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(jī) 9
1.6 摩擦納米發(fā)電機(jī) 11
1.6.1 垂直接觸-分離模式 11
1.6.2 水平滑動(dòng)模式 12
1.6.3 單電極模式 12
1.6.4 獨(dú)立層模式 12
1.7 納米發(fā)電機(jī)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(jī)的理論 15
1.7.3 摩擦納米發(fā)電機(jī)的理論 17
1.7.4 納米發(fā)電機(jī)的電容模型 18
1.8 展望 19
1.8.1 納米發(fā)電機(jī)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(xiàn) 24
第2章 垂直接觸-分離模式摩擦納米發(fā)電機(jī) 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(xiàn) 47
第3章 水平滑動(dòng)式摩擦納米發(fā)電機(jī) 49
摘要 49
3.1 基本原理 49
3.2 基礎(chǔ)理論 50
3.2.1 一個(gè)單元的水平滑動(dòng)式摩擦納米發(fā)電機(jī) 50
3.2.2 柵狀結(jié)構(gòu)式摩擦納米發(fā)電機(jī) 53
3.3 基本器件結(jié)構(gòu) 61
3.3.1 平面滑動(dòng)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(xiàn) 84
第4章 單電極模式摩擦納米發(fā)電機(jī) 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(duì)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(dòng)結(jié)構(gòu) 98
4.4 總結(jié) 99
參考文獻(xiàn) 100
第5章 獨(dú)立層模式摩擦納米發(fā)電機(jī) 102
摘要 102
5.1 滑動(dòng)式獨(dú)立層模式摩擦納米發(fā)電機(jī) 102
5.1.1 基本原理 102
5.1.2 基本理論 107
5.2 接觸式獨(dú)立層模式摩擦納米發(fā)電機(jī) 114
5.2.1 基本原理 115
5.2.2 基本理論 117
5.3 高級(jí)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(dòng)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(xiàn) 138
第6章 摩擦納米發(fā)電機(jī)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(duì)摩擦納米發(fā)電機(jī)固有特性的影響 144
6.3.2 電荷參考狀態(tài)選取對(duì)摩擦納米發(fā)電機(jī)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(fù)載特征 146
6.4.1 阻性負(fù)載特性概述和“三個(gè)工作區(qū)域” 146
6.4.2 最優(yōu)電阻負(fù)載 151
6.5 容性負(fù)載和充電特性 154
6.5.1 摩擦納米發(fā)電機(jī)在單向運(yùn)動(dòng)下的充電特性 155
6.5.2 摩擦納米發(fā)電機(jī)在周期性機(jī)械運(yùn)動(dòng)中的充電特性 156
6.6 總結(jié) 164
參考文獻(xiàn) 164
第7章 定量表征摩擦納米發(fā)電機(jī)的品質(zhì)因數(shù) 165
摘要 165
7.1 摩擦納米發(fā)電機(jī)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 171
7.2 摩擦納米發(fā)電機(jī)的品質(zhì)因數(shù) 172
7.3 結(jié)構(gòu)品質(zhì)因數(shù)的計(jì)算和模擬 173
7.4 材料品質(zhì)因數(shù)的測(cè)量 177
7.4.1 表面電荷密度的測(cè)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(xiàn) 180
第8章 摩擦納米發(fā)電機(jī)收集身體運(yùn)動(dòng)能量 183
摘要 183
8.1 組裝型摩擦納米發(fā)電機(jī) 183
8.2 基于紡織物的摩擦納米發(fā)電機(jī) 187
8.2.1 纖維基摩擦納米發(fā)電機(jī) 187
8.2.2 紡織物基摩擦納米發(fā)電機(jī) 190
8.2.3 纖維基復(fù)合納米發(fā)電機(jī) 193
8.3 紙基摩擦納米發(fā)電機(jī) 196
8.3.1 單張紙基摩擦納米發(fā)電機(jī) 196
8.3.2 紙基折紙式摩擦納米發(fā)電機(jī) 198
8.4 皮膚基單電極摩擦納米發(fā)電機(jī) 201
8.5 滑動(dòng)式獨(dú)立層模式摩擦納米發(fā)電機(jī) 203
8.6 總結(jié) 206
參考文獻(xiàn) 206
第9章 摩擦納米發(fā)電機(jī)用于振動(dòng)能采集 208
摘要 208
9.1 基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的振動(dòng)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(dú)立層模式 212
9.2 振動(dòng)能采集中的高級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 213
9.2.1 多方向振動(dòng)能采集 213
9.2.2 多層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 216
9.2.3 基于液體-金屬的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 218
9.3 聲波能量的采集 219
9.3.1 基于有機(jī)薄膜的摩擦納米發(fā)電機(jī) 219
9.3.2 可卷曲的紙基摩擦納米發(fā)電機(jī) 222
9.4 總結(jié) 225
參考文獻(xiàn) 225
第10章 摩擦納米發(fā)電機(jī)用于收集風(fēng)能 227
摘要 227
10.1 基于轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的風(fēng)能收集 227
10.1.1 轉(zhuǎn)動(dòng)式滑動(dòng)獨(dú)立層模式的風(fēng)能摩擦納米發(fā)電機(jī) 227
10.1.2 用于風(fēng)能收集的其他轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī) 236
10.2.2 彈性-空氣動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的摩擦納米發(fā)電機(jī) 240
10.3 總結(jié) 245
參考文獻(xiàn) 245
第11章 摩擦納米發(fā)電機(jī)網(wǎng)絡(luò)收集大規(guī)模藍(lán)色能源——海洋能 247
摘要 247
11.1 摩擦納米發(fā)電機(jī)對(duì)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(jī) 247
11.1.2 基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的流體動(dòng)力能的采集 253
11.1.3 雙工作模式的摩擦納米發(fā)電機(jī) 255
11.1.4 基于全封閉摩擦納米發(fā)電機(jī)的水波動(dòng)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(jī)群的海洋能采集 260
11.3 總結(jié) 264
參考文獻(xiàn) 264
第12章 基于摩擦納米發(fā)電機(jī)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(jī) 266
12.1.2 復(fù)合型摩擦電-壓電/熱釋電納米發(fā)電機(jī) 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(jī) 287
12.2.2 復(fù)合熱電器件和摩擦納米發(fā)電機(jī) 293
12.2.3 復(fù)合電化學(xué)電池和摩擦納米發(fā)電機(jī) 296
12.3 總結(jié) 299
參考文獻(xiàn) 299
第13章 摩擦納米發(fā)電機(jī)在自驅(qū)動(dòng)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(jī)與儲(chǔ)能模塊集成用于持續(xù)驅(qū)動(dòng)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(jī)的自驅(qū)動(dòng)電化學(xué) 315
13.2.1 自驅(qū)動(dòng)電化學(xué)降解 316
13.2.2 自驅(qū)動(dòng)電解水 319
13.2.3 自驅(qū)動(dòng)防腐蝕 321
13.2.4 自驅(qū)動(dòng)空氣過濾 323
13.2.5 自驅(qū)動(dòng)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(jī) 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(jī) 333
13.3.2 用于細(xì)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(xiàn) 340
第14章 基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的自驅(qū)動(dòng)壓力傳感器和人機(jī)交互系統(tǒng) 344
摘要 344
14.1 自驅(qū)動(dòng)壓強(qiáng)/觸摸傳感器 344
14.1.1 接觸-分離模式的自驅(qū)動(dòng)壓強(qiáng)傳感器 345
14.1.2 單電極模式的自驅(qū)動(dòng)觸摸傳感器 350
14.1.3 雙模式的超靈敏自驅(qū)動(dòng)壓強(qiáng)傳感器 354
14.2 自驅(qū)動(dòng)觸摸成像 357
14.3 自驅(qū)動(dòng)智能鍵盤 361
14.4 總結(jié) 365
參考文獻(xiàn) 366
第15章 基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的振動(dòng)和生物醫(yī)學(xué)傳感 367
摘要 367
15.1 自供電的振動(dòng)傳感器 367
15.1.1 振源的位置追蹤 367
15.1.2 振動(dòng)幅度的測(cè)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(cè) 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(xiàn) 386
第16章 基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的移動(dòng)物體自驅(qū)動(dòng)傳感器 388
摘要 388
16.1 自驅(qū)動(dòng)線性位移傳感器 388
16.2 自驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器 390
16.3 摩擦納米發(fā)電機(jī)用來追蹤移動(dòng)物體 392
16.4 自驅(qū)動(dòng)加速度傳感器 397
16.5 總結(jié) 398
參考文獻(xiàn) 399
第17章 基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的自驅(qū)動(dòng)化學(xué)/環(huán)境傳感器 400
摘要 400
17.1 自驅(qū)動(dòng)化學(xué)傳感器 400
17.2 自驅(qū)動(dòng)紫外線傳感器 405
17.3 自驅(qū)動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè) 408
17.4 總結(jié) 415
參考文獻(xiàn) 415
附錄A 各章符號(hào)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(jī)領(lǐng)域內(nèi)發(fā)表的期刊文章（2012～2016） 436