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摩擦纳米发电机理论与技术 第1卷：理论与技术基础


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摩擦纳米发电机理论与技术 第1卷：理论与技术基础
  • 书号：9787030810113
    作者：王中林等
  • 外文书名：
  • 装帧：圆脊精装
    开本：16
  • 页数：511
    字数：778000
    语种：zh-Hans
  • 出版社：科学出版社
    出版时间：2025-06-01
  • 所属分类：
  • 定价： ￥238.00元
    售价： ￥188.02元
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摩擦纳米发电机由王中林小组于2012年在国际上首先发明，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。这是一项颠覆性的技术并具有史无前例的输出性能和优点，近些年来，其理论体系和应用技术都发展迅速。《摩擦纳米发电机理论与技术》系列全面涵盖了摩擦纳米发电机的系统理论及其带来的快速发展的各个领域的技术应用总结。全书共4卷、53章。第1卷主要介绍其理论与技术基础，第2卷展现了其在微纳能源领域的尖端应用，第3卷主要介绍其在收集蓝色能量、环境能量方面的前沿应用，第4卷主要介绍其作为传感器与高压电源的前沿应用。这些应用领域涉及能源、环境、医疗植入、人工智能、可穿戴电子设备及物联网等众多方向。本分册涵盖第1卷内容。
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    前言
    第1章 摩擦纳米发电机简介 1
    1.1 引言 1
    1.2 压电纳米发电机的发明 1
    1.3 摩擦纳米发电机的发现 2
    1.4 摩擦起电机理 3
    1.4.1 固-固情况 3
    1.4.2 液-固情况 3
    1.5 摩擦纳米发电机的基本理论 5
    1.6 麦克斯韦方程组机械驱动系统 7
    1.7 摩擦纳米发电机输出的计算 8
    1.8 摩擦纳米发电机的工作模式 10
    1.8.1 接触-分离模式 10
    1.8.2 水平滑动模式 10
    1.8.3 单电极模式 10
    1.8.4 独立层模式 11
    1.8.5 滚动模式 11
    1.9 决定性品质因数 11
    1.10 定量化摩擦电序列 13
    1.11 增强表面电荷密度 15
    1.11.1 材料选择 15
    1.11.2 电荷泵 17
    1.12 提高耐久性 17
    1.12.1 工作模式下的自动切换 17
    1.12.2 工作频率的放大 18
    1.12.3 使用液体润滑层 18
    1.13 摩擦纳米发电机的技术应用 18
    1.13.1 作为纳米和微电源 18
    1.13.2 作为自驱动传感器 19
    1.13.3 蓝色能源 20
    1.13.4 作为高压源 20
    1.13.5 作为研究液-固界面电荷转移的探针 20
    1.14 摩擦纳米发电机与电磁发电机的比较 21
    1.15 结论 23
    参考文献 23
    第2章 固-固接触起电的起源 26
    2.1 引言 26
    2.2 金属间接触起电 27
    2.2.1 电子转移模型 27
    2.2.2 金属-金属接触体系电子转移模型的理论研究 31
    2.3 涉及电绝缘体的接触带电 33
    2.3.1 摩擦电序列概述 33
    2.3.2 绝缘体接触体系中的电子转移模型 36
    2.3.3 绝缘体接触体系中的表面化学效应 44
    2.3.4 绝缘体接触体系中的材料转移效应 46
    2.3.5 相同绝缘体材料之间接触起电 47
    2.3.6 绝缘体接触体系中的尺寸效应 47
    2.3.7 绝缘体系统中接触起电的理论计算研究方法 48
    2.4 涉及半导体的接触起电 50
    2.5 结论与展望 53
    参考文献 53
    第3章 液-固接触起电机理 58
    3.1 引言 58
    3.2 液-固摩擦研究背景 59
    3.3 实验技术和理论方法 60
    3.3.1 开尔文探针力显微镜 60
    3.3.2 声悬浮 63
    3.3.3 法拉第杯 65
    3.3.4 第一性原理计算 66
    3.4 液-固界面处的接触起电 66
    3.4.1 液体-绝缘体界面 66
    3.4.2 液体-半导体界面 75
    3.4.3 液体-金属界面 77
    3.5 接触起电的王氏模型 78
    3.6 双电层模型的讨论 80
    3.6.1 传统双电层模型 80
    3.6.2 王氏混合双电层模型和“两步”形成模型 81
    3.6.3 回顾双电层模型及其相关领域 82
    3.7 总结 84
    参考文献 85
    第4章 动态半导体结机械能-电能转换 90
    4.1 引言 90
    4.2 化学势差发电机的工作原理 91
    4.3 化学势差发电机的基本理论 92
    4.4 化学势差发电机的基本器件结构 93
    4.4.1 半导体-半导体电极对 93
    4.4.2 金属-半导体电极对 94
    4.4.3 电极表面态的影响 95
    4.4.4 接触间隙的影响 97
    4.5 化学势差发电机的电学输出性能 98
    4.5.1 负载电阻的影响 98
    4.5.2 接触-分离频率的影响 99
    4.5.3 最大分离距离的影响 100
    4.6 摩擦伏特发电机的工作原理 100
    4.7 摩擦伏特发电机的器件结构 101
    4.7.1 平面接触 101
    4.7.2 尖端接触 103
    4.7.3 金属-绝缘体-半导体接触 105
    4.8 摩擦伏特发电机的多物理场效应 107
    4.8.1 摩擦-光伏效应 108
    4.8.2 摩擦-热电效应 108
    4.8.3 界面电场效应 110
    4.9 总结 111
    参考文献 111
    第5章 摩擦纳米发电机的位移电流理论 114
    5.1 引言 114
    5.2 一般极化矢量P和动生极化项PS 115
    5.2.1 外加电场引起的极化 115
    5.2.2 物体相对运动引起的极化 116
    5.3 位 移 电 流 117
    5.3.1 位移电流的定义 117
    5.3.2 扩展位移电流 119
    5.3.3 动生极化项和位移电流的影响与意义 121
    5.4 摩擦纳米发电机的理论基础与模型 122
    5.4.1 摩擦纳米发电机的数学物理模型 123
    5.4.2 摩擦纳米发电机的等效电路模型 127
    5.4.3 摩擦纳米发电机的机电耦合模型 130
    5.5 摩擦纳米发电机的位移电流 132
    5.5.1 接触分离模式摩擦纳米发电机的位移电流 132
    5.5.2 单电极模式摩擦纳米发电机的位移电流 136
    5.5.3 水平滑动模式摩擦纳米发电机的位移电流 136
    5.5.4 接触式独立层模式摩擦纳米发电机的位移电流 141
    5.5.5 滑动型独立层模式摩擦纳米发电机位移电流 144
    5.5.6 柱形摩擦纳米发电机的位移电流 149
    5.6 结论与展望 154
    5.6.1 结论 154
    5.6.2 展望 156
    参考文献 156
    第6章 球形摩擦纳米发电机输出功率的定量计算 159
    6.1 引言 159
    6.2 摩擦纳米发电机的一般结构 160
    6.2.1 的周期性运动 162
    6.2.2 无量纲数 162
    6.3 简化模型 163
    6.4 案例A：电极电荷密度均匀分布 164
    6.4.1 电容 164
    6.4.2 电势差 166
    6.4.3 参数优化 167
    6.5 案例B：等电极电势 168
    6.5.1 电容 168
    6.5.2 电势差 169
    6.5.3 最优化 170
    6.6 参数化和积分 171
    6.6.1 有限平面圆形电容器 173
    6.6.2 球形电容器 177
    6.7 不同计算方法结果比较 180
    6.7.1 有限圆盘电容器 181
    6.7.2 理想公式 181
    6.7.3 精确方法 181
    6.7.4 边界元法 182
    6.7.5 奇点附近的积分 184
    6.7.6 有限元法 187
    6.7.7 结果 187
    6.8 结论 188
    参考文献 188
    第7章 固体材料摩擦电荷密度的量化 190
    7.1 引言 190
    7.2 摩擦电荷密度分析 192
    7.2.1 力 192
    7.2.2 功函数 194
    7.2.3 介电常数 196
    7.2.4 表面形态 197
    7.2.5 厚度 199
    7.2.6 合成方法 200
    7.2.7 湿度 201
    7.3 摩擦电荷密度的测量 202
    7.3.1 定性测量技术 202
    7.3.2 定量测量技术 203
    7.4 机理 215
    7.5 固体材料摩擦电荷密度的改进 217
    7.5.1 表面工程 217
    7.5.2 表面化学修饰 219
    7.5.3 电荷注入 221
    7.5.4 电荷捕获 222
    7.5.5 复合材料 223
    7.6 总结 224
    参考文献 224
    第8章 摩擦纳米发电机的品质因数 229
    8.1 引言 229
    8.2 有效最大能量输出 230
    8.2.1 摩擦纳米发电机的能量输出周期 230
    8.2.2 摩擦纳米发电机最大能量输出周期 230
    8.2.3 摩擦纳米发电机循环的实验演示 232
    8.2.4 每周期有效最大能量输出 233
    8.3 品质因数 236
    8.3.1 摩擦纳米发电机的品质因数 236
    8.3.2 不同模态的摩擦纳米发电机结构形式 237
    8.3.3 基于考虑击穿放电效应的Eem的品质因数 238
    8.3.4 压电纳米发电机的标准化评估并与摩擦纳米发电机进行比较 238
    8.4 输出能量密度 240
    8.5 环境生命周期评价与技术经济分析 243
    8.6 潜在应用 245
    8.7 结论 249
    参考文献 250
    第9章 电路设计提高摩擦纳米发电机的输出性能和能量利用效率 253
    9.1 引言 253
    9.2 电荷激励提升摩擦纳米发电机输出性能 254
    9.2.1 电荷激励技术的基础 256
    9.2.2 电荷激励技术的发展 262
    9.2.3 电荷激励技术的应用 266
    9.3 能量管理提升摩擦纳米发电机能量利用效率 270
    9.4 总结 278
    参考文献 278
    第10章 摩擦纳米发电机耐久性 281
    10.1 引言 281
    10.2 优化摩擦电材料基体性能 283
    10.2.1 优化摩擦电材料的力学性能 283
    10.2.2 优化摩擦电材料的抗磨性能 286
    10.2.3 优化摩擦电材料的自愈合性能 287
    10.3 优化摩擦电材料的表面性能 291
    10.3.1 材料表面纹理设计 291
    10.3.2 材料表面涂层设计 293
    10.3.3 材料表面基团设计 293
    10.4 优化摩擦电材料结构特性 294
    10.4.1 非接触工作模式设计 294
    10.4.2 滚动运动模式设计 295
    10.4.3 滑动液体模式设计 296
    10.5 优化摩擦电材料的界面特性 297
    10.5.1 自清洁界面设计 297
    10.5.2 界面润滑设计 301
    10.6 结论 303
    参考文献 303
    第11章 摩擦纳米发电机的电源管理系统 309
    11.1 引言 309
    11.2 摩擦纳米发电机的电气模型 311
    11.3 机械开关和开关电容的电源管理 314
    11.4 前端整流拓扑 317
    11.5 使用有源开关的功率变换器拓扑结构 320
    11.6 具有无源电子开关的功率变换器拓扑结构 324
    11.7 摩擦纳米发电机电源管理中未来的挑战 329
    11.7.1 提高输出功率 329
    11.7.2 输出电压或电流的调节 330
    11.7.3 超级电容器或电池中的能量储存 331
    11.7.4 混合纳米发电机的电源管理系统 331
    11.8 结论 331
    参考文献 332
    第12章 摩擦纳米发电机的能量存储 337
    12.1 引言 337
    12.2 电容器作为摩擦纳米发电机的能量存储设备 339
    12.3 超级电容器作为摩擦纳米发电机的能量存储设备 342
    12.3.1 超级电容器作为独立单元与摩擦纳米发电机耦合 342
    12.3.2 微型超级电容器与摩擦纳米发电机的集成 343
    12.3.3 集成柔性超级电容器与摩擦纳米发电机的可穿戴自充电能源系统 346
    12.3.4 高倍率/高频率响应超级电容器用于摩擦纳米发电机的高效充电 349
    12.3.5 降低超级电容器的自放电以实现摩擦纳米发电机高效充电 353
    12.4 可充电电池作为摩擦纳米发电机的能量储存器件 355
    12.4.1 锂离子电池用于摩擦纳米发电机储能 355
    12.4.2 脉冲充电对锂离子电池的影响 358
    12.4.3 脉冲充电抑制锂枝晶生长 361
    12.4.4 钠离子电池用于摩擦纳米发电机储能 364
    12.5 摩擦纳米发电机为多个能量储存器件同时充电 366
    12.6 总结与展望 368
    参考文献 368
    第13章 摩擦纳米发电机材料选择 371
    13.1 引言 371
    13.2 接触起电中的电荷转移机制 373
    13.2.1 摩擦电序列 373
    13.2.2 循环摩擦电序列 373
    13.3 接触起电中的电荷转移机制 375
    13.3.1 电子转移模型 375
    13.3.2 离子转移模型 376
    13.3.3 材料转移模型 378
    13.4 摩擦电材料 378
    13.4.1 摩擦纳米发电机的正电荷材料 378
    13.4.2 摩擦纳米发电机的负电荷材料 383
    13.5 电荷密度增强策略 403
    13.5.1 形貌表面工程 403
    13.5.2 化学表面功能化 409
    13.5.3 离子注入法 410
    13.6 摩擦纳米发电机的材料挑战 412
    13.6.1 机械稳定性 412
    13.6.2 热稳定性 415
    13.6.3 高湿度 418
    13.6.4 大噪声 424
    13.6.5 耐酸碱 426
    13.7 结论 428
    参考文献 429
    第14章 摩擦纳米发电机与电磁发电机的对比 434
    14.1 引言 434
    14.2 理论对比 435
    14.3 频率响应特性对比 442
    14.4 振幅响应特性对比 446
    14.5 对输入力/力矩、输入功率的响应特性对比 451
    14.6 总结 460
    参考文献 460
    第15章 摩擦电子学 462
    15.1 引言 462
    15.2 摩擦电势 463
    15.3 摩擦电调控场效应仿真 464
    15.4 摩擦电子学晶体管 467
    15.5 摩擦电子学功能器件 470
    15.6 总结 490
    参考文献 490
    第16章 接触电致催化 492
    16.1 引言 492
    16.1.1 电催化 493
    16.1.2 光催化 493
    16.1.3 压电催化 495
    16.1.4 接触电致催化 496
    16.2 基本原理与研究 496
    16.2.1 基本原理 496
    16.2.2 实验设计 497
    16.2.3 自由基生成 497
    16.2.4 甲基橙降解 498
    16.3 接触电致催化剂 500
    16.3.1 负起电性催化剂 500
    16.3.2 正起电性催化剂 501
    16.3.3 接触电致催化剂的循环使用特性 503
    16.4 其他影响因素 504
    16.4.1 温度 504
    16.4.2 超声功率 505
    16.4.3 超声频率 506
    16.4.4 薄膜基接触电致催化 507
    16.5 结论 509
    参考文献 510
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