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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