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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1126

5.3.3旋转轮盘状结构2129

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