大自然环境中广泛存在很多非常容易被人们所忽略的能量,例如人体运动能、机械振动能、风能、波浪能。因此,基于现阶段可持续能源的发展,如何有效地采集上述微小能源已经成为近年来的研究热点。2012年王中林院士课题组摩擦纳米发电机的成功研制为微能源采集技术提供了新思路。其工作原理是通过两种不同摩擦电极序的材料接触后产生的表面静电荷在外力的作用下所形成的电势差变化所引起外部交流电信号。摩擦纳米发电机的工作原理简单、摩擦材料多样,可以广泛应用于收集人体运动机械能、波浪能、风能等多种形式的微小能源。然而,内阻高、开路电压大、短路电流小,致使其收集的能量无法得到高效率的输出,所以本文将通过电介质材料优化和双尖结构性能分析两个方面来进一步改善摩擦纳米发电机的输出性能。通过对摩擦纳米发电机的工作模式、电容理论模型等理论的分析,从如何提高表面摩擦电荷密度出发,提出了两种提高摩擦纳米发电机输出性能的途径。第一种是通过提高电介质材料相对介电常数,探索提高摩擦纳米发电机的电学输出性能的方法。第二种是通过减少电介质材料有效厚度,探索提高摩擦纳米发电机的电学输出性能的方法。并且通过上述两种方法得到的摩擦材料与摩擦正性材料制备出简易的摩擦纳米发电机,测试其性能,实验结果表明这两种途径均可以提升摩擦纳米发电机的输出性能。通过将静电放电原理和摩擦纳米发电机工作原理的结合,同时借鉴“避雷针”的设计,制备出双尖结构,用于提取摩擦纳米发电机接触起电产生的感应电荷。原理在于用摩擦纳米发电机产生的高电势驱动双尖结构之间的气体发生电离,从而产生导电通道,使得感应电荷通过,以实现对传统摩擦纳米发电机输出能力的改善。同时,根据汤森放电理论,气体放电的发生和发展会随气体类型、浓度、压力和电场强度而变化。因此本文通过测试不同气压、不同气体下的双尖结构辅助下的摩擦纳米发电机的开路电压,来进一步优化双尖结构的参数。最后,本文通过利用高介电性能的电介质材料和优化后的双尖结构,制备出无双尖辅助的摩擦纳米发电机和有双尖辅助的摩擦纳米发电机。分别测试其电学输出性能,结果表明,相比于无双尖的摩擦纳米发电机,带有双尖的摩擦纳米发电机的峰峰短路电流和峰峰开路电压均有所提高。同时带有双尖的摩擦纳米发电机比不带双尖的摩擦纳米发电机的峰值功率和峰值功率密度大22.2倍。有双尖辅助的摩擦纳米发电机的匹配阻抗比无双尖辅助的匹配阻抗小三个数量级。文章最后,将摩擦纳米发电机用于驱动外部设备,结果显示在使用了双尖结构之后,户外路灯所发出的亮度从1.2lx增加到10lx,提升了8.3倍。因此,实验结果进一步证明,使用了高介电性能的电介质材料和优化后的双尖结构之后,进一步改善了摩擦纳米发电机内阻大的问题,为其实现大规模应用奠定了坚实的基础。