随着世界经济和社会的发展,常规能源供应短缺危机日益严重,化石能源大量开发利用造成人类生存环境日益恶化,使新能源的开发利用及节能减排成为人类社会发展必须解决的重大课题。因此世界上很多国家都都制定了以能源安全供应的核心能源政策。一些常见的可再生清洁能源像太阳能、风能、海洋能等已经成功的被采集并转化成电能,但这些能源提取装置主要是基于电磁转换原理或光伏效应,且装备的原材料、制造工艺、运行维护成本都较高。目前,基于电磁转换原理的发电设备尚不适合作为便携式发电机,因此突破常规理论,开发低成本、长寿命、便携式的发电系统尤为重要。目前的摩擦纳米发电机(TENG)在摩擦材料的选择以及材料表面处理已经做了很多的工作,主要目的就是增大表面电荷密度以及电荷转移效率,进而增大TENG的输出性能。但几乎所有的结构都是在二维的层次而且材料的选择上几乎都是柔性较差和不可拉伸电极材料。针对以上问题:本文创新性的提出两种结构的摩擦纳米发电机(TENG),一种是基于折叠的双螺旋结构摩擦纳米发电机,实现了从二维结构向三维结构的转变;一种是基于超弹性材料的单电极摩擦纳米发电机,开发了一种柔性导电摩擦电极,整个器件呈现柔性,可拉伸。本文主要内容如下:(1)主要分析设计了一种基于PDMS的垂直接触摩擦纳米发电机。基于摩擦生电和静电感应原理着重分析了其工作原理,逐步推导了分离距离、电荷转移量与电压这三者之间的关系,通过公式分析其输出性能的影响因素。并利用COMSOL有限元仿真软件进一步验证,分析了摩擦纳米发电机在工作中的电势以及电能密度的分布和变化情况。并对基于PDMS垂直接触摩擦纳米发电机进行了系统的实验性能测试和结果分析,结果表明当振动频率为5 Hz时PDMS摩擦纳米发电机(3×3cm)产生的开路电压和短路电流的峰值能够达到196 V和9.4μA;当电阻为33MΩ时,该摩擦纳米发电机输出功率达到最大,为0.5 mW。(2)制造了一种基于折叠的双螺旋结构的静电摩擦纳米发电机,并证明了其输出性能与面积呈线性关系。该静电摩擦纳米发电机呈三维(3D)构型,实现了从二维平面器件到3D器件的的扩展,为静电摩擦纳米发电机的实际应用提供了一种解决方案。系统的进行了实验测试,结果表明电荷转移量与面积呈正相关,由3×3cm尺寸的9个基本单元组成TENG在5Hz的外力驱动下的最大输出可以达到6.2μA、90 V、0.12 mW,其最佳电阻匹配为13 MΩ。该摩擦纳米发电机可以点亮数十个串联的蓝色LED灯,并可以高效地对电容器进行充电,验证了该折叠结构的可行性,为摩擦纳米发电机的实用性提供了一种可行性结构。(3)研究展示了一种超弹性单电极摩擦纳米发电机,主要由Ecoflex 00-30硅胶和Ecoflex 00-30@CNT@C构成,其中Ecoflex 00-30作为单电极摩擦纳米发电机的摩擦层,以Ecoflex 00-30@CNT@C复合材料作为可拉伸电极。由于其电极以及摩擦层都可拉伸,因此整个器件具有柔性、可拉伸性能。实验表明,该器件在超过300%的拉伸状态下也可正常工作。在3 HZ频率的情况下,该单电极摩擦纳米发电机的最优负载为5 MΩ,并且其峰值功率密度可以达到7.2 w/m~2。利用制造的超弹性单电极摩擦纳米发电机可以点亮数十个不同型号的LED灯,而且实现了为手表和计算器等小型电子元件供电。