摩擦纳米发电机(王中林等)思维导图
纺织基摩擦纳米发电机的研究进展
2021年3月Cotton Textile Technology纺织基摩擦纳米发电机的研究进展杨月茹崔翔宇夏鑫王颖程璐（新疆大学，新疆乌鲁木齐，830046）摘要：探讨纺织基摩擦纳米发电机在智能可穿戴电子器件领域的研究及应用现状。
从纤维层面，摩擦纳米发电机依据结构类型分为螺旋缠绕结构、多层包裹结构、螺旋缠绕与多层包裹相结合的结构。
从织物层面，按照摩擦纳米发电机制备方法分为多层堆叠法和纺织织造法。
根据不同应用领域，对纺织基柔性摩擦纳米发电机的应用现状进行了系统综述。
指出了纺织基摩擦纳米发电机在发展中存在的问题，并展望了其未来研究的方向。
认为：纺织基摩擦纳米发电机的研发趋向于便携化和微型精细化；在未来智能化可穿戴器件中，其必将渗透于我们日常生活的方方面面。
关键词：摩擦纳米发电机；电极材料；人体机械能；纤维；织物；智能可穿戴电子器件；环保中图分类号：TS101.8文献标志码：B文章编号：1000-7415（2021）03-0077-08Research Progress of Textile-based Friction Nano GeneratorYANG Yueru CUI Xiangyu XIA Xin WANG Ying CHENG Lu（Xinjiang University，Urumqi，830046，China）Abstract Research and application status of textile-based friction nano generators in the field of intelligent wearable electronic devices were discussed.From aspect of fiber，friction nano generator was divided into spiral winding structure，multi-layer wrapping structure，spiral wound and multi-layer wrapped phase according to the structure type.From aspect of fabric，friction nano generator was divided into multilayer stacking method and textile weaving method according to preparation method.According to different application fields，application status of textile-based flexible friction nano generators was systematically reviewed.Problems in the development of textile-based friction nano generators were pointed out and the future research directions were prospected.It is considered that research and development of textile-based friction nano generators tends to be portable and miniaturized.In the future intelligent wearable devices，it will surely penetrate all aspects of our daily lives.Key Words friction nano generator，electrode material，human body mechanical energy，fiber，fabric，intelligent wearable electronic device，environmental protection随着工业的飞速发展，绿色可再生能源（如太阳能、机械能、微生物化学能等）的探索与开发已成为各领域的研究热点，近年来诸学者更是在人体机械能的应用领域掀起了一股浪潮。
摩擦电纳米发电机的结构设计及其相关应用研究
摩擦电纳米发电机的结构设计及其相关应用研究一、本文概述随着纳米技术的迅猛发展和对可再生能源需求的日益增长，摩擦电纳米发电机作为一种新兴的能源转换装置，其结构设计及其相关应用研究正受到越来越多的关注。
本文旨在全面探讨摩擦电纳米发电机的结构设计原理，以及其在不同领域的应用前景。
本文将首先介绍摩擦电纳米发电机的基本工作原理和关键组成部分，包括纳米材料的选择、电极结构设计、摩擦层材料的搭配等。
在此基础上，我们将深入讨论不同结构设计对发电机性能的影响，如输出电压、电流密度、能量转换效率等关键指标。
接下来，本文将重点介绍摩擦电纳米发电机在能源转换、自驱动传感器、环境监测、生物医学等领域的应用案例。
通过具体实例，我们将展示其在提高能源利用效率、推动可持续发展等方面的巨大潜力。
本文还将对摩擦电纳米发电机未来的发展趋势和挑战进行展望，以期为该领域的研究者和从业者提供有益的参考和启示。
通过本文的阐述，我们期望能够推动摩擦电纳米发电机技术的进一步发展和应用，为构建绿色、可持续的能源体系贡献力量。
二、摩擦电纳米发电机的基本原理及特点摩擦电纳米发电机是一种利用摩擦起电和静电感应效应将机械能转化为电能的装置。
其基本原理在于，当两种不同材料的表面相互接触并发生摩擦时，由于材料的电子亲和能不同，电子会从一种材料转移到另一种材料，从而在两个表面上分别产生正电荷和负电荷。
当这两个带电表面分开后，它们之间会形成电场，此时如果在这两个表面之间接入一个外部电路，电荷的流动将产生电流。
高效能量转换：纳米尺度的结构使得发电机在微观尺度上具有高效的能量转换效率，能够有效地将微小的机械能转换为电能。
材料多样性：摩擦电纳米发电机可以使用多种材料制作，包括聚合物、金属、无机物和复合材料等，这为发电机的设计和应用提供了广阔的空间。
自供电特性：由于摩擦电效应是自发产生的，摩擦电纳米发电机不需要外部电源，具有自供电的特性，适用于各种需要独立电源的应用场景。
摩擦发电
北京时间2014年3月18日下午，中国科学院北京纳米能源与系统研究所举办了摩擦发电新能源技术成果展示会，纳米能源所王中林院士携其研究团队展示了摩擦电发电机的最新研究成果，并进行了现场操作，体验“一举一动皆能发电”的全新能源供给模式。
王中林院士首先介绍了摩擦电发电机的基本原理，并通过视频展示了几个摩擦电发电机的工作状态。
之后，王中林院士和其团队的研究人员在实验室向记者现场演示了包括旋转式直流摩擦发电机、刹车发电模拟装置、自驱动无线触摸报警器、柔性透明摩擦发电机、碟式宽频摩擦发电机、脚踏式摩擦发电机、潮汐能收集装置等在内的20件摩擦发电装置的现场发电操作。
展示了摩擦电发电机对空气流动、水体流动和人体活动等各种机械能的高效收集能力，以及在绿色能源供给与自供能传感方面的巨大应用前景。
摩擦电发电机或将助力灾难救援摩擦电发电机的动力源既可以是已被人们认识的风力、水力、海浪等大能源，也可以是人的行走、身体的晃动、手的触摸、下落的雨滴等从没被人们注意过的环境随机能源，更可以是车轮的转动、机器的轰鸣等被人们浪费、甚至是讨厌的垃圾能源。
摩擦电发电机通过附着在产生这些动力的物体之上，而实现对机械能的有效收集。
如此广泛的适用范围主要得益于其结构与运动主体的良好兼容性，而且这种兼容性也使其有望通过人类自身的活动为便携式、可穿戴式设备直接供电，从根本上解决便携设备功能越来越多、电池越来越不够用的矛盾。
“未来人们遭遇空难、地震等重大灾难时，可以通过自带发电设备传输救援信号。
”王中林院士现场演示了手套摩擦生电技术，这一技术或将延展到走路时手臂的晃动，甚至是裙摆的摩擦。
当面对重大灾难时，被困人员可通过自发电为搜救人员提供重要位置信息。
摩擦电发电机将全面升级穿戴设备研究发现，摩擦电发电机的电信号输出与动力源的性质有明显相关性，这使得摩擦电发电机不仅可以作为电源，还可以作为传感器，用来反映物体的动作信息。
感受终端无需电源，能够通过被测试对象自身的活动来驱动，实现自驱动的主动式传感。
摩擦纳米发电机的结构与原理分析
42机械装备Mechanized Equipment2017年3月下摩擦纳米发电机的结构与原理分析贾沛宇（河南大学物理与电子学院，河南 开封 475000）摘要：文章分析摩擦纳米发电机的基本工作原理；阐明摩擦纳米发电机与传统发电机相比的显著优势；概括总结了目前摩擦纳米发电机的几种基本结构；结合世界能源发展现状和当今智能化、微型化的时代潮流指出了摩擦纳米发电机广阔的应用和发展前景。
关键词：摩擦纳米发电机；原理；基本结构中图分类号：TB857+.3 文献标志码：A文章编号：1672-3872（2017）06-0042-01目前，世界主要消耗能源为石油、煤炭等不可再生资源。
面对人们日益增长的能源需求和世界能源储备有限的矛盾，清洁能源的开发和利用成为时代的共识。
清洁能源包括风能、水能、潮汐能等无污染、可持续利用的能源。
清洁可再生资源的有效利用成为关乎世界和平与经济发展的重要问题。
1 基本结构2012年美国佐治亚理工学院的王中林教授团队首提摩擦纳米发电机。
摩擦纳米发电机是基于静电感应和摩擦起电的耦合作用而成的发电机，可以广泛利用各种能量，将机械能转化为电能。
顾名思义，摩擦纳米发电机有两个基本特点：①摩擦发电产生的电流较小，只能用于微小器件的供电，如点亮LED灯等；②为了增大摩擦，提高发电效率，需要在材料选择及设计上增加纳米结构。
摩擦纳米发电机主要由两部分组成，依靠两种电负性相差很大的材料摩擦从而产生电能的摩擦部分；将交流电整流成直流电或者储存电能的电流部分。
摩擦部分由电负性相差很大的两层高分子薄膜组成。
得失电子差异性大更有利于电荷的产生，从而提高输出电能的效率。
两层高分子薄膜附着在两个金属电极上实现发电。
选取的负电材料有PET、PTFE、CAPTON等；选取的正电材料有金属，尼龙等。
在选取材料时，两种材料相对电负性相差较大即可。
除此之外，还需适合结构设计、起支撑作用的亚克力板来作为支撑，使摩擦部分更加稳定，从而平稳输出电能。
一种摩擦纳米发电机[发明专利]
![一种摩擦纳米发电机[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/c915c8dbb9f67c1cfad6195f312b3169a551ea63.png)
(10)申请公布号 (43)申请公布日 2014.05.07C N 103780127A (21)申请号 201310129681.7(22)申请日 2013.04.15H02N 1/04(2006.01)(71)申请人国家纳米科学中心地址100190 北京市海淀区中关村北一条11号(72)发明人王中林 杨亚(74)专利代理机构北京润平知识产权代理有限公司 11283代理人南毅宁肖冰滨(54)发明名称一种摩擦纳米发电机(57)摘要本发明提供一种摩擦纳米发电机，包括壳体和置于壳体空腔中可自由运动的芯体，所述芯体自内向外依次包括：内芯、附着在所述内芯外表面的第一导电层以及与所述第一导电层的外表面接触设置的第一摩擦层，所述第一摩擦层的外表面面向所述空腔；所述壳体自外向内依次包括：外壳、附着在所述外壳内表面的第二导电层以及与所述第二导电层的内表面接触设置的第二摩擦层，所述第二摩擦层的内表面面向所述空腔。
在外力作用下，芯体在所述空腔中运动，使所述第一摩擦层的外表面与第二摩擦层的内表面接触和分离，所述第一导电层和第二导电层能够向外电路输出电信号。
本发明提供的摩擦纳米发电机是一种结构简单、应用范围广泛的装置。
(51)Int.Cl.权利要求书3页 说明书14页 附图6页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书3页 说明书14页 附图6页(10)申请公布号CN 103780127 A1.一种摩擦纳米发电机，其特征在于，该摩擦纳米发电机包括壳体和芯体，其中，所述芯体置于所述壳体的空腔中，所述芯体自内向外依次包括：内芯、附着在所述内芯外表面的第一导电层以及与所述第一导电层的外表面接触设置的第一摩擦层，所述第一摩擦层的外表面面向所述空腔；所述壳体自外向内依次包括：外壳、附着在所述外壳内表面的第二导电层以及与所述第二导电层的内表面接触设置的第二摩擦层，所述第二摩擦层的内表面面向所述空腔；在外力作用下，所述芯体在所述空腔中运动，使所述第一摩擦层的外表面与所述第二摩擦层的内表面接触和分离，所述第一导电层和所述第二导电层向外电路输出电信号。
中科院成功研制摩擦纳米发电机
同行 专家评价称 ，这种摩擦 发 电机通 过结构 的精巧 设计 术标 准与规范体 系进一步完善 ，节能减排科技创新 与服务能
中 国
电极 材料制成 ，具有极轻 的重量和极 小的体积 ，特 别适合于 为便 携式 ／穿戴 式 电子设备或无 线传感阵列等小 型电器提供
我国力促 工业节能减 排技术和 装备体 系 升级
日前 ，科 技部 、工信 部联 合 印发 ￣ ２ ０ １ ４～ ２ ０ １ ５年 节能
电能 ；二是摩擦 发 电机 的制 作材料均 为大规模工业 化原料 ，
力 或直 接 充 电。
整套设备 采用全新 的设 计 ，在保证产 品质 量稳定 的同时 ，使 生产效率得 到大幅度提升 ，三秒一片 的高 效产能成为该设 备
的最大亮点。
和传统 的电磁发 电机相 比，王 中林 团 队研 发的摩擦发 电
机 具有诸 多优势 ：一是摩擦 发 电机 由薄膜高分子材 料和薄膜
席 科 学 家 王 中林 院 士 领 导 的研 究 小 组 完 成 ，相 关 论 文 已在 线
发表于最新一期 先进能源材料》 。 据 了解 ，摩 擦纳米 发 电机的原理 基于摩擦起 电和静 电感 应现象 ，在周 期性 的机 械能输入 下 ，其直接 输出为交流 电 ， 需 要外接 整流桥后 才能给 电子器件供 电。 中科 院纳米能源所
而 同时具 有 输 出高、尺 寸小 和成 本 低等 优 势，为 日常 生活
中 利 用 机 械 能 实 现 电子 设 备 自供 电 提 供 了一 种 切 实 可 行 的 方
法 。对 于没有 电网覆盖的 区域 ，将 有望通过 人的 日常活动而
获 取 足 以点 亮 电灯 、给 手 机 供 电 的能 源 。
纳米发电机-sch
压电式纳米发电机
组成和原理
肖特基势垒：具有整流作用
原理：在直立式发电机中，氧化
锌纳米线一端固定，并与一个固定 电极相连。而当氧化锌线自由端在 驱动电极的作用下受力变形时，纳 米线一侧受压缩而另一侧被拉伸。 由于氧化锌同时具有半导体和压电 性质，这就使得纳米线拉伸和压缩 的两个相对侧面分别产生正、负压 电电势，借助半导体性质的氧化锌 纳米线和其金属尖部的肖特基势垒 将电能暂时储存在氧化锌纳米线内， 并可用导电的原子力显微镜探针接 通这一电源，通过肖特基势垒整流 后，向外界输电。
前言
主要成就
3. ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ米传感器和新型器件的原理和应用
王中林基于纳米级压电和半导体性能的巧妙耦合 提出了纳米压电电子学 (nanopiezotronics)的概念，即 利用压电效应所产生的电场来调制和控制载流子运动 的原理来制造新型的器件，首次制造出压电场效应三 级管，压电二极管。
发表了600篇期刊学术论文，45篇书章节，28项美国 和中国专利，4 本专著和20本编辑书籍及会议文集， 其中有15篇发表在《Science》，《Nature》及其子刊 物上，论文被引用达31,000 次以上
热释电纳米发电机
原理
第一热释电效应：描述了在没有应变情况下的产生的电 荷，存在于PZT，BTO等铁电材料中。其机理是基于热 诱导的电偶极子在平衡轴附近的随机摆动，其大小随着 温度变化的增加而变大。
第二热释电效应：描述了热膨胀引起的应变导致的电荷， 其存在于ZnO、CdS以及其他一些纤锌矿结构材料。热 形变可以引起材料中的压电电势差，它能够驱动电子在 外电路中的流动。
纳米发电机
压电式纳米发电机
交流纳米发电机 热释电纳米发电机
单电极摩擦纳米发电机、发电方法和自驱动追踪装置[发明专利]
![单电极摩擦纳米发电机、发电方法和自驱动追踪装置[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/a9ee60e9a48da0116c175f0e7cd184254b351ba4.png)
(10)申请公布号 (43)申请公布日 2014.12.24C N 104242723A (21)申请号 201310233679.4(22)申请日 2013.06.13H02N 1/04(2006.01)(71)申请人国家纳米科学中心地址100190 北京市海淀区中关村北一条11号(72)发明人王中林 杨亚 张虎林(74)专利代理机构北京润平知识产权代理有限公司 11283代理人肖冰滨陈潇潇(54)发明名称单电极摩擦纳米发电机、发电方法和自驱动追踪装置(57)摘要本发明利用聚合物材料和金属材料具有不同的摩擦电性质而构建出单电极的摩擦发电机，制作了基于该发电机的追踪系统。
该追踪系统由多个发电机单元构成阵列矩阵，当物体在追踪系统上面移动时，压力作用在发电机上，将会导致构成发电机的两层摩擦电材料接触，从而对外输出电信号。
当物体离开该发电机时，构成发电机的两层摩擦电材料由于弹性材料的作用，并会分离，也同样会对外输出电信号。
本发明的基于摩擦发电机的追踪系统可以对一些物体的移动路线进行追踪，具有成本低、自驱动和结构简单等特点。
(51)Int.Cl.权利要求书4页 说明书13页 附图7页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书4页 说明书13页 附图7页(10)申请公布号CN 104242723 A1.一种单电极摩擦纳米发电机，其特征在于包括摩擦层和电极层，所述电极层的数量仅有一个并与所述摩擦层面对面放置，所述电极层与等电位源电连接，所述摩擦层和电极层的至少部分表面在外力的作用下能够发生接触和分离，同时通过所述电极层和所述等电位源输出电信号。
2.如权利要求1所述的发电机，其特征在于所述摩擦层和所述电极层之间存在摩擦电极序差异。
3.如权利要求2所述的发电机，其特征在于所述摩擦层选自聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚乙烯醇缩丁醛、尼龙、聚丙烯腈和聚双苯酚碳酸酯。