩擦層還可以由更多個相同的扇形摩擦單元構成，優選為扇形摩擦單元與空白區域交替構成完整的平面或者曲面，更優選為，所述扇形摩擦單元與所述空白區域的形狀相同，所有扇形摩擦單元與空白區域共用同一頂點形成平面或者曲面，平面可以為圓形，曲面可以為稜錐或者子彈頭形狀曲面。
[0086]通過增加第一摩擦層和第二摩擦層中包括的扇形摩擦單元的個數，可以在相同的轉速下提高發電機的脈衝輸出頻率。參見圖14，該實施例中與圖7至13中的發電機的結構基本相同，在此僅列出不同的部分，其中，第一摩擦層101與第二摩擦層201均由四個弧度為45度的扇形摩擦單元構成，並且四個扇形摩擦單元共用同一頂點形成中心對稱圖形。接觸式開關由固定在第一轉盤103邊緣的撞針301和對稱固定在第二轉盤203邊緣的8個對撞針(321、322、323、324、325、326、327和328)構成，其中，撞針301安裝在第一 103轉盤的一個扇形摩擦單元的中軸線上，八個對撞針分別安裝在第二轉盤203的每個扇形摩擦單元和扇形空白區的中軸線上。隨著第一轉盤103與第二轉盤203沿著共同的中心相對轉動，第一摩擦層101的下表面與第二摩擦層201上表面發生滑動摩擦，並且接觸面積從最大至最小交替變化，同時撞針301將依次與8個對撞針發生碰撞接觸，並使發電機輸出瞬時脈衝電信號。在發電機的往復轉動過程中，發電機的電學輸出受到接觸開關的控制。當接觸開關斷開時，發電機處於斷路狀態，沒有電流產生；當接觸開關閉合的瞬間，發電機處於閉路狀態，並產生瞬時的大功率輸出。因此，可以通過構成摩擦層的多個扇形摩擦單元的設置，獲得高頻的電信號輸出。
[0087]對於由多個扇形摩擦單元構成摩擦層的發電機，參見圖15，如果構成第一摩擦101 (或者第二摩擦層201)的多個扇形摩擦單元之間不連通，並且其對應的第一電極層102(或者第二電極層202)之間也由多個電極單元構成並且互相不連通，則可以在第一轉盤上對稱的設置兩個撞針301和3011，這樣使兩個撞針能夠同時分別與兩個對撞針碰撞接觸。這樣結構的發電機可以看做是兩個發電機單元並聯形成的發電機。對於摩擦層由更多個互相不連通的摩擦單元構成的發電機，同樣的，可以在第一轉盤的邊緣對稱的設置與構成第一摩擦層的摩擦單元個數相等的撞針，以及在第二轉盤的邊緣對稱的設置兩倍於撞針個數的對撞針。
[0088]本發明的其他實施例中，第一摩擦層101或者第二摩擦層201的絕緣材料可以由導電材料替代，因此，可以相應的將第一摩擦層101或第二摩擦層201替代第一電極層102或第二電極層202。這裡的導電材料可以採用第一電極層或第二電極層的導電材料，在此不再複述。這樣的摩擦層材料選擇，能夠簡化發電機的結構。
[0089]本發明中，第一轉盤103和第二轉盤203可以採用導電或者非導電材料製備，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。所述第一轉盤為導電材料可以替代所述第一電極層；和/或，所述第二轉盤為導電材料可以替代所述第二電極層。這樣的材料選擇，能夠簡化發電機的結構。
[0090]本發明的發電機結構簡單，製備方法簡單，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，即可應用在轉動機械能和電能之間的轉化，具有廣泛的實際用途。
[0091]相應的，本發明還提供一種發電方法，包括步驟:
[0092]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；
[0093]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；
[0094]第一摩擦層的下表面與第二摩擦層的上表面滑動摩擦並且接觸面積發生變化後，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衝電信號後第一電極層與第二電極層斷開；
[0095]第一摩擦層的下表面與第二摩擦層的上表面繼續相對滑動，直至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衝電信號後第一電極層與第二電極層再次斷開；
[0096]重複上述第一摩擦層的下表面與第二摩擦層的上表面相對滑動的步驟。
[0097]所述發電方法中，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構與本發明前述的基於滑動摩擦的脈衝發電機中的相應部分相同，發電原理與前述發電機的發電原理也相同，在這裡不在複述。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衝電信號與第二脈衝電信號為反向脈衝信號。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，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發電方法的向外輸出電信號。
[0098]在以上所有實施例中，都可以通過對摩擦層表面進行微米、納米尺度的結構加工、材料修飾以提高兩個摩擦層之間的接觸面積。下面以圖7所示的發電機為例，說明發電機的製備過程及表面修飾過程。
[0099]首先，以有機玻璃PMMA為材料，通過雷射切割的方法加工第一轉盤103，第二轉盤203。然後利用磁控濺射的方法在第一轉盤103的下表面和第二轉盤203的上表面蒸鍍100納米的Au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101。圖16是第一摩擦層101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的上表面利用旋轉塗膜的方法製備聚二甲基矽氧烷(PDMS)薄膜作為第二摩擦層203。在第一轉盤上固定撞針並將其通過導線與第一電極層連接，在第二轉盤上對稱的固定4個對撞針並與第二電極層通過導線連接。
[0100]當發電機的第一轉盤和第二轉盤發生同軸轉動時，帶動第一摩擦層與第二摩擦層互相滑動摩擦，撞針與對撞針碰撞接觸時，第一電極層與第二電極層之間可以輸出交流脈衝信號。下面以上述製備的發電機的器件為例，展示發電機的輸出特性。圖17是發電機的開路電壓特性，表明開路電壓大約115V。圖18是負載22ΜΩ時發電機在不同轉速下的輸出電流曲線。曲線表明，在轉速分別為IOrpm(轉每分鐘)、50rpm、100rmp、200rmp和400rpm時，發電機的輸出電流保持在6μ A左右，不隨發電機的轉速變化而變化。圖19是發電機在負載500Ω，轉速1600rpm時經全波整流橋整流後的輸出電流曲線。曲線表明，發電機在500 Ω時的瞬時輸出電流和輸出功率分別是0.26A和33.8W，脈衝輸出頻率達到167.7Hz，對應的輸出電流密度和輸出功率密度分別是104A/m2和1.4X 104W/m2。這表明了這種基於滑動摩擦的脈衝發電機具有輸出大電流、大功率、高頻率的脈衝信號的優異特性。
[0101 ] 本發明各實施不例的發電機輸出的電信號為交流脈衝電信號，可以在發電機的輸出端連接全橋整流器，將發電機的輸出信號整流為單向脈衝電信號。發電機輸出的單向脈衝電信號，不僅可以作為脈衝電源直接應用於電化學等領域，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可攜式小型電子設備提供電力，具有廣泛的應用前景。
[0102] 以上所述，僅是本發明的較佳實施示例而已，並非對本發明作任何形式上的限制。任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施示例。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施示例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬於本發明技術方案保護的範圍內。
【權利要求】
1.一種基於滑動摩擦的脈衝發電機，其特徵在於，包括: 第一摩擦層；所述第一摩擦層上表面接觸設置的第一電極層； 第二摩擦層；所述第二摩擦層下表面接觸設置的第二電極層；所述第一摩擦層的下表面與所述第二摩擦層的上表面相對放置； 接觸式開關，所述接觸式開關包括撞針和距離固定的多個對撞針，其中，所述撞針與所述第一電極層連通，並且能夠跟隨所述第一電極層運動；所有所述對撞針都與所述第二電極層連通，並且能夠跟隨所述第二電極層運動；當所述撞針與任何一個所述對撞針接觸時，所述接觸式開關閉合； 所述第一摩擦層的上表面和所述第二摩擦層的下表面在外力的作用下發生相對滑動摩擦、同時摩擦面積發生變化，帶動所述撞針與所述對撞針接觸時，所述第一電極層和第二電極層之間輸出脈衝電信號。
2.根據權利要求1所述的發電機，其特徵在於，在所述外力作用下所述第一摩擦層相對於所述第二摩擦層的滑動方向沿著接觸面的切向滑動。
3.根據權利要求2所述的發電機，其特徵在於，在所述滑動方向上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並且產生摩擦的最大滑動距離不小於所述撞針依次與兩個所述對撞針接觸時所述撞針移動的距離。
4.根據權利要求1-3任一項所述的發電機，其特徵在於，一個所述撞針固定在所述第一電極層上；多個所述對撞針固定在所述第二電極層上。
5.根據權利要求1所述的發電機，其特徵在於，在所述外力作用下所述第一摩擦層相對於所述第二摩擦層轉動。`
6.根據權利要求5所述的發電機，其特徵在於，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面積最大和最小時，所述撞針分別與一個所述對撞針接觸。
7.根據權利要求5或6所述的發電機，其特徵在於，所述第一摩擦層的下表面為扇形；和/或，所述第二摩擦層的上表面為扇形，並且所述第一摩擦層的下表面與第二摩擦層的上表面面積和形狀均相同。
8.根據權利要求7所述的發電機，其特徵在於，所述第一扇形和/或第二扇形的圓心角不大於180度。
9.根據權利要求5或6所述的發電機，其特徵在於，所述第一摩擦層的下表面和/或第二摩擦層的上表面由多個由空白區域間隔的扇形摩擦單元組成。
10.根據權利要求9所述的發電機，其特徵在於，組成所述第一摩擦層下表面和/或第二摩擦層的上表面的多個扇形摩擦單元的圓心角相同且通過共用頂點互相連通；所述多個扇形摩擦單元與所述空白區域在一個平面或曲面內交替均勻分布。
11.根據權利要求9或10所述的發電機，其特徵在於，在所述第一電極層上還包括第一轉盤，所述接觸式開關的撞針固定在所述第一轉盤的邊緣，使所述撞針在所述第一轉盤上的位置與第一摩擦層一個扇形弧邊的中間位置對應。
12.根據權利要求9、10或11所述的發電機，其特徵在於，在所述第二電極層下還包括第二轉盤，所述接觸式開關的多個對撞針對稱的固定在所述第二轉盤的邊緣，其中，多個對撞針中一半固定在第二轉盤上的位置與第二摩擦層兩個扇形弧邊的中間位置對應。
13.根據權利要求12所述的發電機，其特徵在於，所述第一轉盤和所述第二轉盤能夠同軸轉動，在所述第一轉盤與第二轉盤上設置有相同個數、相同形狀、相同尺寸的所述扇形摩擦單元。
14.根據權利要求13所述的發電機，其特徵在於，所述接觸式開關中包括的對撞針的個數兩倍於構成第一摩擦層的摩擦單元的個數。
15.根據權利要求13或14所述的發電機，其特徵在於，構成所述第一摩擦層的多個摩擦單元相應的第一電極層互相不連通，所述接觸式開關中包括所述撞針的個數等於構成所述第一摩擦層的摩擦單元的個數。
16.根據權利要求1-15任一項所述的發電機，其特徵在於，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。
17.根據權利要求1-16任一項所述的發電機，其特徵在於，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、聚醯胺尼龍11、聚醯胺尼龍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、聚醯亞胺、聚氯乙烯、聚二甲基矽氧烷、 聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯和派瑞林等。
18.根據權利要求17所述的發電機，其特徵在於，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,HgTe。
19.根據權利要求1-18任一項所述的發電機，其特徵在於，所述第一摩擦層的下表面和/或所述第二摩擦層的上表面的全部或部分表面具有納米或微米尺度的結構修飾或者納米材料的點綴或塗層，其中，所述納米或微米尺度的結構選自納米線、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。
20.根據權利要求1-19任一項所述的發電機，其特徵在於，所述第一電極層或第二電極層的材料選自金屬或合金；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、不鏽鋼。
21.根據權利要求1-20任一項所述的發電機，其特徵在於，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，使得在轉動時，所述第一摩擦層下表面與所述第二摩擦層上表面完全接觸。
22.根據權利要求1-21任一項所述的發電機，其特徵在於，所述接觸式開關的撞針和對撞針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、不鏽鋼。
23.根據權利要求1-22任一項所述的發電機，其特徵在於，所述撞針和/或對撞針為彈性的導電材料。
24.根據權利要求11、12或13所述的發電機，其特徵在於，所述第一轉盤為導電材料，所述第一轉盤替代所述第一電極層； 和/或，所述第二轉盤為導電材料，所述第二轉盤替代所述第二電極層。
25.根據權利要求1-24任一項所述的發電機，其特徵在於，所述第一摩擦層、第二摩擦層、第一電極層和/或第二電極層為柔性或彈性材料。
26.一種發電方法，其特徵在於，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滑動摩擦並且接觸面積發生變化後，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衝電信號後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繼續相對滑動，直至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衝電信號後第一電極層與第二電極層再次斷開； 重複上述第一摩擦層的下表面與第二摩擦層的上表面相對滑動的步驟。
【文檔編號】H02N1/04GK103780133SQ201310309226
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年7月22日 優先權日:2013年7月22日
【發明者】程綱, 林宗宏, 王中林 申請人:國家納米科學中心