目錄
前言
第1章 摩擦起電和摩擦發(fā)電 1
摘要 1
1.1 納米能源和大能源 2
1.2 摩擦起電效應(yīng) 3
1.3 摩擦起電的定量化 3
1.4 摩擦起電的材料 8
1.5 范德格拉夫起電機 9
1.6 摩擦納米發(fā)電機 11
1.6.1 垂直接觸-分離模式 11
1.6.2 水平滑動模式 12
1.6.3 單電極模式 12
1.6.4 獨立層模式 12
1.7 納米發(fā)電機的理論源頭：麥克斯韋位移電流 14
1.7.1 麥克斯韋的位移電流 14
1.7.2 壓電納米發(fā)電機的理論 15
1.7.3 摩擦納米發(fā)電機的理論 17
1.7.4 納米發(fā)電機的電容模型 18
1.8 展望 19
1.8.1 納米發(fā)電機的三大應(yīng)用方向 19
1.8.2 麥克斯韋位移電流的未來新興產(chǎn)業(yè)：能源與傳感 21
1.8.3 信息領(lǐng)域的“四化” 22
參考文獻 24
第2章 垂直接觸-分離模式摩擦納米發(fā)電機 27
摘要 27
2.1 基本原理 27
2.2 基礎(chǔ)理論 29
2.3 基本器件結(jié)構(gòu) 32
2.3.1 間隔物結(jié)構(gòu) 32
2.3.2 拱形結(jié)構(gòu) 35
2.3.3 彈簧支持的分離結(jié)構(gòu) 38
2.3.4 多層疊加結(jié)構(gòu) 41
2.3.5 微孔洞-納米顆粒復(fù)合結(jié)構(gòu) 43
2.4 總結(jié) 47
參考文獻 47
第3章 水平滑動式摩擦納米發(fā)電機 49
摘要 49
3.1 基本原理 49
3.2 基礎(chǔ)理論 50
3.2.1 一個單元的水平滑動式摩擦納米發(fā)電機 50
3.2.2 柵狀結(jié)構(gòu)式摩擦納米發(fā)電機 53
3.3 基本器件結(jié)構(gòu) 61
3.3.1 平面滑動結(jié)構(gòu) 61
3.3.2 柵狀電極結(jié)構(gòu) 64
3.3.3 旋轉(zhuǎn)圓盤結(jié)構(gòu) 71
3.3.4 旋轉(zhuǎn)圓柱體結(jié)構(gòu) 75
3.3.5 管狀封裝結(jié)構(gòu) 78
3.3.6 液態(tài)金屬結(jié)構(gòu) 79
3.4 能量轉(zhuǎn)化效率 82
3.4.1 固體-固體型 82
3.4.2 固體-液體型 83
3.5 總結(jié) 83
參考文獻 84
第4章 單電極模式摩擦納米發(fā)電機 86
摘要 86
4.1 基本工作原理概述 86
4.2 基本理論 87
4.2.1 基本工作原理和靜電屏蔽效應(yīng) 87
4.2.2 電極間距的影響 90
4.2.3 面積尺寸大小的影響 92
4.2.4 單元間隙對規(guī)模放大的影響 94
4.3 基本的器件結(jié)構(gòu) 94
4.3.1 接觸-分離式 94
4.3.2 平面滑動結(jié)構(gòu) 98
4.4 總結(jié) 99
參考文獻 100
第5章 獨立層模式摩擦納米發(fā)電機 102
摘要 102
5.1 滑動式獨立層模式摩擦納米發(fā)電機 102
5.1.1 基本原理 102
5.1.2 基本理論 107
5.2 接觸式獨立層模式摩擦納米發(fā)電機 114
5.2.1 基本原理 115
5.2.2 基本理論 117
5.3 高級器件結(jié)構(gòu) 122
5.3.1 柵狀電極結(jié)構(gòu) 122
5.3.2 旋轉(zhuǎn)輪盤狀結(jié)構(gòu)1 126
5.3.3 旋轉(zhuǎn)輪盤狀結(jié)構(gòu)2 129
5.4 滾動摩擦工作模式 132
5.5 能量轉(zhuǎn)化效率 136
5.6 總結(jié) 138
參考文獻 138
第6章 摩擦納米發(fā)電機的理論模型 140
摘要 140
6.1 固有電容屬性和控制方程 140
6.2 一階集總參數(shù)等效電路模型 142
6.3 電荷參考狀態(tài) 143
6.3.1 電荷參考狀態(tài)對摩擦納米發(fā)電機固有特性的影響 144
6.3.2 電荷參考狀態(tài)選取對摩擦納米發(fā)電機輸出特性的影響 145
6.3.3 經(jīng)典電荷參考狀態(tài) 146
6.4 阻性負載特征 146
6.4.1 阻性負載特性概述和“三個工作區(qū)域” 146
6.4.2 最優(yōu)電阻負載 151
6.5 容性負載和充電特性 154
6.5.1 摩擦納米發(fā)電機在單向運動下的充電特性 155
6.5.2 摩擦納米發(fā)電機在周期性機械運動中的充電特性 156
6.6 總結(jié) 164
參考文獻 164
第7章 定量表征摩擦納米發(fā)電機的品質(zhì)因數(shù) 165
摘要 165
7.1 摩擦納米發(fā)電機的工作循環(huán) 166
7.1.1 V-Q曲線及其特征 166
7.1.2 能量輸出循環(huán) 167
7.1.3 最大能量輸出循環(huán) 168
7.1.4 操作循環(huán)的實驗驗證 171
7.2 摩擦納米發(fā)電機的品質(zhì)因數(shù) 172
7.3 結(jié)構(gòu)品質(zhì)因數(shù)的計算和模擬 173
7.4 材料品質(zhì)因數(shù)的測量 177
7.4.1 表面電荷密度的測量 177
7.4.2 基于歸一化電荷密度以及無量綱材料品質(zhì)因數(shù)的定量化摩擦序列 179
7.5 總結(jié) 180
參考文獻 180
第8章 摩擦納米發(fā)電機收集身體運動能量 183
摘要 183
8.1 組裝型摩擦納米發(fā)電機 183
8.2 基于紡織物的摩擦納米發(fā)電機 187
8.2.1 纖維基摩擦納米發(fā)電機 187
8.2.2 紡織物基摩擦納米發(fā)電機 190
8.2.3 纖維基復(fù)合納米發(fā)電機 193
8.3 紙基摩擦納米發(fā)電機 196
8.3.1 單張紙基摩擦納米發(fā)電機 196
8.3.2 紙基折紙式摩擦納米發(fā)電機 198
8.4 皮膚基單電極摩擦納米發(fā)電機 201
8.5 滑動式獨立層模式摩擦納米發(fā)電機 203
8.6 總結(jié) 206
參考文獻 206
第9章 摩擦納米發(fā)電機用于振動能采集 208
摘要 208
9.1 基于摩擦納米發(fā)電機的振動能采集的基本工作模式 208
9.1.1 垂直接觸-分離式 208
9.1.2 接觸單電極模式 211
9.1.3 接觸式獨立層模式 212
9.2 振動能采集中的高級結(jié)構(gòu)設(shè)計 213
9.2.1 多方向振動能采集 213
9.2.2 多層的結(jié)構(gòu)設(shè)計 216
9.2.3 基于液體-金屬的結(jié)構(gòu)設(shè)計 218
9.3 聲波能量的采集 219
9.3.1 基于有機薄膜的摩擦納米發(fā)電機 219
9.3.2 可卷曲的紙基摩擦納米發(fā)電機 222
9.4 總結(jié) 225
參考文獻 225
第10章 摩擦納米發(fā)電機用于收集風(fēng)能 227
摘要 227
10.1 基于轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)的風(fēng)能收集 227
10.1.1 轉(zhuǎn)動式滑動獨立層模式的風(fēng)能摩擦納米發(fā)電機 227
10.1.2 用于風(fēng)能收集的其他轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu) 231
10.2 基于顫振摩擦起電的風(fēng)能收集 236
10.2.1 第一種基于顫振片的風(fēng)能摩擦納米發(fā)電機 236
10.2.2 彈性-空氣動力驅(qū)動的摩擦納米發(fā)電機 240
10.3 總結(jié) 245
參考文獻 245
第11章 摩擦納米發(fā)電機網(wǎng)絡(luò)收集大規(guī)模藍色能源——海洋能 247
摘要 247
11.1 摩擦納米發(fā)電機對水波能的采集 247
11.1.1 基于液體-固體接觸起電的摩擦納米發(fā)電機 247
11.1.2 基于摩擦納米發(fā)電機的流體動力能的采集 253
11.1.3 雙工作模式的摩擦納米發(fā)電機 255
11.1.4 基于全封閉摩擦納米發(fā)電機的水波動能采集 257
11.2 基于網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機群的海洋能采集 260
11.3 總結(jié) 264
參考文獻 264
第12章 基于摩擦納米發(fā)電機的復(fù)合式發(fā)電單元 266
摘要 266
12.1 交流電-交流電復(fù)合能量單元 266
12.1.1 電磁-摩擦復(fù)合納米發(fā)電機 266
12.1.2 復(fù)合型摩擦電-壓電/熱釋電納米發(fā)電機 277
12.2 交流電-直流電復(fù)合能量單元 287
12.2.1 復(fù)合太陽能電池和摩擦納米發(fā)電機 287
12.2.2 復(fù)合熱電器件和摩擦納米發(fā)電機 293
12.2.3 復(fù)合電化學(xué)電池和摩擦納米發(fā)電機 296
12.3 總結(jié) 299
參考文獻 299
第13章 摩擦納米發(fā)電機在自驅(qū)動系統(tǒng)和電化學(xué)過程中的應(yīng)用 302
摘要 302
13.1 摩擦納米發(fā)電機與儲能模塊集成用于持續(xù)驅(qū)動便攜式電子設(shè)備 302
13.1.1 直接集成和變壓集成 302
13.1.2 通過能源管理電路板 309
13.2 基于摩擦納米發(fā)電機的自驅(qū)動電化學(xué) 315
13.2.1 自驅(qū)動電化學(xué)降解 316
13.2.2 自驅(qū)動電解水 319
13.2.3 自驅(qū)動防腐蝕 321
13.2.4 自驅(qū)動空氣過濾 323
13.2.5 自驅(qū)動電化學(xué)回收金屬 327
13.2.6 應(yīng)用于智能窗系統(tǒng)的自供電電致變色器件 330
13.3 應(yīng)用于自供電生物刺激的摩擦納米發(fā)電機 333
13.3.1 應(yīng)用于自供電起搏器的體內(nèi)植入摩擦納米發(fā)電機 333
13.3.2 用于細胞增殖和分化的植入式自供電激光治療系統(tǒng) 336
13.4 總結(jié) 339
參考文獻 340
第14章 基于摩擦納米發(fā)電機的自驅(qū)動壓力傳感器和人機交互系統(tǒng) 344
摘要 344
14.1 自驅(qū)動壓強/觸摸傳感器 344
14.1.1 接觸-分離模式的自驅(qū)動壓強傳感器 345
14.1.2 單電極模式的自驅(qū)動觸摸傳感器 350
14.1.3 雙模式的超靈敏自驅(qū)動壓強傳感器 354
14.2 自驅(qū)動觸摸成像 357
14.3 自驅(qū)動智能鍵盤 361
14.4 總結(jié) 365
參考文獻 366
第15章 基于摩擦納米發(fā)電機的振動和生物醫(yī)學(xué)傳感 367
摘要 367
15.1 自供電的振動傳感器 367
15.1.1 振源的位置追蹤 367
15.1.2 振動幅度的測量 370
15.2 聲音傳感器的自供電錄音 371
15.2.1 基于亥姆霍茲共振腔的聲音傳感器 371
15.2.2 超薄紙基聲音傳感器 373
15.3 自供電的生物醫(yī)學(xué)監(jiān)測 374
15.3.1 基于耳膜的仿生薄膜傳感器 374
15.3.2 基于薄膜的摩擦納米傳感器 383
15.4 總結(jié) 386
參考文獻 386
第16章 基于摩擦納米發(fā)電機的移動物體自驅(qū)動傳感器 388
摘要 388
16.1 自驅(qū)動線性位移傳感器 388
16.2 自驅(qū)動轉(zhuǎn)動傳感器 390
16.3 摩擦納米發(fā)電機用來追蹤移動物體 392
16.4 自驅(qū)動加速度傳感器 397
16.5 總結(jié) 398
參考文獻 399
第17章 基于摩擦納米發(fā)電機的自驅(qū)動化學(xué)/環(huán)境傳感器 400
摘要 400
17.1 自驅(qū)動化學(xué)傳感器 400
17.2 自驅(qū)動紫外線傳感器 405
17.3 自驅(qū)動環(huán)境監(jiān)測 408
17.4 總結(jié) 415
參考文獻 415
附錄A 各章符號定義 418
附錄B 各章縮寫定義 430
附錄C 王中林小組在摩擦納米發(fā)電機領(lǐng)域內(nèi)發(fā)表的期刊文章（2012～2016） 436