在以物联网技术为核心的信息产业发展浪潮下,个人移动设备及传感设备不断沿着微型化、智能化、共享化及网联化的方向发展,并逐渐渗透到医疗保健、环境监测、人机互动及国防安全等各个领域,传统的蓄电池供能将不能满足或无法适应传感器网络的工作环境和要求,因此驱动这些数目庞大的传感器设备是亟待解决的问题。自2012年以来,摩擦纳米发电机的发明实现了对环境中低频机械能源的有效收集,是可再生清洁能源领域的前沿研究课题,并在自驱动应用领域中取得长足的进展。基于摩擦纳米发电机的自驱动系统将极大地推进物联网传感技术的发展,甚至成为发展的方向。因此,摩擦纳米发电机的深入研究具有十分重要的理论和实际价值。摩擦纳米发电机作为一种新型的机电能量转换装置,具有结构简单、质量轻巧、成本低、选材多样、能量转换效率高等特点,可以通过合理的设计将环境中各种形式的能量有效转换为所需电能。在摩擦纳米发电机的四种工作模式中,独立层模式中由于摩擦层和电极相对独立且互不干扰,在应用层面更具优势。本论文以独立层式摩擦纳米发电机为研究对象,由于独立层式摩擦纳米发电机主要用于风能、波浪能及环境振动能的收集,因此将针对以上三种不同能量形式,分别提出并设计不同能量形式下的独立层式摩擦纳米发电机结构设计和原理,测试并研究摩擦纳米发电机的输出性能及影响因素,通过实验与仿真相结合的方式对参数进行优化,构建相应的自驱动系统并对其相关性能开展研究。论文取得的主要创新性成果有:（1）以风能为能量来源,提出并成功设计了风能驱动独立层式摩擦纳米发电机的结构与原理。结构和原理设计中采用三明治结构以及构造纳米线的方法实现输出电压和电荷增强,同时引入了新型风能采集结构和软摩擦模式,增强设备动力学性能和耐久度;研究得到了摩擦纳米发电机的电气性能,根据其输出特性分别构建了高压等离子体放电自驱动系统和Ag+离子回收电化学自驱动系统;在等离子体自驱动系统中,获得了等离子体的基本放电特性,取得了不同参数配置对不同模式下的放电特性影响规律,得到了0.2 mm电极距离,1000 sccm气体流量作为自驱动等离子体放电平台的最佳参数配置;在Ag+离子回收电化学自驱动系统中,测试得到了不同混合溶液的反应效率,发现了该值与混合溶液等效电阻呈正相关、与Ag+离子添加浓度呈负相关的影响规律,并从阈值电压的角度分析了等效电阻值对反应效率的影响机制,提出了以摩擦纳米发电机作为电化学电源时电解液中等效电阻值的适宜变化范围。（2）以波浪能为能量来源,提出并成功设计了波浪能驱动独立层式复合摩擦纳米发电机的结构与原理。结构设计中将摩擦纳米发电机与电磁式发电机进行结合,将有效工作区域扩展至宽频率宽负载域;原理设计中将独立层工作模式与接触分离的工作模式相互融合,使其兼顾两者的优点;测试得到了复合式发电机的输出性能以及两种发电机的工作频率范围和工作负载范围,研究得到了拓扑结构、工作条件以及聚合物介质等因素对输出性能的影响规律,在拓扑结构的影响规律中揭示了能源转换环节中能量传递损耗机制,即能量传递损耗是由器件的能量收集效率和储存单元的能量储存效率共同导致的;在聚合物介质的影响规律中分析获得了金属—聚合物接触带电机理,即界面电子在介质接触时需要克服界面势垒进行传递,并由金属表面转移到聚合物表面的最低未占据分子轨道,形成界面局部电场不断增强的隔断区;最后构建了波浪能自驱动系统,得到了其在整个工作频率段下的平均输出功率和电容充电特性,以及摩擦纳米发电机部分和电磁式发电机部分的最佳工作频率。（3）以振动能为能量来源,提出并成功设计了振动驱动独立层式摩擦纳米发电机的结构与原理。结构设计中采用了环形管状结构,保障了液体在长期运行过程中不易流失,同时引入了电刷结构实现直流信号的输出;在原理设计中采用了隔空式独立层工作模式,避免了因液体流动导致输出信号的不稳定。研究得到了发电机的输出性能及影响因素,获得了结构参数、工作条件以及液体介质等因素对输出性能的影响规律,得到了6 mm直径,25cm铜电极长度为FEP管的最佳结构参数,以及70 rpm旋转转速,7 m L液体体积为最佳工作条件;在液体介质的影响规律中,从宏观和微观层面分析获得了液体—聚合物介质接触带电机理,即接触带电由宏观层面的接触角影响因素和微观层面的极性因素共同决定的,产生的电荷量与两种因素均呈正相关影响。最后构建了振动能自驱动发电系统和自驱动化学分析系统,不仅实现了实现脉冲宽度可调、相位差可移动的多相输出信号,同时也提出了一种无源检测液体介质成分或者已知液体含水量的技术手段。