目錄
前言
第1章 摩擦納米發(fā)電機簡介 1
1.1 引言 1
1.2 壓電納米發(fā)電機的發(fā)明 1
1.3 摩擦納米發(fā)電機的發(fā)現(xiàn) 2
1.4 摩擦起電機理 3
1.4.1 固-固情況 3
1.4.2 液-固情況 3
1.5 摩擦納米發(fā)電機的基本理論 5
1.6 麥克斯韋方程組機械驅(qū)動系統(tǒng) 7
1.7 摩擦納米發(fā)電機輸出的計算 8
1.8 摩擦納米發(fā)電機的工作模式 10
1.8.1 接觸-分離模式 10
1.8.2 水平滑動模式 10
1.8.3 單電極模式 10
1.8.4 獨立層模式 11
1.8.5 滾動模式 11
1.9 決定性品質(zhì)因數(shù) 11
1.10 定量化摩擦電序列 13
1.11 增強表面電荷密度 15
1.11.1 材料選擇 15
1.11.2 電荷泵 17
1.12 提高耐久性 17
1.12.1 工作模式下的自動切換 17
1.12.2 工作頻率的放大 18
1.12.3 使用液體潤滑層 18
1.13 摩擦納米發(fā)電機的技術應用 18
1.13.1 作為納米和微電源 18
1.13.2 作為自驅(qū)動傳感器 19
1.13.3 藍色能源 20
1.13.4 作為高壓源 20
1.13.5 作為研究液-固界面電荷轉(zhuǎn)移的探針 20
1.14 摩擦納米發(fā)電機與電磁發(fā)電機的比較 21
1.15 結論 23
參考文獻 23
第2章 固-固接觸起電的起源 26
2.1 引言 26
2.2 金屬間接觸起電 27
2.2.1 電子轉(zhuǎn)移模型 27
2.2.2 金屬-金屬接觸體系電子轉(zhuǎn)移模型的理論研究 31
2.3 涉及電絕緣體的接觸帶電 33
2.3.1 摩擦電序列概述 33
2.3.2 絕緣體接觸體系中的電子轉(zhuǎn)移模型 36
2.3.3 絕緣體接觸體系中的表面化學效應 44
2.3.4 絕緣體接觸體系中的材料轉(zhuǎn)移效應 46
2.3.5 相同絕緣體材料之間接觸起電 47
2.3.6 絕緣體接觸體系中的尺寸效應 47
2.3.7 絕緣體系統(tǒng)中接觸起電的理論計算研究方法 48
2.4 涉及半導體的接觸起電 50
2.5 結論與展望 53
參考文獻 53
第3章 液-固接觸起電機理 58
3.1 引言 58
3.2 液-固摩擦研究背景 59
3.3 實驗技術和理論方法 60
3.3.1 開爾文探針力顯微鏡 60
3.3.2 聲懸浮 63
3.3.3 法拉第杯 65
3.3.4 第一性原理計算 66
3.4 液-固界面處的接觸起電 66
3.4.1 液體-絕緣體界面 66
3.4.2 液體-半導體界面 75
3.4.3 液體-金屬界面 77
3.5 接觸起電的王氏模型 78
3.6 雙電層模型的討論 80
3.6.1 傳統(tǒng)雙電層模型 80
3.6.2 王氏混合雙電層模型和“兩步”形成模型 81
3.6.3 回顧雙電層模型及其相關領域 82
3.7 總結 84
參考文獻 85
第4章 動態(tài)半導體結機械能-電能轉(zhuǎn)換 90
4.1 引言 90
4.2 化學勢差發(fā)電機的工作原理 91
4.3 化學勢差發(fā)電機的基本理論 92
4.4 化學勢差發(fā)電機的基本器件結構 93
4.4.1 半導體-半導體電極對 93
4.4.2 金屬-半導體電極對 94
4.4.3 電極表面態(tài)的影響 95
4.4.4 接觸間隙的影響 97
4.5 化學勢差發(fā)電機的電學輸出性能 98
4.5.1 負載電阻的影響 98
4.5.2 接觸-分離頻率的影響 99
4.5.3 最大分離距離的影響 100
4.6 摩擦伏特發(fā)電機的工作原理 100
4.7 摩擦伏特發(fā)電機的器件結構 101
4.7.1 平面接觸 101
4.7.2 尖端接觸 103
4.7.3 金屬-絕緣體-半導體接觸 105
4.8 摩擦伏特發(fā)電機的多物理場效應 107
4.8.1 摩擦-光伏效應 108
4.8.2 摩擦-熱電效應 108
4.8.3 界面電場效應 110
4.9 總結 111
參考文獻 111
第5章 摩擦納米發(fā)電機的位移電流理論 114
5.1 引言 114
5.2 一般極化矢量P和動生極化項PS 115
5.2.1 外加電場引起的極化 115
5.2.2 物體相對運動引起的極化 116
5.3 位 移 電 流 117
5.3.1 位移電流的定義 117
5.3.2 擴展位移電流 119
5.3.3 動生極化項和位移電流的影響與意義 121
5.4 摩擦納米發(fā)電機的理論基礎與模型 122
5.4.1 摩擦納米發(fā)電機的數(shù)學物理模型 123
5.4.2 摩擦納米發(fā)電機的等效電路模型 127
5.4.3 摩擦納米發(fā)電機的機電耦合模型 130
5.5 摩擦納米發(fā)電機的位移電流 132
5.5.1 接觸分離模式摩擦納米發(fā)電機的位移電流 132
5.5.2 單電極模式摩擦納米發(fā)電機的位移電流 136
5.5.3 水平滑動模式摩擦納米發(fā)電機的位移電流 136
5.5.4 接觸式獨立層模式摩擦納米發(fā)電機的位移電流 141
5.5.5 滑動型獨立層模式摩擦納米發(fā)電機位移電流 144
5.5.6 柱形摩擦納米發(fā)電機的位移電流 149
5.6 結論與展望 154
5.6.1 結論 154
5.6.2 展望 156
參考文獻 156
第6章 球形摩擦納米發(fā)電機輸出功率的定量計算 159
6.1 引言 159
6.2 摩擦納米發(fā)電機的一般結構 160
6.2.1 的周期性運動 162
6.2.2 無量綱數(shù) 162
6.3 簡化模型 163
6.4 案例A：電極電荷密度均勻分布 164
6.4.1 電容 164
6.4.2 電勢差 166
6.4.3 參數(shù)優(yōu)化 167
6.5 案例B：等電極電勢 168
6.5.1 電容 168
6.5.2 電勢差 169
6.5.3 最優(yōu)化 170
6.6 參數(shù)化和積分 171
6.6.1 有限平面圓形電容器 173
6.6.2 球形電容器 177
6.7 不同計算方法結果比較 180
6.7.1 有限圓盤電容器 181
6.7.2 理想公式 181
6.7.3 精確方法 181
6.7.4 邊界元法 182
6.7.5 奇點附近的積分 184
6.7.6 有限元法 187
6.7.7 結果 187
6.8 結論 188
參考文獻 188
第7章 固體材料摩擦電荷密度的量化 190
7.1 引言 190
7.2 摩擦電荷密度分析 192
7.2.1 力 192
7.2.2 功函數(shù) 194
7.2.3 介電常數(shù) 196
7.2.4 表面形態(tài) 197
7.2.5 厚度 199
7.2.6 合成方法 200
7.2.7 濕度 201
7.3 摩擦電荷密度的測量 202
7.3.1 定性測量技術 202
7.3.2 定量測量技術 203
7.4 機理 215
7.5 固體材料摩擦電荷密度的改進 217
7.5.1 表面工程 217
7.5.2 表面化學修飾 219
7.5.3 電荷注入 221
7.5.4 電荷捕獲 222
7.5.5 復合材料 223
7.6 總結 224
參考文獻 224
第8章 摩擦納米發(fā)電機的品質(zhì)因數(shù) 229
8.1 引言 229
8.2 有效最大能量輸出 230
8.2.1 摩擦納米發(fā)電機的能量輸出周期 230
8.2.2 摩擦納米發(fā)電機最大能量輸出周期 230
8.2.3 摩擦納米發(fā)電機循環(huán)的實驗演示 232
8.2.4 每周期有效最大能量輸出 233
8.3 品質(zhì)因數(shù) 236
8.3.1 摩擦納米發(fā)電機的品質(zhì)因數(shù) 236
8.3.2 不同模態(tài)的摩擦納米發(fā)電機結構形式 237
8.3.3 基于考慮擊穿放電效應的Eem的品質(zhì)因數(shù) 238
8.3.4 壓電納米發(fā)電機的標準化評估并與摩擦納米發(fā)電機進行比較 238
8.4 輸出能量密度 240
8.5 環(huán)境生命周期評價與技術經(jīng)濟分析 243
8.6 潛在應用 245
8.7 結論 249
參考文獻 250
第9章 電路設計提高摩擦納米發(fā)電機的輸出性能和能量利用效率 253
9.1 引言 253
9.2 電荷激勵提升摩擦納米發(fā)電機輸出性能 254
9.2.1 電荷激勵技術的基礎 256
9.2.2 電荷激勵技術的發(fā)展 262
9.2.3 電荷激勵技術的應用 266
9.3 能量管理提升摩擦納米發(fā)電機能量利用效率 270
9.4 總結 278
參考文獻 278
第10章 摩擦納米發(fā)電機耐久性 281
10.1 引言 281
10.2 優(yōu)化摩擦電材料基體性能 283
10.2.1 優(yōu)化摩擦電材料的力學性能 283
10.2.2 優(yōu)化摩擦電材料的抗磨性能 286
10.2.3 優(yōu)化摩擦電材料的自愈合性能 287
10.3 優(yōu)化摩擦電材料的表面性能 291
10.3.1 材料表面紋理設計 291
10.3.2 材料表面涂層設計 293
10.3.3 材料表面基團設計 293
10.4 優(yōu)化摩擦電材料結構特性 294
10.4.1 非接觸工作模式設計 294
10.4.2 滾動運動模式設計 295
10.4.3 滑動液體模式設計 296
10.5 優(yōu)化摩擦電材料的界面特性 297
10.5.1 自清潔界面設計 297
10.5.2 界面潤滑設計 301
10.6 結論 303
參考文獻 303
第11章 摩擦納米發(fā)電機的電源管理系統(tǒng) 309
11.1 引言 309
11.2 摩擦納米發(fā)電機的電氣模型 311
11.3 機械開關和開關電容的電源管理 314
11.4 前端整流拓撲 317
11.5 使用有源開關的功率變換器拓撲結構 320
11.6 具有無源電子開關的功率變換器拓撲結構 324
11.7 摩擦納米發(fā)電機電源管理中未來的挑戰(zhàn) 329
11.7.1 提高輸出功率 329
11.7.2 輸出電壓或電流的調(diào)節(jié) 330
11.7.3 超級電容器或電池中的能量儲存 331
11.7.4 混合納米發(fā)電機的電源管理系統(tǒng) 331
11.8 結論 331
參考文獻 332
第12章 摩擦納米發(fā)電機的能量存儲 337
12.1 引言 337
12.2 電容器作為摩擦納米發(fā)電機的能量存儲設備 339
12.3 超級電容器作為摩擦納米發(fā)電機的能量存儲設備 342
12.3.1 超級電容器作為獨立單元與摩擦納米發(fā)電機耦合 342
12.3.2 微型超級電容器與摩擦納米發(fā)電機的集成 343
12.3.3 集成柔性超級電容器與摩擦納米發(fā)電機的可穿戴自充電能源系統(tǒng) 346
12.3.4 高倍率/高頻率響應超級電容器用于摩擦納米發(fā)電機的高效充電 349
12.3.5 降低超級電容器的自放電以實現(xiàn)摩擦納米發(fā)電機高效充電 353
12.4 可充電電池作為摩擦納米發(fā)電機的能量儲存器件 355
12.4.1 鋰離子電池用于摩擦納米發(fā)電機儲能 355
12.4.2 脈沖充電對鋰離子電池的影響 358
12.4.3 脈沖充電抑制鋰枝晶生長 361
12.4.4 鈉離子電池用于摩擦納米發(fā)電機儲能 364
12.5 摩擦納米發(fā)電機為多個能量儲存器件同時充電 366
12.6 總結與展望 368
參考文獻 368
第13章 摩擦納米發(fā)電機材料選擇 371
13.1 引言 371
13.2 接觸起電中的電荷轉(zhuǎn)移機制 373
13.2.1 摩擦電序列 373
13.2.2 循環(huán)摩擦電序列 373
13.3 接觸起電中的電荷轉(zhuǎn)移機制 375
13.3.1 電子轉(zhuǎn)移模型 375
13.3.2 離子轉(zhuǎn)移模型 376
13.3.3 材料轉(zhuǎn)移模型 378
13.4 摩擦電材料 378
13.4.1 摩擦納米發(fā)電機的正電荷材料 378
13.4.2 摩擦納米發(fā)電機的負電荷材料 383
13.5 電荷密度增強策略 403
13.5.1 形貌表面工程 403
13.5.2 化學表面功能化 409
13.5.3 離子注入法 410
13.6 摩擦納米發(fā)電機的材料挑戰(zhàn) 412
13.6.1 機械穩(wěn)定性 412
13.6.2 熱穩(wěn)定性 415
13.6.3 高濕度 418
13.6.4 大噪聲 424
13.6.5 耐酸堿 426
13.7 結論 428
參考文獻 429
第14章 摩擦納米發(fā)電機與電磁發(fā)電機的對比 434
14.1 引言 434
14.2 理論對比 435
14.3 頻率響應特性對比 442
14.4 振幅響應特性對比 446
14.5 對輸入力/力矩、輸入功率的響應特性對比 451
14.6 總結 460
參考文獻 460
第15章 摩擦電子學 462
15.1 引言 462
15.2 摩擦電勢 463
15.3 摩擦電調(diào)控場效應仿真 464
15.4 摩擦電子學晶體管 467
15.5 摩擦電子學功能器件 470
15.6 總結 490
參考文獻 490
第16章 接觸電致催化 492
16.1 引言 492
16.1.1 電催化 493
16.1.2 光催化 493
16.1.3 壓電催化 495
16.1.4 接觸電致催化 496
16.2 基本原理與研究 496
16.2.1 基本原理 496
16.2.2 實驗設計 497
16.2.3 自由基生成 497
16.2.4 甲基橙降解 498
16.3 接觸電致催化劑 500
16.3.1 負起電性催化劑 500
16.3.2 正起電性催化劑 501
16.3.3 接觸電致催化劑的循環(huán)使用特性 503
16.4 其他影響因素 504
16.4.1 溫度 504
16.4.2 超聲功率 505
16.4.3 超聲頻率 506
16.4.4 薄膜基接觸電致催化 507
16.5 結論 509
參考文獻 510