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摩擦纳米发电机


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摩擦纳米发电机
  • 书号:9787030517494
    作者:王中林等
  • 外文书名:
  • 丛书名:
  • 装帧:精装
    开本:B5
  • 页数:468
    字数:589000
    语种:zh-Hans
  • 出版社:科学出版社
    出版时间:2017-03-01
  • 所属分类:材料科学与工程 能源与动力工程 化学理论
  • 定价: ¥198.00元
    售价: ¥168.30元
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    纸质书
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摩擦纳米发电机是一项颠覆性技术并具有史无前例的输出性能和优点。与经典电磁发电机相比,摩擦纳米发电机在低频下的高效能是同类技术无法比拟的。同时它也可以作为自驱动的传感器来感知由机械触发所产生的静态和动态过程的信息。本书是首部系统全面地介绍摩擦纳米发电机的四种工作模式,以及相应的理论模型和计算、器件设计及它们在回收人体活动、振动、风能、海洋能、水流等动能中的广泛应用的专著。同时也系统介绍了摩擦纳米发电机在移动/穿戴/柔式电子产品、生物医学器件、传感网络、物联网、环境保护和传感、基础设施检查和蓝色能源等方面的应用实例。重要的是,王中林最近发现麦克斯韦位移电流第二分量是纳米发电机的理论根基。纳米发电机将是麦克斯韦位移电流继电磁波理论和技术后在能源与传感方面的另一重大应用,有可能引领技术革新并深刻改变人类社会。
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  • wx_文震59483 ( 2017-04-17 09:15:11 )

    非常棒的书 印刷质量非常好 赞

    管理员:谢谢!

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  • alipay_36138486 ( 2017-06-10 23:24:46 )

    这本书的样章试读怎么没有了呀?打开样章试读是一片空白。

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作者简介

  • 王中林,中国科学院外籍院士和欧洲科学院院士。佐治亚理工学院终身校董事讲席教授,Hightower终身讲席教授,化学系兼职教授和电机系兼职教授;首位中组部“千人计划”顶尖人才与团队入选者;中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家和首任所长。

    国际公认的纳米科技领域领军人物,在一维氧化物纳米结构制备、表征及其在能源技术、电子技术、光电子技术及生物技术等应用方面均作出了原创性重大贡献。发明了压电纳米发电机、摩擦纳米发电机,并首先提出了自驱动系统的概念,为微纳电子系统的发展开辟了新途径。开创了纳米结构压电电子学和压电光电子学研究的先河,对纳米机器人、人-机界面、纳米传感器、医学诊断及光伏技术的发展具有里程碑意义。

    荣获2009年美国陶瓷学会普帝奖,2011年美国材料学会奖章, 2012年美国陶瓷学会埃瓦德•奥顿纪念奖, 美国化学学会纳米讲座奖, 2014年美国物理学会詹姆斯•马克顾瓦迪新材料奖,2013年中华人民共和国国际科学技术合作奖, 2014年欧洲NANOSMAT奖,2014年材料领域世界技术奖,2015年汤森路透引文桂冠奖,2016年欧洲先进材料奖等奖项。

    在国际一流刊物发表1200余篇期刊论文,200项专利,7部专著和20余部编辑书籍和会议文集。学术论文他引十万次以上,h因子160。在当今世界最杰出科学家排名榜位列第25位。Nano Energy的发刊主编和现任主编: http://www.nanoenergyjournal.com。

编辑推荐

  • 中科院文献情报中心与Clarivate Analytics公司(原汤森路透知识产权与科技事业部)联合举办的2016研究前沿发布暨研讨会于2016年10月31日在北京举行,会上向全球发布了《2016研究前沿》报告。在化学与材料科学领域,中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士发明的摩擦纳米发电机位列Top10热点前沿第三位。

    人们的生活环境和工业生产中存在大量可以利用的机械能,自1831年迈克尔·法拉第发现电磁感应现象后,电磁感应发电机成为了最重要、最广泛的发电方式,至今还没有其他发电方式可与之比肩。

    随着可移动电子设备的数量激增,关于能源存储的研发显得更加重要,而目前的技术大多由电池实现。世界上有超过30亿人拥有移动电话。如果全球都安装了传感器网络,数目巨大的传感器会遍布世界各个角落;而用电池来驱动这种数目惊人的传感器是不大可能的。在这种情况下,一个可能的替代方案就是收集传感器所在环境中的能量。这是一个新的领域,纳米能源,即为微纳系统提供持久的、不需维护的、自驱动的能源。纳米能源的基本性能指标包括可用性、转换效率和稳定性。当器件处在光照环境下,使用太阳能电池是一个自然的选择。而当器件靠近一个发动机却处在黑暗中,收集机械振动的能量是最佳的选择。对于生物应用,收集肌肉拉伸中的形变能也是一个不错的方式。



    纳米能源,作为一个全新的研究领域,是指利用新技术和微纳米材料来高效收集和储存环境中的能量,实现微纳系统的可持续运转。在过去的十年里,王中林及其团队研发了纳米发电机,并用其来构建自驱动系统和主动式传感器。他们巧妙地主要利用了两种物理效应来收集小型机械能:压电效应和摩擦起电效应。前些年,关于压电纳米发电机已在《压电电子学与压电光电子学》等专著中详细介绍;而《摩擦纳米发电机》将对该发电机进行系统的描述,从其理论到实验、从基本操作模式到技术应用、从单个器件到系统集成、从一种新能源技术到自驱动传感器。本书是首部系统全面的介绍摩擦纳米发电机的四种工作模式,相应的理论模型和计算,器件设计,以及它们在回收人体活动,震动,机械触发,轮胎转动,风、雨、水流等自然界所具有的动能中的广泛应用的著作。该书也系统介绍了摩擦纳米发电机在移动/穿戴/柔式电子产品、生物医学器件、传感网络、物联网、环境保护和传感、基础设施检查和国防安全方面的应用实例。

    重要的是,王中林最近发现麦克斯韦位移电流第二分量是纳米发电机的理论根基,系统总结于本书全球首发。纳米发电机将是麦克斯韦位移电流继电磁波理论和技术后在能源与传感方面的另一重大应用,有可能引领技术革新并深刻改变人类社会。

    摩擦纳米发电机(TENG)由王中林及其团队于2012年首先发明,其目的是利用摩擦起电效应和静电感应效应的耦合把微小的机械能转换为电能。这是一种颠覆性的技术并具有史无前例的输出性能和优点。它既用不着磁铁也不用线圈,在制作中用到的是质轻、低密度并且价廉的高分子材料。摩擦纳米发电机的发明是机械能发电和自驱动系统领域的一个里程碑式的发现,这为有效收集机械能提供了一个全新的模式。重要的是,和经典电磁发电机相比,摩擦纳米发电机在低频下(< 5~10Hz)的高效能是同类技术无法比拟的。TENG可以用来收集生活中原本浪费掉的各种形式的机械能,同时还可以用作自驱动传感器来检测机械信号。这种机械传感器在触屏和电子皮肤等领域具有潜在应用。另外,如果把多个TENG 单元集成到网络结构中,它可以用来收集海洋中的水能,可以为大尺度的“蓝色能源”提供一种全新的技术方案,这有可能为整个世界的能源可持续发展作出重大贡献。

目录

  • 前言
    第1章 摩擦起电和摩擦发电 1
    摘要 1
    1.1 纳米能源和大能源 2
    1.2 摩擦起电效应 3
    1.3 摩擦起电的定量化 3
    1.4 摩擦起电的材料 8
    1.5 范德格拉夫起电机 9
    1.6 摩擦纳米发电机 11
    1.6.1 垂直接触-分离模式 11
    1.6.2 水平滑动模式 12
    1.6.3 单电极模式 12
    1.6.4 独立层模式 12
    1.7 纳米发电机的理论源头:麦克斯韦位移电流 14
    1.7.1 麦克斯韦的位移电流 14
    1.7.2 压电纳米发电机的理论 15
    1.7.3 摩擦纳米发电机的理论 17
    1.7.4 纳米发电机的电容模型 18
    1.8 展望 19
    1.8.1 纳米发电机的三大应用方向 19
    1.8.2 麦克斯韦位移电流的未来新兴产业:能源与传感 21
    1.8.3 信息领域的“四化” 22
    参考文献 24
    第2章 垂直接触-分离模式摩擦纳米发电机 27
    摘要 27
    2.1 基本原理 27
    2.2 基础理论 29
    2.3 基本器件结构 32
    2.3.1 间隔物结构 32
    2.3.2 拱形结构 35
    2.3.3 弹簧支持的分离结构 38
    2.3.4 多层叠加结构 41
    2.3.5 微孔洞-纳米颗粒复合结构 43
    2.4 总结 47
    参考文献 47
    第3章 水平滑动式摩擦纳米发电机 49
    摘要 49
    3.1 基本原理 49
    3.2 基础理论 50
    3.2.1 一个单元的水平滑动式摩擦纳米发电机 50
    3.2.2 栅状结构式摩擦纳米发电机 53
    3.3 基本器件结构 61
    3.3.1 平面滑动结构 61
    3.3.2 栅状电极结构 64
    3.3.3 旋转圆盘结构 71
    3.3.4 旋转圆柱体结构 75
    3.3.5 管状封装结构 78
    3.3.6 液态金属结构 79
    3.4 能量转化效率 82
    3.4.1 固体-固体型 82
    3.4.2 固体-液体型 83
    3.5 总结 83
    参考文献 84
    第4章 单电极模式摩擦纳米发电机 86
    摘要 86
    4.1 基本工作原理概述 86
    4.2 基本理论 87
    4.2.1 基本工作原理和静电屏蔽效应 87
    4.2.2 电极间距的影响 90
    4.2.3 面积尺寸大小的影响 92
    4.2.4 单元间隙对规模放大的影响 94
    4.3 基本的器件结构 94
    4.3.1 接触-分离式 94
    4.3.2 平面滑动结构 98
    4.4 总结 99
    参考文献 100
    第5章 独立层模式摩擦纳米发电机 102
    摘要 102
    5.1 滑动式独立层模式摩擦纳米发电机 102
    5.1.1 基本原理 102
    5.1.2 基本理论 107
    5.2 接触式独立层模式摩擦纳米发电机 114
    5.2.1 基本原理 115
    5.2.2 基本理论 117
    5.3 高级器件结构 122
    5.3.1 栅状电极结构 122
    5.3.2 旋转轮盘状结构1 126
    5.3.3 旋转轮盘状结构2 129
    5.4 滚动摩擦工作模式 132
    5.5 能量转化效率 136
    5.6 总结 138
    参考文献 138
    第6章 摩擦纳米发电机的理论模型 140
    摘要 140
    6.1 固有电容属性和控制方程 140
    6.2 一阶集总参数等效电路模型 142
    6.3 电荷参考状态 143
    6.3.1 电荷参考状态对摩擦纳米发电机固有特性的影响 144
    6.3.2 电荷参考状态选取对摩擦纳米发电机输出特性的影响 145
    6.3.3 经典电荷参考状态 146
    6.4 阻性负载特征 146
    6.4.1 阻性负载特性概述和“三个工作区域” 146
    6.4.2 最优电阻负载 151
    6.5 容性负载和充电特性 154
    6.5.1 摩擦纳米发电机在单向运动下的充电特性 155
    6.5.2 摩擦纳米发电机在周期性机械运动中的充电特性 156
    6.6 总结 164
    参考文献 164
    第7章 定量表征摩擦纳米发电机的品质因数 165
    摘要 165
    7.1 摩擦纳米发电机的工作循环 166
    7.1.1 V-Q曲线及其特征 166
    7.1.2 能量输出循环 167
    7.1.3 最大能量输出循环 168
    7.1.4 操作循环的实验验证 171
    7.2 摩擦纳米发电机的品质因数 172
    7.3 结构品质因数的计算和模拟 173
    7.4 材料品质因数的测量 177
    7.4.1 表面电荷密度的测量 177
    7.4.2 基于归一化电荷密度以及无量纲材料品质因数的定量化摩擦序列 179
    7.5 总结 180
    参考文献 180
    第8章 摩擦纳米发电机收集身体运动能量 183
    摘要 183
    8.1 组装型摩擦纳米发电机 183
    8.2 基于纺织物的摩擦纳米发电机 187
    8.2.1 纤维基摩擦纳米发电机 187
    8.2.2 纺织物基摩擦纳米发电机 190
    8.2.3 纤维基复合纳米发电机 193
    8.3 纸基摩擦纳米发电机 196
    8.3.1 单张纸基摩擦纳米发电机 196
    8.3.2 纸基折纸式摩擦纳米发电机 198
    8.4 皮肤基单电极摩擦纳米发电机 201
    8.5 滑动式独立层模式摩擦纳米发电机 203
    8.6 总结 206
    参考文献 206
    第9章 摩擦纳米发电机用于振动能采集 208
    摘要 208
    9.1 基于摩擦纳米发电机的振动能采集的基本工作模式 208
    9.1.1 垂直接触-分离式 208
    9.1.2 接触单电极模式 211
    9.1.3 接触式独立层模式 212
    9.2 振动能采集中的高级结构设计 213
    9.2.1 多方向振动能采集 213
    9.2.2 多层的结构设计 216
    9.2.3 基于液体-金属的结构设计 218
    9.3 声波能量的采集 219
    9.3.1 基于有机薄膜的摩擦纳米发电机 219
    9.3.2 可卷曲的纸基摩擦纳米发电机 222
    9.4 总结 225
    参考文献 225
    第10章 摩擦纳米发电机用于收集风能 227
    摘要 227
    10.1 基于转动结构的风能收集 227
    10.1.1 转动式滑动独立层模式的风能摩擦纳米发电机 227
    10.1.2 用于风能收集的其他转动结构 231
    10.2 基于颤振摩擦起电的风能收集 236
    10.2.1 第一种基于颤振片的风能摩擦纳米发电机 236
    10.2.2 弹性-空气动力驱动的摩擦纳米发电机 240
    10.3 总结 245
    参考文献 245
    第11章 摩擦纳米发电机网络收集大规模蓝色能源——海洋能 247
    摘要 247
    11.1 摩擦纳米发电机对水波能的采集 247
    11.1.1 基于液体-固体接触起电的摩擦纳米发电机 247
    11.1.2 基于摩擦纳米发电机的流体动力能的采集 253
    11.1.3 双工作模式的摩擦纳米发电机 255
    11.1.4 基于全封闭摩擦纳米发电机的水波动能采集 257
    11.2 基于网络状结构摩擦纳米发电机群的海洋能采集 260
    11.3 总结 264
    参考文献 264
    第12章 基于摩擦纳米发电机的复合式发电单元 266
    摘要 266
    12.1 交流电-交流电复合能量单元 266
    12.1.1 电磁-摩擦复合纳米发电机 266
    12.1.2 复合型摩擦电-压电/热释电纳米发电机 277
    12.2 交流电-直流电复合能量单元 287
    12.2.1 复合太阳能电池和摩擦纳米发电机 287
    12.2.2 复合热电器件和摩擦纳米发电机 293
    12.2.3 复合电化学电池和摩擦纳米发电机 296
    12.3 总结 299
    参考文献 299
    第13章 摩擦纳米发电机在自驱动系统和电化学过程中的应用 302
    摘要 302
    13.1 摩擦纳米发电机与储能模块集成用于持续驱动便携式电子设备 302
    13.1.1 直接集成和变压集成 302
    13.1.2 通过能源管理电路板 309
    13.2 基于摩擦纳米发电机的自驱动电化学 315
    13.2.1 自驱动电化学降解 316
    13.2.2 自驱动电解水 319
    13.2.3 自驱动防腐蚀 321
    13.2.4 自驱动空气过滤 323
    13.2.5 自驱动电化学回收金属 327
    13.2.6 应用于智能窗系统的自供电电致变色器件 330
    13.3 应用于自供电生物刺激的摩擦纳米发电机 333
    13.3.1 应用于自供电起搏器的体内植入摩擦纳米发电机 333
    13.3.2 用于细胞增殖和分化的植入式自供电激光治疗系统 336
    13.4 总结 339
    参考文献 340
    第14章 基于摩擦纳米发电机的自驱动压力传感器和人机交互系统 344
    摘要 344
    14.1 自驱动压强/触摸传感器 344
    14.1.1 接触-分离模式的自驱动压强传感器 345
    14.1.2 单电极模式的自驱动触摸传感器 350
    14.1.3 双模式的超灵敏自驱动压强传感器 354
    14.2 自驱动触摸成像 357
    14.3 自驱动智能键盘 361
    14.4 总结 365
    参考文献 366
    第15章 基于摩擦纳米发电机的振动和生物医学传感 367
    摘要 367
    15.1 自供电的振动传感器 367
    15.1.1 振源的位置追踪 367
    15.1.2 振动幅度的测量 370
    15.2 声音传感器的自供电录音 371
    15.2.1 基于亥姆霍兹共振腔的声音传感器 371
    15.2.2 超薄纸基声音传感器 373
    15.3 自供电的生物医学监测 374
    15.3.1 基于耳膜的仿生薄膜传感器 374
    15.3.2 基于薄膜的摩擦纳米传感器 383
    15.4 总结 386
    参考文献 386
    第16章 基于摩擦纳米发电机的移动物体自驱动传感器 388
    摘要 388
    16.1 自驱动线性位移传感器 388
    16.2 自驱动转动传感器 390
    16.3 摩擦纳米发电机用来追踪移动物体 392
    16.4 自驱动加速度传感器 397
    16.5 总结 398
    参考文献 399
    第17章 基于摩擦纳米发电机的自驱动化学/环境传感器 400
    摘要 400
    17.1 自驱动化学传感器 400
    17.2 自驱动紫外线传感器 405
    17.3 自驱动环境监测 408
    17.4 总结 415
    参考文献 415
    附录A 各章符号定义 418
    附录B 各章缩写定义 430
    附录C 王中林小组在摩擦纳米发电机领域内发表的期刊文章(2012~2016) 436
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