WO2014139347A1 - 一种滑动摩擦纳米发电机及发电方法 - Google Patents

一种滑动摩擦纳米发电机及发电方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2014139347A1
WO2014139347A1 PCT/CN2014/071474 CN2014071474W WO2014139347A1 WO 2014139347 A1 WO2014139347 A1 WO 2014139347A1 CN 2014071474 W CN2014071474 W CN 2014071474W WO 2014139347 A1 WO2014139347 A1 WO 2014139347A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
friction
conductive layer
conductive
generator according
Prior art date
Application number
PCT/CN2014/071474
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
王中林
朱光
王思泓
林龙
陈俊
Original Assignee
国家纳米科学中心
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 国家纳米科学中心 filed Critical 国家纳米科学中心
Priority to JP2015561918A priority Critical patent/JP6510429B2/ja
Priority to KR1020157028494A priority patent/KR20150134362A/ko
Priority to EP14765009.7A priority patent/EP2975758B1/en
Publication of WO2014139347A1 publication Critical patent/WO2014139347A1/zh

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/04—Friction generators

Definitions

  • the present invention relates to a generator and a power generation method, and more particularly to a sliding friction nanogenerator that converts mechanical energy that applies an external force into electrical energy and a method of generating electricity using the same.
  • the present invention provides a sliding friction nano-generator capable of converting mechanical energy of a tangential force applied to a frictional nanogenerator into electrical energy.
  • the present invention provides a friction nanogenerator, including
  • Friction layer a conductive element placed in contact with the underside of the friction layer
  • the upper surface of the friction layer is placed opposite the lower surface of the conductive layer
  • the upper surface of the friction layer and the lower surface of the conductive layer are relatively slid under the action of an external force, and generate sliding friction tangential to the contact surface, while the friction area changes during sliding, and passes through the conductive element And the conductive layer outputs an electrical signal to the outer circuit; preferably, there is a friction electrode sequence difference between the upper surface material of the friction layer and the lower surface material of the conductive layer;
  • the upper surface of the friction layer is placed in contact with the lower surface of the conductive layer; preferably, when there is no external force, the upper surface of the friction layer is separated from the lower surface of the conductive layer, and the external force acts Lower, the upper surface of the friction layer contacts the lower surface of the conductive layer and generates relative sliding friction that is tangent to the contact surface;
  • the friction layer is an insulating material or a semiconductor material
  • the insulating material is selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene, polydimethylsiloxane, polyimide, polydiphenylpropionate carbonate, polyethylene terephthalate, aniline formaldehyde resin, Polyoxymethylene, ethyl cellulose, polyamide, melamine formaldehyde, polyethylene glycol succinate, cellulose, cellulose acetate, polyethylene adipate, diallyl polyphthalate , recycled fiber sponge, polyurethane elastomer, styrene propylene copolymer, styrene butadiene copolymer, rayon, polymethyl, methacrylate, polyvinyl alcohol, polyester, polyisobutylene, polyurethane flexible sponge, poly Ethylene terephthalate, polyvinyl butyral, phenolic resin, neoprene, butadiene propylene copolymer, natural rubber, polyacrylonitrile, poly(vin)
  • the semiconductor material is selected from the group consisting of silicon, germanium, Group III and V compounds, Group II and Group VI compounds, solid solutions composed of Group III-V compounds and Group II-VI compounds, Crystalline glass semiconductors and organic semiconductors;
  • the Group III and Group V compounds are selected from the group consisting of gallium arsenide and gallium phosphide;
  • the Group II and Group VI compounds are selected from the group consisting of cadmium sulfide and zinc sulfide; and the oxide is selected from the group consisting of manganese, chromium, and iron.
  • the solid solution composed of the III-V compound and the II-VI compound is selected from the group consisting of gallium aluminum arsenide and gallium arsenide phosphorus;
  • the friction layer is a non-conductive oxide, a semiconductor oxide or a complex oxide, including silicon oxide, aluminum oxide, manganese oxide, chromium oxide, iron oxide, titanium oxide, copper oxide, zinc oxide, Bi0 2 and Y. 2 0 3 .
  • the upper surface of the friction layer and/or the lower surface of the conductive layer are distributed with microstructures on the order of micrometers or sub-micrometers;
  • the microstructure is selected from the group consisting of nanowires, nanotubes, nanoparticles, nanochannels, microchannels, nanocones, microcones, nanospheres, and microspheres;
  • the upper surface of the friction layer and/or the lower surface of the conductive layer have an embellishment or coating of nano material
  • the upper surface of the friction layer and/or the lower surface of the conductive layer are chemically modified such that a material capable of obtaining electrons and/or a lower surface of the conductive layer are introduced on the upper surface of the friction layer.
  • the material introduces a functional group that easily loses electrons;
  • the functional group that easily loses electrons includes an amino group, a hydroxyl group or a decyloxy group; preferably, the electron-donating functional group includes an acyl group, a carboxyl group, a nitro group or a sulfonic acid group;
  • the upper surface of the friction layer and/or the lower surface of the conductive layer are chemically modified such that a negative charge is introduced to the upper surface material of the friction layer and/or a positive charge is introduced to the lower surface material of the conductive layer.
  • the chemical modification is achieved by chemically bonding a charged group;
  • the conductive layer is a conductive material, the conductive material is selected from the group consisting of a metal and a conductive oxygen, preferably the metal is selected from the group consisting of Gold, silver, platinum, aluminum, nickel, copper, titanium, chromium or selenium, and alloys formed from the above metals;
  • the conductive element is selected from the group consisting of a metal and a conductive oxide;
  • the conductive element is selected from the group consisting of gold, silver, platinum, aluminum, nickel, copper, titanium, chromium or selenium, and an alloy formed of the above metal;
  • the conductive element, the friction layer and/or the conductive layer are thin films
  • the friction layer, the conductive layer and/or the conductive element are rigid;
  • the friction layer, the conductive layer and/or the conductive element are flexible;
  • the conductive element is fixed on a lower surface of the friction layer
  • the conductive element is prepared on the lower surface of the friction layer by deposition; preferably, the conductive element is the same size and shape as the friction layer;
  • the conductive element, the friction layer and the conductive layer are both planar structures;
  • the conductive element and the friction layer are curved structures and/or the conductive layer is a curved structure.
  • the present invention also provides a power generation method using any of the generators disclosed in the present invention, including the following steps:
  • a force applied in the step (6) is a continuous external force in which the direction is periodically reversed or the magnitude is periodically changed.
  • the generator of the present invention does not require a gap between the two friction layers during the working process, and the devices with periodic full contact and full separation of the two friction layers are different in power generation principle, which provides a new design idea for the society.
  • the gapless design omits the installation of the elastic distance holder and also facilitates the packaging technology, enabling it to be applied in a wider field.
  • the generator of the invention does not need large-scale, high-intensity energy input, and only the input mechanical energy can drive the relative sliding between the friction layer and the conductive layer, thereby effectively collecting various strengths generated by nature and people's daily life.
  • Mechanical energy and convert it into electrical energy for efficient use of energy;
  • the generator of the invention does not need magnets, coils, rotors and the like, has a simple structure, small volume, is convenient to manufacture, low in cost, and can be mounted on various devices which can make the friction layer and the conductive layer slide relative to each other, and does not require special work. The environment is therefore highly compatible.
  • the generator of the invention combines the friction layer and the conductive layer which are easy to lose electrons into one, which can meet the working requirements of the generator, simplify the structure and save the cost, and is very advantageous for popularization and application in actual production. .
  • the generator of the present invention can be used not only as a small power source but also as a high power power generation.
  • 1 is a schematic view showing a typical structure of a friction nano-generator of the present invention
  • 2 is a schematic cross-sectional view showing the principle of power generation of a friction nano-generator of the present invention
  • FIG. 3 is a schematic view showing another typical structure of the friction nano-generator of the present invention:
  • FIG. 4 is a schematic view showing another typical structure of the friction nano-generator of the present invention:
  • FIG. 5 is a short-circuit current output diagram of a friction nano-generator at a relative average slip rate of 0.6 m / sec according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a current output diagram of a frictional nanogenerator passing through a full bridge rectifier at a relative average slip rate of 0.6 m/sec in accordance with an embodiment of the present invention.
  • the present invention provides a simple structured friction nanogenerator that converts naturally occurring mechanical energy, such as motion and vibration, into electrical energy, which provides a matched power source for microelectronic devices.
  • the friction nanogenerator of the present invention utilizes a phenomenon in which surface charge transfer occurs when a material having a difference in polarity in a friction electrode sequence is contacted, and mechanical energy of an external force is converted into electric energy.
  • the “friction electrode sequence” as used in the present invention refers to the order of the materials according to their degree of attraction to the charge.
  • the negative charge on the friction surface is compared with the polarity of the friction electrode sequence.
  • the positive material surface is transferred to the surface of the material that is more polar in the friction electrode sequence.
  • the friction electrode sequence is only an empirically based statistical result, that is, the further the difference between the two materials in the sequence, the greater the positive and negative charge generated after the contact and the probability of the sequence being coincident, and Actual results are subject to The effects of various factors, such as material surface roughness, ambient humidity and relative friction. A further explanation is that the transfer of charge does not require relative friction between the two materials as long as they are in contact with each other.
  • the "contact charge” as used in the present invention refers to the charge on the surface of a material having a difference in polarity between two kinds of friction electrode sequences after contact friction and separation, and it is generally considered that the charge is only distributed on the surface of the material. The maximum depth of distribution is only about 10 nanometers. It should be noted that the sign of the contact charge is a sign of the net charge, that is, there may be a concentrated region of negative charge in a local region of the surface of the material with a positive contact charge, but the sign of the net charge of the entire surface is positive.
  • FIG. 1 is a typical structure of a frictional nanogenerator of the present invention.
  • the contact interface with the conductive layer 20 can be relatively slid while the contact area is changed, thereby outputting an electrical signal to the external circuit through the conductive element 11 and the conductive layer 20.
  • the working principle and power generation method of the friction nanogenerator of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the electrons are induced.
  • the conductive layer 20 is directly transferred to the upper surface of the friction layer 10 at the contact surface and is possessed by the surface of the friction layer 10 (see FIG. 2(a)), in order to shield the surface charge remaining in the friction layer 10 and the conductive layer 20 due to misalignment.
  • the friction layer 10 and the conductive layer 20 are placed in contact with each other, and whether or not an external force is applied thereto, the two are always in surface contact.
  • This is the most typical structure of the generator of the present invention.
  • the present invention does not limit the friction layer 10 and the conductive layer 20 to maintain surface contact from beginning to end. As long as the external force acts, the two can contact and generate relative sliding friction tangent to the contact surface, and when there is no external force, the friction Layer 10 and conductive layer 20 can be completely separated. This design can meet the situation where interval power generation is required. Moreover, the friction process can have both contact friction and sliding friction.
  • conventional members for controlling the distance in the art can be employed, for example, an insulating spring is respectively connected to the lower surface of the friction layer 10 and the upper surface of the conductive layer 20, but the spring to be used should not be limited. Relative sliding between the friction layer 10 and the conductive layer 20.
  • this embodiment is advantageous for generators used in combination with other products, and the friction layer 10 and the conductive layer 20 can be respectively connected to two mutually separated components of other products, and the intermittent contact of the two components is utilized. Relative sliding to drive the generator to work, thus achieving intermittent power generation.
  • the upper surface of the friction layer 10 is composed of an insulating material
  • the lower surface of the conductive layer 20 is made of a conductive material, which have different triboelectric characteristics, that is, the two are in different positions in the friction electrode sequence, thereby making the friction layer
  • the upper surface of 10 and the lower surface of the conductive layer 20 are capable of generating contact charges on the surface during the occurrence of friction.
  • Conventional insulating materials have triboelectric properties and can generate a negative surface charge on the surface after rubbing against the conductor, and thus can be used as a material for preparing the upper surface of the friction layer 10 of the present invention.
  • Teflon polydimethyl siloxane, polyimide, polydiphenyl propylene carbonate, polyethylene terephthalate, aniline formaldehyde resin, polyoxymethylene, ethyl cellulose, polyamide, melamine formaldehyde , polyethylene glycol succinate, cellulose, cellulose acetate, polyethylene adipate Ester, diallyl polyphthalate, recycled fiber sponge, polyurethane elastomer, styrene propylene copolymer, styrene butadiene copolymer, rayon, polymethacrylate, polyvinyl alcohol, polyester, Polyisobutylene, polyurethane flexible sponge, polyethylene terephthalate, polyvinyl butyral, phenolic resin, neoprene, butadiene propylene copolymer, natural rubber, polyacrylonitrile, poly(vinylidene chloride) -co-acrylonitrile
  • Semiconductor materials also have triboelectric properties, often located between the insulator and the conductor in the list of friction electrode sequences, which can generate a negative contact charge on the surface after rubbing against the conductor material. Therefore, a semiconductor can also be used as a raw material for preparing the friction layer 10.
  • Commonly used semiconductors include silicon, germanium; Group III and V compounds such as gallium arsenide, gallium phosphide, etc.; Group II and Group VI compounds such as cadmium sulfide, zinc sulfide, etc.; and III-V compounds and A solid solution composed of II-VI compounds, such as gallium aluminum arsenide, gallium arsenide phosphorus, and the like.
  • Non-conductive oxides, semiconducting oxides, and complex oxides also have triboelectric properties and are capable of forming surface charges during the rubbing process, and thus can also be used as the friction layer of the present invention, such as oxides of manganese, chromium, iron, and copper. Also included are silicon oxide, manganese oxide, chromium oxide, iron oxide, copper oxide, zinc oxide, Bi0 2 and ⁇ 2 0 3 .
  • the conductive layer 20 not only provides a lower surface for triboelectric generation in the generator, but also functions as an electrode, and it is necessary to transmit electrons through an external circuit when the electric field constituted by the surface charge is unbalanced. Therefore, the conductive layer 20 needs to be composed of a conductive material, and a general metal can be selected. Common metals include gold, silver, platinum, aluminum, nickel, copper, titanium, chromium or selenium, as well as alloys formed from the above metals. Of course, other materials having electrically conductive properties can also be used as a friction layer that easily loses electrons, such as indium tin oxide antimony and doped semiconductors.
  • the friction layer 10 and the conductive layer 20 can be prepared according to actual needs, and a suitable material can be selected to obtain a better output effect.
  • the material having the negative polarity friction electrode sequence is preferably polystyrene, polyethylene, polypropylene, polydiphenylpropionate carbonate, polyethylene terephthalate, polyimide, polyvinyl chloride, polydimethylene Siloxane, polychlorotrifluoroethylene and polytetrafluoroethylene and parylene, including parylene C, parylene, parylene D, parylene HT or parylene AF4;
  • the friction electrode sequence material is preferably copper, aluminum, gold, silver and steel.
  • the upper surface of the friction layer 10 and/or the lower surface of the conductive layer 20 may also be physically modified to have a micro- or sub-micron array of microstructures distributed on the surface thereof to increase the contact between the friction layer 10 and the conductive layer 20.
  • the area thereby increasing the amount of contact charge.
  • Specific modification methods include photolithography, chemical etching, and ion etching.
  • One method is to introduce a more electron-releasing functional group (ie, a strong electron donating group) on the surface of the positive polarity material for the friction layer 10 and the conductive layer 20 material that are in contact with each other, or to introduce the surface of the material with a negative polarity.
  • Electron-functional groups ie, strong electron-withdrawing groups
  • Strong electron donating groups include: amino group, hydroxyl group, decyloxy group, etc.
  • strong electron withdrawing group includes: acyl group, carboxyl group, nitro group, sulfonic acid group and the like.
  • the introduction of the functional group can be carried out by a conventional method such as plasma surface modification. For example, a mixture of oxygen and nitrogen can be used to generate a plasma at a certain power to introduce an amino group on the surface of the friction layer material.
  • Another method is to introduce a positive charge on the surface of the friction layer material with positive polarity and a negative charge on the surface of the friction layer material with negative polarity.
  • it can be achieved by chemical bonding.
  • ethyl orthosilicate English abbreviated as TEOS
  • TEOS ethyl orthosilicate
  • sol-gel hydrolysis-condensation
  • CTAB hexadecanyltrimethylammonium bromide
  • the invention does not limit the friction layer 10 and the conductive layer 20 to be a hard material, and a flexible material may also be selected, because the hardness of the material does not affect the sliding friction effect between the two, and those skilled in the art may perform the actual situation. select.
  • the thicknesses of the first friction layer 10 and the conductive layer 20 have no significant effect on the practice of the present invention.
  • both of the invention are films having a thickness of 50 nm to 5 mm, preferably 100 nm to 2 mm, more preferably 1 ⁇ m to 800 ⁇ m, which are all in the present invention. The technical solutions are applicable.
  • the conductive element 11 may be selected from a metal, an indium tin oxide or a doped semiconductor, and may be a flat plate, a sheet or a film, and the thickness may be selected from the range of 10 nm to 5 mm. It is preferably 50 nm to 1 mm, preferably 100 ⁇ to 500 ⁇ m. Commonly used metals include gold, silver, platinum, aluminum, nickel, copper, titanium, chromium or selenium, and alloys formed from the above metals, preferably metal films such as aluminum films, gold films, and copper films.
  • the electrode layer is in close contact with the surface of the friction layer to ensure charge transfer efficiency.
  • a preferred method is to deposit a conductive material on the surface of the friction layer by deposition; the specific deposition method may be electron beam evaporation, plasma. Sputtering, magnetron sputtering or evaporation.
  • the conductive element 11 and the conductive layer 20 may be connected to the external circuit in such a manner as to be connected to the external circuit through a wire or a metal film.
  • a support layer may be provided in contact with the lower surface of the conductive member and/or the upper surface of the conductive layer, preferably an insulating material or a semiconductor material such as a plastic plate or a silicon wafer.
  • the present invention does not limit the friction layer, the conductive layer, and the conductive member to be a hard material, and a flexible material may also be selected because the hardness of the material does not affect the effects of sliding friction and electrical signal output.
  • the advantage of the generator made of flexible material is that the soft and thin friction layer is deformed by a slight external force, and the deformation causes the relative displacement of the two friction layers, thereby outputting an electric signal outward by sliding friction.
  • the use of flexible materials makes the nanogenerators of the present invention also very useful in the field of biology and medicine. In the process of use, it can also be made of a polymer material which is ultra-thin, soft, elastic and/or transparent. Packed for ease of use and increased strength. Obviously, all the structures disclosed in the present invention can be made of corresponding ultra-soft and elastic materials to form a flexible nano-generator, which will not be repeated here, but the various designs derived therefrom should include Within the scope of protection of this patent.
  • the invention does not limit that the conductive element, the friction layer and the conductive layer must all be planar structures, because the curved structure can also achieve relative sliding friction, but the friction layer and the conductive element should be the same as a planar or curved structure to ensure the closeness of the two. contact.
  • the conductive element and the friction layer can be set as a curved structure according to the situation, and the conductive layer is set to a planar or curved structure; of course, the opposite arrangement can also be adopted, that is, the conductive layer is set as a curved structure, and the conductive layer is electrically conductive.
  • the component and friction layer are curved or planar.
  • Figure 3 is a typical embodiment of the friction layer and the conductive layer in incomplete contact of the present invention.
  • the main part of this embodiment is the same as the embodiment shown in Fig. 1, and only the differences between the two will be described here.
  • the upper surface of the friction layer 10 of the embodiment shown in FIG. 3 is relatively small, and the upper surface thereof and the lower surface of the conductive layer 20 are each formed as an uneven surface, and the contact area can be formed during the relative sliding after the contact therebetween. Change, thereby achieving the purpose of outputting an electrical signal to the outside.
  • This embodiment can be used because the upper surface of the friction layer 10 is too small or the relative position of the friction layer 10 and the conductive layer 20 can be relatively small, and the magnitude of the external force or the space in which the friction layer can move is insufficient for the generator to output a suitable electrical signal.
  • the contact area of the friction layer 10 with the conductive layer 20 and the effective relative displacement required to generate an electrical signal are effectively controlled by the arrangement of the uneven surface.
  • the surface of the conductive layer 20 can be completely used to achieve the object of the present invention, and the setting of the surface unevenness pattern can also be selected according to actual conditions, and therefore these deformations are all in this case. Within the scope of protection of the invention.
  • Fig. 4 is a view showing an exemplary embodiment in which the surface of the friction layer of the present invention is provided with a microstructure.
  • the main part of this embodiment is the same as the embodiment shown in Fig. 1, and only the differences between the two are described herein.
  • the embodiment shown in Fig. 4 is provided with micron-sized linear structures 12 and 22 on the upper surface of the friction layer 10 and the lower surface of the conductive layer 20, respectively.
  • the microstructures of the surface are interspersed or overlapped with each other, which greatly increases the area of contact friction, thereby effectively improving the output performance of the generator.
  • microstructure For the specific form of the microstructure, a person skilled in the art can select a conventional rod shape, a line shape or a flower shape or the like according to the preparation conditions or actual needs. Although at The effect of simultaneously providing the microstructures on the surfaces of the friction layer 10 and the conductive layer 20 is best, but it is apparent that a similar effect can be obtained by providing the microstructure only on the surface of any one of them.
  • the invention also provides a power generation method, in particular to use the above sliding friction nano-generator for power generation, which mainly comprises the following steps:
  • the material is first selected according to the foregoing principles, and is prepared into a friction layer of a suitable size and shape.
  • the conductive member 11 placed in contact with it is formed on the lower surface of the friction layer 10, preferably fixedly placed, for example, by directly depositing the conductive member 11 on the lower surface of the friction layer 10.
  • the lower surface of the conductive layer 20 is placed in contact with the upper surface of the friction layer 10 so that sliding friction can be formed between the two.
  • This step is the premise that the power generation method of the present invention can be realized, and is also the key to distinguishing from the power generation of the contact and separation type nano-generators.
  • the power generation method of the present invention is There is no need to form a gap between the conductive layer 20 and the friction layer 10, and during the generation of the electrical signal, the conductive layer 20 and the friction layer 10 are in a direct contact state.
  • the upper surface of the friction layer 10 and the lower surface of the conductive layer 20 have the same shape and size and are completely in contact to maximize the friction area, and at the same time, in the subsequent power generation process, the friction area can be changed as long as an external force is applied. , thereby generating an electrical signal to be output to the outside.
  • the conductive member 11 and the conductive layer 20 are electrically connected to an external circuit, which is a necessary condition for externally outputting electric energy generated by the generator.
  • an external circuit which is a necessary condition for externally outputting electric energy generated by the generator.
  • electrical connections such as the most conventional wire connections, or thin layer connections, which can be chosen according to actual requirements.
  • the periodicity can be matched with the change of the area of the relative sliding friction, and the time from the maximum to the minimum or from the minimum to the maximum of the area of the relative sliding friction is one cycle, thus ensuring The generation of the pulse electric signal always occurs during the application of the external force, preventing the friction layer 10 and the conductive layer 20 from being contacted or rubbed due to the change of the direction of the external force.
  • the friction layer 10 and the conductive layer 20 can be automatically returned to the original position after the external force is removed.
  • the upper surface of the friction layer 10 and the lower surface of the conductive layer 20 are in full contact, and an insulating spring is attached to one end of the conductive layer 20, and the friction layer 10 and the conductive member 11 of the lower surface thereof are kept in a fixed position, then An external force is applied to the other end of the conductive layer 20 to gradually stretch the insulating spring, and the contact friction area between the conductive layer 20 and the friction layer 10 is gradually reduced.
  • the conductive element is a metal copper film layer with a thickness of 100 nm
  • the friction layer is a Teflon (polytetrafluoroethylene) film with a thickness of 25 ⁇ m
  • the conductive layer is a metal aluminum film layer with a thickness of 100 nm.
  • the macroscopic dimensions of these layers are 5cmX 7cm.
  • the Teflon film and the metal aluminum film are placed in a relatively completely overlapping contact position, and after the wire is drawn through the metal aluminum film layer and the metal copper film layer of the above friction nano-generator, the frictional nanometer is irradiated under the relative sliding speed of 0.6 m/sec.
  • the short-circuit current output diagram generated by the generator is shown in Figure 5.
  • the output of the friction nano-generator is connected to the full-bridge rectifier, and the AC current output generated by the friction nano-generator is converted into a DC current output, and the obtained current output is shown in FIG. 6. It can be seen that the generator of the present invention can The input of periodic mechanical energy is converted into an electrical signal output.
  • Example 2 Since the polytetrafluoroethylene has a very negative polarity in the friction electrode sequence, and the polarity of the metal aluminum in the electrode sequence is relatively positive, the material combination of the embodiment is advantageous for improving the output of the friction nano-generator, but actually rubbing The use of insulators for the layers is also fully achievable.
  • Example 2 Since the polytetrafluoroethylene has a very negative polarity in the friction electrode sequence, and the polarity of the metal aluminum in the electrode sequence is relatively positive, the material combination of the embodiment is advantageous for improving the output of the friction nano-generator, but actually rubbing The use of insulators for the layers is also fully achievable.
  • Example 2 Example 2
  • the polytetrafluoroethylene film is modified on the basis of the first embodiment, and the others are the same as those in the first embodiment, and are not described herein again.
  • the nanowire array was prepared by inductively coupled plasma etching on the surface of the PTFE film. First, about 10 nm thick gold was deposited on the surface of the PTFE by a sputter, and then the PTFE film was placed in the inductor.
  • the side deposited with gold is etched, and 0 2 , Ar and CF 4 gases are introduced, the flow rates are controlled at 10 sccm, 15 sccm and 30 sccm, respectively, the pressure is controlled at 15 mTorr, and the operating temperature is controlled at 55 °. C, using 400 watts of power to generate plasma, 100 watts of power to accelerate the plasma, and etching for about 5 minutes to obtain a polymer polytetrafluoroethylene nanometer having a length of about 1.5 micrometers substantially perpendicular to the insulating film layer. Rod array.
  • the friction nano-generator of the invention can use the translational motion to generate electric energy by the generator, provide power for the small-sized electric appliance, and does not need a power supply such as a battery, and is a convenient generator.
  • the friction nano-generator of the invention is simple in preparation method and low in preparation cost, and is a widely used friction nano-generator and generator set.

Landscapes

  • Lubricants (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

一种滑动摩擦纳米发电机及发电方法，滑动摩擦纳米发电机包括：导电层（20）、摩擦层（10）和所述摩擦层下方接触放置的导电元件（11），摩擦层的上表面与导电层的下表面相对放置，摩擦层的上表面和导电层的下表面在外力的作用下发生与接触面相切的相对滑动摩擦，同时摩擦面积在滑动过程中发生变化，并通过所述导电元件和导电层向外电路输出电信号。对滑动摩擦纳米发电机施加周期性的切向外力时，可以在导电元件和导电层之间形成交流脉冲信号输出。

Description

一种滑动摩擦纳米发电机及发电方法
技术领域 本发明涉及一种发电机及发电方法， 特别涉及将施加外力的机械能 转化为电能的滑动摩擦纳米发电机及利用该发电机进行发电的方法。
背景技术 在微电子和材料技术高速发展的今日， 大量新型具有多种功能和高 度集成化的微型电子器件不断被开发出来， 并在人们日常生活的各个领 域展现出前所未有的应用前景。 然而， 和这些微型电子器件所匹配的电 源***的研究却相对滞后， 一般说来， 这些微型电子器件的电源都是直 接或者间接来自于电池。 电池不仅体积较大、 质量较重， 而且含有的有 毒化学物质对环境和人体存在潜在的危害。 因此， 开发出能将运动、 振 动等自然存在的机械能转化为电能的技术具有极其重要的意义。
但是， 目前能将上述机械能有效地转化为电能的发电机均是以电磁 感应为基础的， 由水轮机、 汽轮机、 柴油机或其它动力机械驱动， 将水 流，气流，燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转化为机械能传给发电机， 再由发电机转换为电能加以利用。 这些发电机都需要相对集中、 大强度 的能量输入， 而对于人们日常活动中产生的以及自然界存在的强度较小 的动能， 基本都无法将其有效的转化为电能。 同时， 传统发电机的体积 较大、 结构复杂， 根本不能作为微型电子器件的供电元件使用。
发明内容 为了克服现有技术中的上述问题， 本发明提供一种滑动摩擦纳米发 电机， 能够将施加在摩擦纳米发电机上的切向外力的机械能转化为电能。
为实现上述目的， 本发明提供一种摩擦纳米发电机， 包括
摩擦层， 与所述摩擦层下方接触放置的导电元件，
和， 导电层；
所述摩擦层的上表面与所述导电层的下表面相对放置；
所述摩擦层的上表面和所述导电层的下表面在外力的作用下发生 相对滑动， 并且产生与接触面相切的滑动摩擦、 同时摩擦面积在滑动过 程中发生变化， 并通过所述导电元件和导电层向外电路输出电信号； 优选地， 所述摩擦层的上表面材料和所述导电层的下表面材料之间 有摩擦电极序差异；
优选地， 所述摩擦层的上表面和所述导电层的下表面接触放置； 优选地， 在没有外力作用时， 所述摩擦层的上表面和所述导电层的 下表面分离， 在外力作用下， 所述摩擦层的上表面和所述导电层的下表 面接触并发生与接触面相切的相对滑动摩擦；
优选地， 所述摩擦层为绝缘材料或半导体材料；
优选地， 所述绝缘材料选自聚四氟乙烯， 聚二甲基硅氧垸， 聚酰亚 胺、 聚二苯基丙垸碳酸酯、 聚对苯二甲酸乙二醇酯、 苯胺甲醛树脂、 聚 甲醛、 乙基纤维素、 聚酰胺、 三聚氰胺甲醛、 聚乙二醇丁二酸酯、 纤维 素、 纤维素乙酸酯、 聚己二酸乙二醇酯、 聚邻苯二甲酸二烯丙酯、 再生 纤维海绵、 聚氨酯弹性体、 苯乙烯丙烯共聚物、 苯乙烯丁二烯共聚物、 人造纤维、 聚甲基， 甲基丙烯酸酯、 聚乙烯醇、 聚酯、 聚异丁烯、 聚氨 酯柔性海绵、 聚对苯二甲酸乙二醇酯、 聚乙烯醇缩丁醛、 酚醛树脂、 氯 丁橡胶、 丁二烯丙烯共聚物、 天然橡胶、 聚丙烯腈、 聚 (偏氯乙烯 -co-丙 烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸盐，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、 液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、 聚三氟氯乙烯、 聚偏二氯乙烯、 聚乙烯、 聚丙烯、 聚氯乙烯和派瑞林； 优选地， 所述绝缘材料选自聚苯乙烯、 聚乙烯、 聚丙烯、 聚二苯基 丙垸碳酸酯、 聚对苯二甲酸乙二醇酯、 聚酰亚胺、 聚氯乙烯、 聚二甲基 硅氧垸、 聚三氟氯乙烯、 聚四氟乙烯和派瑞林；
优选地， 所述半导体材料选自硅、 锗、 第 III和第 V族化合物、 第 II 和第 VI族化合物、 由 III- V族化合物和 II -VI族化合物组成的固溶体、 非 晶态的玻璃半导体和有机半导体；
优选地， 所述第 III和第 V族化合物选自砷化镓和磷化镓； 所述第 II 和第 VI族化合物选自硫化镉和硫化锌； 所述氧化物选自锰、 铬、 铁或铜 的氧化物 ·， 所述由 III- V族化合物和 II -VI族化合物组成的固溶体选自镓 铝砷和镓砷磷；
优选地，所述摩擦层为非导电氧化物、半导体氧化物或复杂氧化物， 包括氧化硅、 氧化铝， 氧化锰、 氧化铬、 氧化铁、 氧化钛、 氧化铜、 氧 化锌、 Bi02和 Y203。
优选地，所述摩擦层上表面和 /或导电层的下表面分布有微米或次微 米量级的微结构；
优选地， 所述微结构选自纳米线， 纳米管， 纳米颗粒， 纳米沟槽、 微米沟槽， 纳米锥、 微米锥、 纳米球和微米球状结构；
优选地，所述摩擦层上表面和 /或导电层的下表面有纳米材料的点缀 或涂层；
优选地， 所述摩擦层上表面和 /或导电层的下表面经过化学改性， 使 得在在所述摩擦层的上表面材料引入容易得到电子的官能团和 /或在所 述导电层的下表面材料引入容易失去电子的官能团；
优选地， 所述容易失去电子的官能团包括氨基、 羟基或垸氧基； 优选地， 所述容易得到电子的官能团包括酰基、 羧基、 硝基或磺酸 基；
优选地， 所述摩擦层上表面和 /或导电层的下表面经过化学改性， 使 得在所述摩擦层的上表面材料引入负电荷和 /或在所述导电层的下表面 材料引入正电荷；
优选地， 所述化学改性通过化学键合引入带电荷基团的方式实现； 优选地， 所述导电层为导电材料， 所述导电材料选自金属和导电氧 优选地， 其所述金属选自金、 银、 铂、 铝、 镍、 铜、 钛、 铬或硒， 以及由上述金属形成的合金；
优选地， 所述导电元件选自金属和导电氧化物； 优选地， 所述导电元件选自金、银、铂、 铝、镍、铜、钛、铬或硒， 以及由上述金属形成的合金；
优选地， 所述导电元件、 摩擦层和 /或导电层为薄膜；
优选地， 所述摩擦层、 导电层和 /或导电元件为硬质的；
优选地， 所述摩擦层、 导电层和 /或导电元件为柔性的；
优选地， 所述导电元件固定在摩擦层下表面；
优选地， 通过沉积的方式在所述摩擦层下表面制备所述导电元件； 优选地， 所述导电元件与摩擦层的尺寸和形状相同；
优选地， 所述导电元件、 摩擦层和导电层均为平面结构；
优选地，所述导电元件和摩擦层为曲面结构和 /或所述导电层为曲面 结构。
本发明还提供一种发电方法， 使用本发明中公开的任何一种发电机， 包括如下歩骤：
( 1 ) 提供所述摩擦层，
(2 ) 形成与所述摩擦层下方接触放置的所述导电元件，
( 3 ) 提供所述导电层，
(4 ) 使所述摩擦层的上表面与所述导电层的下表面接触，
( 5 ) 将所述导电元件和所述导电层与外电路进行电连接；
( 6 ) 施加外力使所述摩擦层和所述导电层之间形成相对滑动， 并 产生与接触面相切的相对滑动摩擦， 在滑动过程中通过控制相对滑动距 离使所述摩擦层和所述导电层沿接触面方向发生错位、 滑动摩擦面积发 生变化；
( 7 ) 禾 I」用所述导电元件和所述导电层向外电路输出电信号； 优选地， 歩骤 （4 ) 中所述摩擦层的上表面和所述导电层的下表面 完全接触；
优选地， 歩骤 （6 ) 中施加的是方向周期性翻转或大小周期性变化 的持续外力。
对本发明的滑动摩擦纳米发电机施加周期性的切向外力时， 可以在 导电元件和导电层之间形成交流脉冲信号输出。 与现有技术相比， 本发 明的滑动摩擦纳米发电机和利用该发电机进行发电的方法具有下列优 点：
1、 原理和应用上的新突破。 本发明的发电机在工作过程中两摩擦 层之间不需要间隙， 与两摩擦层周期性全接触和全分离的器件在发电原 理上不同， 给社会提供了一个全新的设计思路。 而且无间隙的设计省略 了弹性距离保持件的安装， 也为封装技术提供了方便， 使其能够应用在 更为广阔的领域。
2、 能量的高效利用。 本发明的发电机无需大规模、 高强度的能量 输入， 仅需输入的机械能能够驱动摩擦层和导电层之间的相对滑动即可， 因此可有效收集自然界和人们日常生活中产生的各种强度的机械能， 并 将其转化为电能， 实现能量的高效利用；
3、 结构简单、 轻巧携带和高度兼容。 本发明的发电机无需磁铁、 线圈、 转子等部件， 结构简单， 体积很小， 制作方便、 成本低廉、 能够 安装在各种可以使摩擦层和导电层产生相对滑动的器件上， 无需特殊的 工作环境， 因此具有很高的兼容性。 同时， 本发明的发电机将容易失去 电子的摩擦层与导电层合二为一， 既能够满足发电机的工作要求， 又简 化了结构、 节省了成本， 非常有利于在实际生产中的推广应用。
4、 用途广泛。 通过对发电机中摩擦层的上表面和导电层的下表面 进行物理改性或化学改性， 引入纳米结构图案或涂纳米材料等， 还可以 进一歩提高摩擦纳米发电机在切向外力作用下两摩擦层接触并相对滑 动时产生的接触电荷密度， 从而提高发电机的输出能力。 因此， 本发明 的发电机不仅能作为小型功率源， 同时也可用于大功率发电。
附图说明 通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。 在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。 并未刻意按实际尺寸等 比例缩放绘制附图， 重点在于示出本发明的主旨。
图 1为本发明摩擦纳米发电机的一种典型结构示意图； 图 2为本发明摩擦纳米发电机的发电原理的剖面示意图：
图 3为本发明摩擦纳米发电机的另一种典型结构示意图：
图 4为本发明摩擦纳米发电机的另一种典型结构示意图：
图 5为本发明实施例中摩擦纳米发电机在相对平均滑动速率为 0.6 米 /秒下的短路电流输出图；
图 6为本发明实施例中摩擦纳米发电机在相对平均滑动速率为 0.6 米 /秒下通过全桥整流器的电流输出图。
具体实施方式 下面将结合本发明实施例中的附图， 对本发明实施例中的技术方案 进行清楚、 完整地描述。 显然， 所描述的实施例仅是本发明一部分实施 例， 而不是全部的实施例。 基于本发明中的实施例， 本领域普通技术人 员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发 明保护的范围。
其次， 本发明结合示意图进行详细描述， 在详述本发明实施例时， 为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。
本发明提供一种将运动、 振动等自然存在的机械能转化为电能的结 构简单的摩擦纳米发电机， 能够为微型电子器件提供匹配的电源。 本发 明的摩擦纳米发电机利用了在摩擦电极序中的极性存在差异的材料接 触时产生表面电荷转移的现象， 将外力的机械能转化为电能。
本发明中所述的 "摩擦电极序"， 是指根据材料对电荷的吸引程度 将其进行的排序， 两种材料在相互摩擦的瞬间， 在摩擦面上负电荷从摩 擦电极序中极性较正的材料表面转移至摩擦电极序中极性较负的材料 表面。 迄今为止， 还没有一种统一的理论能够完整的解释电荷转移的机 制， 一般认为， 这种电荷转移和材料的表面功函数相关， 通过电子或者 离子在接触面上的转移而实现电荷转移。 需要说明的是， 摩擦电极序只 是一种基于经验的统计结果， 即两种材料在该序列中相差越远， 接触后 所产生电荷的正负性和该序列相符合的几率就越大， 而且实际的结果受 到多种因素的影响， 比如材料表面粗糙度、 环境湿度和是否有相对摩擦 等。需要进一歩说明是， 电荷的转移并不需要两种材料之间的相对摩擦， 只要存在相互接触即可。
本发明中所述的 "接触电荷"， 是指在两种摩擦电极序极性存在差 异的材料在接触摩擦并分离后其表面所带有的电荷， 一般认为， 该电荷 只分布在材料的表面，分布最大深度不过约为 10纳米。需要说明的是， 接触电荷的符号是净电荷的符号， 即在带有正接触电荷的材料表面的局 部地区可能存在负电荷的聚集区域， 但整个表面净电荷的符号为正。
图 1是本发明摩擦纳米发电机的一种典型结构。 包括： 摩擦层 10、 与摩擦层 10下表面接触放置的导电元件 11、 导电层 20; 摩擦层 10的 上表面与导电层 20的下表面相接触； 在外力的作用下， 所述摩擦层 10 与导电层 20 的接触界面能够发生相对滑动， 同时接触面积发生变化， 从而通过导电元件 11和导电层 20向外电路输出电信号。
为了方便说明， 以下将结合图 1 的典型结构来描述本发明的原理、 各部件的选择原则以及材料范围， 但是很显然这些内容并不仅局限于图 1所示的实施例， 而是可以用于本发明所公开的所有技术方案。
结合图 2对本发明摩擦纳米发电机的工作原理和发电方法进行说明。 在有外力使摩擦层 10的上表面与导电层 20的下表面发生相对滑动摩擦 时， 由于摩擦层 10的上表面材料与导电层 20的下表面材料在摩擦电极 序中存在差异， 引发电子从导电层 20在接触面直接转移到摩擦层 10的 上表面并被摩擦层 10的表面所拥有 （参见图 2 (a) ) , 为了屏蔽由于错 位而残留在摩擦层 10和导电层 20中表面电荷所形成的电场， 导电元件 11中的自由电子就会通过外电路流到导电层 20上， 从而产生一外电流 (参见图 2 (b))。 当反方向施加外力时， 摩擦层 10或导电层 20的相对 滑动错位消失， 两导电元件恢复原状， 导电层 20 中的电子流回导电元 件 10， 从而给出一相反方向的外电流。 如此往复， 形成交流脉冲电流。
虽然摩擦起电的现象早已被人们所认识， 本领域对能够发生摩擦起 电的材料种类也有共识， 往往我们知道的是摩擦可以起静电， 但是对于 利用滑动摩擦进行发电并将其器件化则是本发明首次提出的。 通过本发 明上面提供的工作原理， 本领域的技术人员能够清楚地认识到滑动摩擦 纳米发电机的工作方式， 从而能够了解各部件材料的选择原则。 以下给 出适用本发明中所有技术方案的各部件材料的可选择范围， 在实际应用 时可以根据实际需要来做具体选择， 从而达到调控发电机输出性能的目 的。
本实施例中， 摩擦层 10和导电层 20接触放置， 无论是否有外力施 加于其上， 二者始终保持面接触。 这是本发明发电机的最典型结构， 通 过控制摩擦层 10和导电层 20的尺寸、 以及相对位移量， 很容易实现在 相对滑动摩擦的过程中摩擦面积发生变化。
但是本发明并不限定摩擦层 10和导电层 20自始至终一直保持面接 触， 只要在外力作用下， 二者能够接触并发生与接触面相切的相对滑动 摩擦即可，而在没有外力作用时，摩擦层 10和导电层 20可以完全分离。 这样的设计能够满足需要间隔式发电的情况。 而且摩擦过程可以同时有 接触摩擦， 也可以有滑动摩擦。 实现这一目的的技术手段有很多， 可以 采用本领域中控制距离的常规部件， 例如在摩擦层 10 的下表面和导电 层 20 的上表面分别连接绝缘弹簧， 但是需要注意使用的弹簧不应限制 摩擦层 10和导电层 20之间的相对滑动。 另外， 该实施方式对于与其他 产品结合使用的发电机比较有利， 可以将摩擦层 10和导电层 20分别连 接到其他产品中 2个互相分隔的部件上， 利用这 2个部件的间歇性接触 和相对滑动来带动发电机工作， 从而实现间隔式发电。
摩擦层 10的上表面由绝缘材料构成， 而导电层 20的下表面由导电 材料构成， 二者具有不同的摩擦电特性， 也就是二者在摩擦电极序中处 于不同的位置， 从而使得摩擦层 10的上表面与导电层 20的下表面在发 生摩擦的过程中能够在表面产生接触电荷。 常规的绝缘材料都具有摩擦 电特性， 在与导体摩擦后能够在表面产生负的表面电荷， 因此可以作为 制备本发明摩擦层 10 上表面的材料， 此处列举一些常用的材料： 聚四 氟乙烯， 聚二甲基硅氧垸， 聚酰亚胺、 聚二苯基丙垸碳酸酯、 聚对苯二 甲酸乙二醇酯、 苯胺甲醛树脂、 聚甲醛、 乙基纤维素、 聚酰胺、 三聚氰 胺甲醛、 聚乙二醇丁二酸酯、 纤维素、 纤维素乙酸酯、 聚己二酸乙二醇 酯、 聚邻苯二甲酸二烯丙酯、 再生纤维海绵、 聚氨酯弹性体、 苯乙烯丙 烯共聚物、 苯乙烯丁二烯共聚物、 人造纤维、 聚甲基丙烯酸酯、 聚乙烯 醇、 聚酯、 聚异丁烯、 聚氨酯柔性海绵、 聚对苯二甲酸乙二醇酯、 聚乙 烯醇缩丁醛、 酚醛树脂、 氯丁橡胶、 丁二烯丙烯共聚物、 天然橡胶、 聚 丙烯腈、 聚 (偏氯乙烯 -co-丙烯腈)或聚乙烯丙二酚碳酸盐， 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、 聚双苯酚碳酸酯、 聚氯醚、 聚偏二氯乙烯、 聚乙烯、 聚丙烯、 聚三 氟氯乙烯、 聚氯乙烯、 派瑞林 （包括派瑞林 C、 派瑞林 N、 派瑞林 D、 派瑞林 HT或派瑞林 AF4)。限于篇幅的原因， 并不能对所有可能的材料 进行穷举， 此处仅列出几种具体的物质供人们参考， 但是显然这些具体 的材料并不能成为本发明保护范围的限制性因素， 因为在发明的启示下， 本领域的技术人员根据这些材料所具有的摩擦电特性很容易选择其他 类似的材料。
半导体材料也具有摩擦电特性， 在摩擦电极序的列表中常位于绝缘 体和导体之间， 在与导体材料发生摩擦后能够在表面产生负的接触电荷。 因此，半导体也可以作为制备摩擦层 10的原料。常用的半导体包括硅、 锗； 第 III和第 V族化合物， 例如砷化镓、 磷化镓等； 第 II和第 VI族化合 物， 例如硫化镉、 硫化锌等； 以及由 III-V族化合物和 II -VI族化合物组 成的固溶体， 例如镓铝砷、 镓砷磷等。 除上述晶态半导体外， 还有非晶 态的玻璃半导体、 有机半导体等。 非导电性氧化物、 半导体氧化物和复 杂氧化物也具有摩擦电特性， 能够在摩擦过程形成表面电荷， 因此也可 以用来作为本发明的摩擦层， 例如锰、 铬、 铁、 铜的氧化物， 还包括氧 化硅、 氧化锰、 氧化铬、 氧化铁、 氧化铜、 氧化锌、 Bi02和 Υ203。
导电层 20在发电机中不仅要提供用于摩擦发电的下表面， 而且还 起到电极的作用， 需要在表面电荷所构成的电场不平衡时， 能通过外电 路传输电子。 因此， 导电层 20 需要由导电材料构成， 一般的金属都可 以选择。 常用的金属包括金、 银、 铂、 铝、 镍、 铜、 钛、 铬或硒， 以及 由上述金属形成的合金。 当然， 还可以使用其他具有导电特性的材料充 当容易失去电子的摩擦层， 例如铟锡氧化物 ΙΤΟ和掺杂的半导体。 通过实验发现， 当摩擦层 10和导电层 20材料的得电子能力相差越 大（即在摩擦电极序中的位置相差越远）时，发电机输出的电信号越强。 所以， 可以根据实际需要， 选择合适的材料来制备摩擦层 10 和导电层 20， 以获得更好的输出效果。 具有负极性摩擦电极序的材料优选聚苯乙 烯、 聚乙烯、 聚丙烯、 聚二苯基丙垸碳酸酯、 聚对苯二甲酸乙二醇酯、 聚酰亚胺、 聚氯乙烯、 聚二甲基硅氧垸、 聚三氟氯乙烯和聚四氟乙烯和 派瑞林，包括派瑞林 C、派瑞林 N、派瑞林 D、派瑞林 HT或派瑞林 AF4; 具有正极性的摩擦电极序材料优选铜、 铝、 金、 银和钢。
还可以对摩擦层 10上表面和 /或导电层 20下表面进行物理改性，使 其表面分布有微米或次微米量级的微结构阵列， 以增加摩擦层 10 与导 电层 20 之间的接触面积， 从而增大接触电荷量。 具体的改性方法包括 光刻蚀、 化学刻蚀和离子体刻蚀等。
也可以对相互接触的摩擦层 10和 /或导电层 20的表面进行化学改性， 能够进一歩提高电荷在接触瞬间的转移量， 从而提高接触电荷密度和发 电机的输出功率。 化学改性又分为如下两种类型：
一种方法是对于相互接触的摩擦层 10和导电层 20材料， 在极性为 正的材料表面引入更易失电子的官能团 （即强给电子团）， 或者在极性 为负的材料表面引入更易得电子的官能团 （即强吸电子团）， 都能够进 一歩提高电荷在相互滑动时的转移量， 从而提高摩擦电荷密度和发电机 的输出功率。 强给电子团包括： 氨基、 羟基、 垸氧基等； 强吸电子团包 括： 酰基、 羧基、 硝基、 磺酸基等。 官能团的引入可以采用等离子体表 面改性等常规方法。 例如可以使氧气和氮气的混合气在一定功率下产生 等离子体， 从而在摩擦层材料表面引入氨基。
另外一种方法是在极性为正的摩擦层材料表面引入正电荷， 而在极 性为负的摩擦层材料表面引入负电荷。 具体可以通过化学键合的方式实 现。例如，可以在 PDMS摩擦层表面利用水解 -缩合 (英文简写为 sol-gel) 的方法修饰上正硅酸乙酯（英文简写为 TEOS) , 而使其带负电。 也可以 在金属金薄膜层上利用金-硫的键结修饰上表面含十六垸基三甲基溴化 铵 （CTAB) 的金纳米粒子， 由于十六垸基三甲基溴化铵为阳离子， 故 会使整个摩擦层变成带正电性。 本领域的技术人员可以根据摩擦层材料 的得失电子性质和表面化学键的种类， 选择合适的修饰材料与其键合， 以达到本发明的目的， 因此这样的变形都在本发明的保护范围之内。
本发明并不限定摩擦层 10和导电层 20必须是硬质材料， 也可以选 择柔性材料， 因为材料的硬度并不影响二者之间的滑动摩擦效果， 本领 域的技术人员可以根据实际情况进行选择。 第一摩擦层 10和导电层 20 的厚度对本发明的实施没有显著影响， 本发明优选二者为薄膜， 厚度为 50nm-5mm， 优选 100nm-2mm， 更优选 1μπι-800μπι， 这些厚度对本发明 中所有的技术方案都适用。
导电元件 11 作为发电机的电极， 只要具备能够导电的特性即可， 可选自金属、 铟锡氧化物或掺杂的半导体， 可以为平板、 薄片或薄膜， 厚度的可选范围为 10nm-5mm，优选为 50nm-lmm，优选为 100ηπι-500μπι。 常用的金属包括金、 银、 铂、 铝、 镍、 铜、 钛、 铬或硒， 以及由上述金 属形成的合金， 优选金属薄膜， 例如铝膜、 金膜、 铜膜。 电极层最好与 摩擦层表面紧密接触， 以保证电荷的传输效率， 较好的方式是将导电材 料通过沉积的方式在摩擦层的表面成膜； 具体的沉积方法可以为电子束 蒸发、 等离子体溅射、 磁控溅射或蒸镀。
导电元件 11和导电层 20与外电路连接的方式可以是通过导线或金 属薄膜与外电路连接。
为了保证本发电机的机械强度，可以在导电元件下表面和 /或导电层 的上表面接触设置支撑层， 优选为绝缘材料或半导体材料， 例如塑料板 或硅片等。
本发明并不限定摩擦层、 导电层和导电元件必须是硬质材料， 也可 以选择柔性材料， 因为材料的硬度并不影响滑动摩擦和电信号输出的效 果。 而且柔性材料制成的发电机的优势在于柔软轻薄的摩擦层受到轻微 的外力作用就会发生形变， 而这种形变会引起两个摩擦层的相对位移， 从而通过滑动摩擦向外输出电信号。 柔性材料的使用使本发明的纳米发 电机在生物和医学中领域中也有非常广泛的应用。 在使用的过程中还可 以用具有超薄、 柔软、 具有弹性和 /或透明的高分子材料做基底， 进行封 装以方便使用并提高强度。 显然， 本发明公开的所有结构都可以用相应 的超软并具有弹性的材料做成， 从而形成柔性纳米发电机， 在这里就不 一一赘述， 但是由此衍生出的各种设计应该都包括在本专利的保护范围 内。
本发明并不限定导电元件、 摩擦层和导电层必须均为平面结构， 因 为曲面结构也同样可以实现相对滑动摩擦， 但是摩擦层和导电元件应同 为平面或曲面结构， 以保证二者的紧密接触。 在此前提下， 完全可以根 据情况将导电元件和摩擦层设为曲面结构， 而导电层则设为平面或曲面 结构； 当然， 也可以采用相反的设置， 即将导电层设为曲面结构， 而导 电元件和摩擦层为曲面或平面设计。
图 3为本发明摩擦层和导电层不完全接触的一个典型实施例。 该实 施例的主要部分与图 1所示的实施例相同， 此处仅对二者的区别进行描 述。 图 3所示的实施例摩擦层 10的上表面相对较小， 并且其上表面和 导电层 20 的下表面均制备成不平整表面， 二者接触后在相对滑动的过 程中能够形成接触面积的变化， 从而实现向外输出电信号的目的。 该实 施例可用于因摩擦层 10的上表面过小或摩擦层 10与导电层 20的相对 位置可变量比较小时， 外力的大小或摩擦层可移动的空间不足以使发电 机输出合适的电信号的情况， 通过不平整表面的设置有效地控制了摩擦 层 10与导电层 20的接触面积， 以及产生电信号所需的有效相对位移。 本领域的技术人员能够预测到导电层 20 的表面积较小时也完全可以采 用该方式来实现本发明的目的， 并且表面不平整图案的设置也是可以根 据实际情况进行选择的， 因此这些变形都在本发明的保护范围之内。
图 4是本发明摩擦层表面设有微结构的典型实施例。 该实施例的主 要部分与图 1所示的实施例相同， 此处仅对二者的区别进行描述。 图 4 所示的实施例在摩擦层 10的上表面和导电层 20的下表面分别设有微米 级的线形结构 12和 22。 在摩擦层 10与导电层 20接触的过程中， 其表 面的微结构互相穿插或交叠， 大大增加了接触摩擦的面积， 从而能够有 效提高发电机的输出性能。 对于微结构的具体形式， 本领域的技术人员 可以根据制备条件或实际需要选择常规的棒状、 线状或花形等。 虽然在 摩擦层 10和导电层 20的表面同时设置微结构的效果最好， 但是显然仅 在其中任意一个的表面设置微结构也可以获得类似的效果。
本发明还提供一种发电方法， 具体为使用上述滑动摩擦纳米发电机 进行发电， 主要包括如下歩骤：
( 1 ) 首先根据前述原则选择材料， 并将其制备成尺寸和形状合适 的摩擦层。
(2)在摩擦层 10下表面形成与其接触放置的导电元件 11， 优选固 定放置， 例如通过沉积的方法将导电元件 11直接固定在摩擦层 10的下 表面。
(3 ) 根据前述原则选择合适的材料， 并将其制备成尺寸和形状合 适的导电层。
(4) 将导电层 20的下表面与摩擦层 10的上表面接触放置， 使二 者之间能够形成滑动摩擦。 该歩骤是本发明的发电方法能够实现的前提， 也是与接触、 分离式纳米发电机发电相区别的关键。 接触、 分离式发电 机在工作的过程中， 两个薄膜层之间必须存在间距可变的空隙， 并且能 够实现二者接触-分离的循环动作才能有电信号产生，而本发明的发电方 法则无需在导电层 20和摩擦层 10之间形成空隙， 在电信号产生的过程 中， 导电层 20和摩擦层 10—直是接触状态。 优选在初始状态， 摩擦层 10的上表面与导电层 20的下表面形状和尺寸相同并且完全接触， 使摩 擦面积达到最大， 同时在后续发电过程中， 只要有外力施加就能够使摩 擦面积发生变化， 从而产生电信号向外输出。
(5) 将导电元件 11和导电层 20与外电路进行电连接， 该歩骤是 将发电机产生的电能向外输出的必要条件。 实现电连接的方式有很多， 例如最为常规的导线连接， 也可以采用薄层连接， 具体可以根据实际要 求来选择。
(6) 对发电机施加外力， 使摩擦层 10和导电层 20之间形成相对 滑动， 并产生与接触面相切的相对滑动摩擦， 同时在滑动过程中需要控 制相对滑动的距离，使得摩擦层 10和导电层 20沿接触面方向发生错位、 滑动摩擦面积发生变化。 该歩骤是本发明的发电方法中最为关键的一歩， 必须要摩擦层 10和导电层 20之间既要有相对滑动摩擦， 还要有摩擦面 积的改变， 这样才能向外电路输出电信号。 优选导电层 20 下表面和摩 擦层 10 上表面能够沿接触面方向没有制约的自由滑动， 以提高其对外 力的响应灵敏度。 本发明的发电方法优选采用方向周期性翻转或大小周 期性变化的持续外力， 这样可以持续的向外电路输出交流脉冲电信号。
对于方向周期性翻转的持续外力， 其周期性可以和相对滑动摩擦的 面积变化进行匹配， 以相对滑动摩擦的面积由最大变到最小或由最小变 到最大的时间为一个周期， 这样就能够保证在外力施加的过程中一直有 脉冲电信号的产生， 防止了因为外力的方向不变而导致摩擦层 10 和导 电层 20没有接触也没有摩擦的情况发生。
对于大小周期性变化的持续外力， 优选适用于在外力撤消后摩擦层 10和导电层 20能自动回原位的情况。例如， 初始状态下摩擦层 10的上 表面和导电层 20的下表面完全接触， 并且在导电层 20的一端连有绝缘 弹簧， 摩擦层 10和其下表面的导电元件 11保持位置固定， 那么在导电 层 20的另一端施加外力使绝缘弹簧被逐渐拉伸、导电层 20和摩擦层 10 之间的接触摩擦面积逐渐减小， 当接触摩擦面积减到最小时， 将外力减 小， 使得导电层 20在绝缘弹簧的作用下逐渐恢复初始位置， 导电层 20 和摩擦层 10 又变为完全接触， 这样一个过程是一个周期， 重复该过程 可以向外电路持续输送脉冲电信号。 实施例 1
导电元件采用厚度为 lOOnm 的金属铜薄膜层， 摩擦层采用厚度为 25微米的特氟龙 （聚四氟乙烯） 薄膜， 导电层采用厚度为 lOOnm的金 属铝薄膜层， 这些膜层的宏观尺寸为 5cmX 7cm。 特氟龙薄膜和金属铝 薄膜相对完全重叠的接触放置， 通过上述摩擦纳米发电机的金属铝薄膜 层和金属铜薄膜层引出导线后， 在平均速率为 0.6 米 /秒的相对滑动下， 摩擦纳米发电机所产生的短路电流输出图见图 5。 将摩擦纳米发电机的 输出端和全桥整流器相连， 使摩擦纳米发电机产生的交流电流输出转化 为直流电流输出， 得到的电流输出见图 6。 可见， 本发明的发电机能将 周期性机械能的输入转化成电信号输出。
由于聚四氟乙烯在摩擦电极序中具有极负的极性， 而金属铝在电极 序中的极性较正， 本实施例的材料组合有利于提高摩擦纳米发电机的输 出， 但实际上摩擦层均采用绝缘体也是完全可以实现的。 实施例 2
本实施例在实施例 1的基础上仅对聚四氟乙烯薄膜做改性， 其他均 与实施例 1相同， 此处不再赘述。 在聚四氟乙烯薄膜表面采用电感耦合 等离子体刻蚀方法制备纳米线阵列， 首先在聚四氟乙烯表面用溅射仪沉 积约 10 纳米厚的金， 之后， 将聚四氟乙烯薄膜放入电感耦合等离子体 刻蚀机中， 对沉积有金的一面进行刻蚀， 通入 02、 Ar和 CF4气体， 流 量分别控制在 10sccm、 15sccm和 30sccm， 压强控制在 15mTorr， 工作 温度控制在 55°C， 用 400瓦的功率来产生等离子体， 100瓦的功率来加 速等离子体， 进行约 5分钟的刻蚀， 得到基本垂直于绝缘薄膜层的长度 约为 1.5微米的高分子聚四氟乙烯纳米棒阵列。
本发明的摩擦纳米发电机可以利用平动动能使发电机产生电能， 为 小型用电器提供电源， 而不需要电池等电源供电， 是一种使用方便的发 电机。 另外， 本发明的摩擦纳米发电机制备方法简便、 制备成本低廉， 是一种应用范围广泛的摩擦纳米发电机和发电机组。
以上所述， 仅是本发明的较佳实施例而已， 并非对本发明作任何形 式上的限制。 任何熟悉本领域的技术人员， 在不脱离本发明技术方案范 围情况下， 都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出 许多可能的变动和修饰， 或修改为等同变化的等效实施例。 因此， 凡是 未脱离本发明技术方案的内容， 依据本发明的技术实质对以上实施例所 做的任何简单修改、 等同变化及修饰， 均仍属于本发明技术方案保护的 范围内。

Claims

权 利 要 求
1、 一种滑动摩擦纳米发电机， 其特征在于， 包括：
摩擦层，
与所述摩擦层下方接触放置的导电元件，
和， 导电层；
所述摩擦层的上表面与所述导电层的下表面相对放置；
所述摩擦层的上表面和所述导电层的下表面在外力的作用下发生 相对滑动， 并且产生与接触面相切的滑动摩擦、 同时摩擦面积在滑动过 程中发生变化， 并通过所述导电元件和导电层向外电路输出电信号。
2、 如权利要求 1 所述的发电机， 其特征在于， 所述摩擦层的上表 面材料和所述导电层的下表面材料之间存在摩擦电极序差异。
3、 如权利要求 1或 2所述的发电机， 其特征在于， 所述摩擦层的 上表面和所述导电层的下表面接触放置。
4、 如权利要求 1或 2所述的发电机， 其特征在于， 在没有外力作 用时，所述摩擦层的上表面和所述导电层的下表面分离，在外力作用下， 所述摩擦层的上表面和所述导电层的下表面接触并发生与接触面相切 的相对滑动摩擦。
5、如权利要求 1-4任一项所述的发电机， 其特征在于， 所述摩擦层 为绝缘材料或半导体材料。
6、 如权利要求 5所述的发电机， 其特征在于， 所述绝缘材料选自 聚四氟乙烯、 聚二甲基硅氧垸、 聚酰亚胺、 聚二苯基丙垸碳酸酯、 聚对 苯二甲酸乙二醇酯、 苯胺甲醛树脂、 聚甲醛、 乙基纤维素、 聚酰胺、 三 聚氰胺甲醛、 聚乙二醇丁二酸酯、 纤维素、 纤维素乙酸酯、 聚己二酸乙 二醇酯、 聚邻苯二甲酸二烯丙酯、 再生纤维海绵、 聚氨酯弹性体、 苯乙 烯丙烯共聚物、 苯乙烯丁二烯共聚物、 人造纤维、 聚甲基丙烯酸酯、 聚 乙烯醇、 聚酯、 聚异丁烯、 聚氨酯柔性海绵、 聚对苯二甲酸乙二醇酯、 聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、 聚丙烯腈、 聚 (偏氯乙烯 -co-丙烯腈)、 聚乙烯丙二酚碳酸盐， 聚苯乙烯、 聚甲基丙烯酸甲酯、 聚碳酸酯、 液晶高分子聚合物、 聚氯丁二烯、 聚丙 烯腈、 聚双苯酚碳酸酯、 聚氯醚、 聚三氟氯乙烯、 聚偏二氯乙烯、 聚乙 烯、 聚丙烯、 聚氯乙烯和派瑞林。
7、 如权利要求 6所述的发电机， 其特征在于， 所述绝缘材料选自 聚苯乙烯、 聚乙烯、 聚丙烯、 聚二苯基丙垸碳酸酯、 聚对苯二甲酸乙二 醇酯、 聚酰亚胺、 聚氯乙烯、 聚二甲基硅氧垸、 聚三氟氯乙烯、 聚四氟 乙烯和派瑞林。
8、 如权利要求 5所述的发电机， 其特征在于， 所述半导体材料选 自非掺杂的以下材料： 硅、 锗、 第 III和第 V族化合物、 第 Π和第 VI族化 合物、 由 III- V族化合物和 II -VI族化合物组成的固溶体、 非晶态的玻璃 半导体和有机半导体。
9、 如权利要求 8所述的发电机， 其特征在于， 所述第 III和第 V族 化合物选自砷化镓和磷化镓； 所述第 II和第 VI族化合物选自硫化镉和硫 化锌； 所述由 III- V族化合物和 II -VI族化合物组成的固溶体选自镓铝砷 和镓砷磷。
10、 如权利要求 1-4任一项所述的发电机， 其特征在于， 所述摩擦 层为非导电氧化物、半导体氧化物或复杂氧化物，包括氧化硅、氧化铝、 氧化锰、 氧化铬、 氧化铁、 氧化钛、 氧化铜、 氧化锌、 Βι02和 Υ203。
11、 如权利要求 1-10任一项所述的发电机， 其特征在于， 所述摩擦 层上表面和 /或导电层的下表面分布有微米或次微米量级的微结构。
12、 如权利要求 11 所述的发电机， 其特征在于， 所述微结构选自 纳米线， 纳米管， 纳米颗粒， 纳米沟槽、 微米沟槽， 纳米锥、 微米锥、 纳米球和微米球状结构。
13、如权利要求 1-12任一项所述的发电机， 其特征在于， 所述摩擦 层上表面和 /或导电层的下表面有纳米材料的点缀或涂层。
14、如权利要求 1-13任一项所述的发电机， 其特征在于， 所述摩擦 层上表面和 /或导电层的下表面经过化学改性，使得在所述摩擦层的上表 面材料引入容易得到电子的官能团和 /或在所述导电层的下表面材料引 入容易失去电子的官能团。
15、 如权利要求 14所述的发电机， 其特征在于， 所述容易失去电 子的官能团包括氨基、 羟基或垸氧基， 所述容易得到电子的官能团包括 酰基、 羧基、 硝基或磺酸基。
16、如权利要求 1-15任一项所述的发电机， 其特征在于， 所述摩擦 层上表面和 /或导电层的下表面经过化学改性，使得在所述摩擦层的上表 面材料引入负电荷和 /或在所述导电层的下表面材料引入正电荷。
17、 如权利要求 16所述的发电机， 其特征在于， 所述化学改性通 过化学键合引入带电荷基团的方式实现。
18、如权利要求 1-17任一项所述的发电机， 其特征在于， 所述导电 层由导电材料制成， 其中所述导电材料选自金属和导电氧化物。
19、如权利要求 18所述的发电机， 其特征在于， 所述金属选自金、 银、 铂、 铝、 镍、 铜、 钛、 铬或硒， 以及由上述金属形成的合金。
20、如权利要求 1-19任一项所述的发电机， 其特征在于， 所述导电 元件选自金属和导电氧化物。
21、如权利要求 20所述的发电机， 其特征在于， 所述金属选自金、 银、 铂、 铝、 镍、 铜、 钛、 铬或硒， 以及由上述金属形成的合金。
22、如权利要求 1-21任一项所述的发电机， 其特征在于， 所述导电 元件、 摩擦层和 /或导电层为薄膜。
23、如权利要求 1-22任一项所述的发电机， 其特征在于， 所述摩擦 层、 导电层和 /或导电元件为硬质的。
24、如权利要求 1-22任一项所述的发电机， 其特征在于， 所述摩擦 层、 导电层和 /或导电元件为柔性的。
25、如权利要求 1-24任一项所述的发电机， 其特征在于， 所述导电 元件固定在摩擦层下表面。
26、 如权利要求 25所述的发电机， 其特征在于， 通过沉积的方式 在所述摩擦层下表面制备所述导电元件。
27、如权利要求 1-26任一项所述的发电机， 其特征在于， 所述导电 元件与摩擦层的尺寸和形状相同。
28、如权利要求 1-27任一项所述的发电机， 其特征在于， 所述导电 元件、 摩擦层和导电层均为平面结构。
29、如权利要求 1-27任一项所述的发电机， 其特征在于， 所述导电 元件和摩擦层为曲面结构和 /或所述导电层为曲面结构。
30、一种发电方法， 其特征在于， 使用权利要求 1-29任一项的发电 机， 包括如下歩骤：
( 1 ) 提供所述摩擦层，
(2) 形成与所述摩擦层下方接触放置的所述导电元件，
(3 ) 提供所述导电层，
(4) 使所述摩擦层的上表面与所述导电层的下表面接触，
(5) 将所述导电元件和所述导电层与外电路进行电连接；
(6) 施加外力使所述摩擦层和所述导电层之间形成相对滑动， 并 产生与接触面相切的相对滑动摩擦， 在滑动过程中通过控制相对滑动距 离使所述摩擦层和所述导电层沿接触面方向发生错位、 滑动摩擦面积发 生变化；
(7) 禾 I」用所述导电元件和所述导电层向外电路输出电信号。
31、 如权利要求 30所述的发电方法， 其特征在于， 歩骤 （4) 中所 述摩擦层的上表面和所述导电层的下表面完全接触。
32、如权利要求 30或 31所述的发电方法， 其特征在于， 歩骤（6) 中施加的是方向周期性翻转或大小周期性变化的持续外力。
PCT/CN2014/071474 2013-03-12 2014-01-26 一种滑动摩擦纳米发电机及发电方法 WO2014139347A1 (zh)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015561918A JP6510429B2 (ja) 2013-03-12 2014-01-26 スライド摩擦式ナノ発電機および発電方法
KR1020157028494A KR20150134362A (ko) 2013-03-12 2014-01-26 슬라이드 마찰식 나노발전기 및 발전 방법
EP14765009.7A EP2975758B1 (en) 2013-03-12 2014-01-26 Sliding frictional nano generator and power generation method

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310077885.0A CN103368453B (zh) 2013-03-12 2013-03-12 一种滑动摩擦纳米发电机及发电方法
CN201310077885.0 2013-03-12

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014139347A1 true WO2014139347A1 (zh) 2014-09-18

Family

ID=49369150

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/CN2014/071474 WO2014139347A1 (zh) 2013-03-12 2014-01-26 一种滑动摩擦纳米发电机及发电方法

Country Status (5)

Country Link
EP (1) EP2975758B1 (zh)
JP (1) JP6510429B2 (zh)
KR (1) KR20150134362A (zh)
CN (1) CN103368453B (zh)
WO (1) WO2014139347A1 (zh)

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110681259A (zh) * 2019-09-06 2020-01-14 北京工业大学 纳米摩擦增强锰氧化物去除甲醛效率和寿命的方法和结构装置
CN111884537A (zh) * 2020-07-20 2020-11-03 北京理工大学 一种用于内燃机连杆活塞遥测装置的摩擦纳米发电机
CN112152503A (zh) * 2020-09-10 2020-12-29 西南大学 一种基于香蕉粉末的摩擦纳米发电机及发电方法和应用
CN113206610A (zh) * 2021-05-10 2021-08-03 北华航天工业学院 一种可拉伸的拱形阵列摩擦纳米发电织物及其制备方法
CN113281380A (zh) * 2021-05-20 2021-08-20 重庆大学 一种摩擦纳米发电机驱动的电介质陷阱态测量和成像***及方法
CN113433343A (zh) * 2021-06-23 2021-09-24 上海大学 一种面向环境感知的摩擦电-电磁复合流速检测装置
CN113922696A (zh) * 2021-10-06 2022-01-11 西北工业大学 一种具有荷叶仿生结构的鱼明胶摩擦纳米发电机及其制备方法
CN114131825A (zh) * 2021-11-12 2022-03-04 郑州大学 一种双面有序阵列发泡材料及其制备方法和应用
CN114485999A (zh) * 2021-12-29 2022-05-13 重庆大学 一种柔性可穿戴的颈部运动自驱动传感装置
CN114574859A (zh) * 2016-01-20 2022-06-03 梧州三和新材料科技有限公司 一种对连续非金属带材导电化和黑化处理的方法

Families Citing this family (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103795288B (zh) * 2013-04-19 2016-03-16 北京纳米能源与***研究所 一种转动式静电发电装置
CN103780136B (zh) * 2013-10-24 2016-08-17 北京纳米能源与***研究所 一种输出恒定电流的旋转摩擦发电机
CN103550864B (zh) * 2013-10-29 2015-07-08 北京纳米能源与***研究所 一种混合驱动的起搏器和混合驱动起搏器电极的方法
CN104713570B (zh) * 2013-12-16 2017-11-17 北京纳米能源与***研究所 利用摩擦发电测量物体运动参数的方法和装置
CN104779835B (zh) * 2014-01-14 2017-06-23 北京纳米能源与***研究所 一种混合式发电机和发电方法
CN104236591B (zh) * 2014-05-20 2016-11-16 北京纳米能源与***研究所 一种基于摩擦发电技术的传感装置及其制备和使用方法
CN106208800A (zh) * 2015-04-30 2016-12-07 北京纳米能源与***研究所 一种滑动式复合纳米发电机
EP3429075B1 (en) 2016-03-07 2020-10-28 Ricoh Company, Ltd. Element, cell, and power generation device
CN105811800A (zh) * 2016-05-19 2016-07-27 北京科技大学 一种单电极一体式摩擦发电机
CN106253737A (zh) * 2016-08-29 2016-12-21 孟玲 一种滑动摩擦纳米发电机维修***
CN106760379A (zh) * 2016-12-06 2017-05-31 北京科技大学 一种多功能摩擦发电地板革及传感器
JP6831106B2 (ja) * 2017-05-09 2021-02-17 学校法人 関西大学 発電体、発電装置及び圧力センサ
CN106990140A (zh) * 2017-05-16 2017-07-28 大连理工大学 一种自驱动光激发的气体传感器
KR101971933B1 (ko) * 2017-10-26 2019-08-16 제주대학교 산학협력단 자가전력 스마트 퍼즐과 이의 제조방법
WO2020022453A1 (ja) * 2018-07-25 2020-01-30 国立大学法人東京大学 摩擦発電装置
CN110432583A (zh) * 2019-08-23 2019-11-12 大连民族大学 一种基于摩擦纳米发电的计步鞋垫
WO2021106842A1 (ja) * 2019-11-26 2021-06-03 株式会社村田製作所 糸
CN111664875B (zh) * 2020-05-27 2022-05-20 江苏大学 一种带表面微织构的变接触面积结构自供能滑觉传感器
CN111564986A (zh) * 2020-06-05 2020-08-21 西南大学 基于青霉素药片的摩擦纳米发电机及其制作方法和应用
CN112187092B (zh) * 2020-09-24 2021-08-17 东南大学 一种自动扶梯能量收集装置
CN112636629A (zh) * 2020-12-30 2021-04-09 深圳清华大学研究院 基于结构超滑的肖特基微发电机及其制备方法
CN113697101A (zh) * 2021-09-03 2021-11-26 电子科技大学 摩擦纳米发电集成的微型扑翼飞行器能量自回收柔性翅翼
CN114142763B (zh) * 2021-12-03 2024-03-19 中国科学院兰州化学物理研究所 一种纳米摩擦发电机

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102246407A (zh) * 2008-12-08 2011-11-16 欧姆龙株式会社 静电感应型的能量变换元件
CN102342011A (zh) * 2009-12-03 2012-02-01 松下电器产业株式会社 振动发电器、振动发电装置、以及装载有该振动发电装置的电子设备与通信装置
CN102474203A (zh) * 2009-08-21 2012-05-23 欧姆龙株式会社 静电感应型发电装置
CN102684546A (zh) * 2012-05-15 2012-09-19 纳米新能源（唐山）有限责任公司 一种摩擦发电机
CN103368447A (zh) * 2012-08-13 2013-10-23 国家纳米科学中心 静电脉冲发电机和直流脉冲发电机

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4429029A1 (de) * 1994-08-16 1996-02-29 Gore & Ass Generator für die Erzeugung elektrischer Energie
JPH1198868A (ja) * 1997-09-12 1999-04-09 Terumo Corp 静電型発電装置
CN101604930B (zh) * 2008-06-13 2012-05-23 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 发电机
US8519677B2 (en) * 2009-08-27 2013-08-27 Asteism, Inc. Electrostatic power harvesting
US9178446B2 (en) * 2011-08-30 2015-11-03 Georgia Tech Research Corporation Triboelectric generator

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102246407A (zh) * 2008-12-08 2011-11-16 欧姆龙株式会社 静电感应型的能量变换元件
CN102474203A (zh) * 2009-08-21 2012-05-23 欧姆龙株式会社 静电感应型发电装置
CN102342011A (zh) * 2009-12-03 2012-02-01 松下电器产业株式会社 振动发电器、振动发电装置、以及装载有该振动发电装置的电子设备与通信装置
CN102684546A (zh) * 2012-05-15 2012-09-19 纳米新能源（唐山）有限责任公司 一种摩擦发电机
CN103368447A (zh) * 2012-08-13 2013-10-23 国家纳米科学中心 静电脉冲发电机和直流脉冲发电机

Cited By (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114574859A (zh) * 2016-01-20 2022-06-03 梧州三和新材料科技有限公司 一种对连续非金属带材导电化和黑化处理的方法
CN110681259A (zh) * 2019-09-06 2020-01-14 北京工业大学 纳米摩擦增强锰氧化物去除甲醛效率和寿命的方法和结构装置
CN110681259B (zh) * 2019-09-06 2024-04-19 北京工业大学 纳米摩擦增强锰氧化物去除甲醛效率和寿命的方法和结构装置
CN111884537A (zh) * 2020-07-20 2020-11-03 北京理工大学 一种用于内燃机连杆活塞遥测装置的摩擦纳米发电机
CN111884537B (zh) * 2020-07-20 2022-07-29 北京理工大学 一种用于内燃机连杆活塞遥测装置的摩擦纳米发电机
CN112152503A (zh) * 2020-09-10 2020-12-29 西南大学 一种基于香蕉粉末的摩擦纳米发电机及发电方法和应用
CN113206610B (zh) * 2021-05-10 2022-05-03 北华航天工业学院 一种可拉伸的拱形阵列摩擦纳米发电织物及其制备方法
CN113206610A (zh) * 2021-05-10 2021-08-03 北华航天工业学院 一种可拉伸的拱形阵列摩擦纳米发电织物及其制备方法
CN113281380A (zh) * 2021-05-20 2021-08-20 重庆大学 一种摩擦纳米发电机驱动的电介质陷阱态测量和成像***及方法
CN113281380B (zh) * 2021-05-20 2024-06-11 重庆大学 一种摩擦纳米发电机驱动的电介质陷阱态测量和成像***及方法
CN113433343A (zh) * 2021-06-23 2021-09-24 上海大学 一种面向环境感知的摩擦电-电磁复合流速检测装置
CN113922696A (zh) * 2021-10-06 2022-01-11 西北工业大学 一种具有荷叶仿生结构的鱼明胶摩擦纳米发电机及其制备方法
CN113922696B (zh) * 2021-10-06 2024-05-07 西北工业大学 一种荷叶仿生结构的鱼明胶摩擦纳米发电机及其制备方法
CN114131825A (zh) * 2021-11-12 2022-03-04 郑州大学 一种双面有序阵列发泡材料及其制备方法和应用
CN114131825B (zh) * 2021-11-12 2024-02-02 郑州大学 一种双面有序阵列发泡材料及其制备方法和应用
CN114485999A (zh) * 2021-12-29 2022-05-13 重庆大学 一种柔性可穿戴的颈部运动自驱动传感装置
CN114485999B (zh) * 2021-12-29 2024-01-19 重庆大学 一种柔性可穿戴的颈部运动自驱动传感装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN103368453A (zh) 2013-10-23
EP2975758A1 (en) 2016-01-20
EP2975758B1 (en) 2019-12-04
KR20150134362A (ko) 2015-12-01
JP6510429B2 (ja) 2019-05-08
CN103368453B (zh) 2016-04-13
EP2975758A4 (en) 2016-12-21
JP2016510206A (ja) 2016-04-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2014139347A1 (zh) 一种滑动摩擦纳米发电机及发电方法
WO2014139346A1 (zh) 一种滑动摩擦纳米发电机及发电方法
CN103368449B (zh) 一种滑动摩擦纳米发电机
CN103368451B (zh) 一种滑动摩擦纳米发电机
WO2014082561A1 (zh) 脉冲发电机和发电机组
Wang et al. Achieving an ultrahigh direct-current voltage of 130 V by semiconductor heterojunction power generation based on the tribovoltaic effect
WO2014169724A1 (zh) 一种风力摩擦纳米发电机
WO2014139364A1 (zh) 一种套层滑动式摩擦纳米发电机
CN103780122A (zh) 一种滑动式摩擦纳米发电机组
WO2014198155A1 (zh) 单电极摩擦纳米发电机、发电方法和自驱动追踪装置
WO2015010419A1 (zh) 一种基于滑动摩擦的脉冲发电机和发电方法
CN103337985B (zh) 一种基于横向摩擦的单表面摩擦发电机及其制备方法
WO2014169673A1 (zh) 一种转动式静电发电装置
WO2014089891A1 (zh) 一种微纳集成发电机及其制备方法
CN110995050B (zh) 放电摩擦发电机
WO2014117683A1 (zh) 一种滑动摩擦纳米发电机组和发电装置
CN103997253A (zh) 一种包括柔性拍打面的摩擦发电装置和发电方法
WO2014114028A1 (zh) 一种单摩擦表面微型发电机及其制造方法
Benner et al. Mechanism of in-plane and out-of-plane tribovoltaic direct-current transport with a metal/oxide/metal dynamic heterojunction
WO2014139348A1 (zh) 一种滑动式摩擦纳米发电机组
CN205811876U (zh) 一种双层波浪形杂化纳米发电机
WO2017124718A1 (zh) 一种纳米发电机及其制造方法
CN206697525U (zh) 一种基于金属卤化物钙钛矿的压光器件
KR102510166B1 (ko) 압전 소자 및 이의 제조 방법

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14765009

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2015561918

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20157028494

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2014765009

Country of ref document: EP