目錄
前言
第1章 摩擦納米發(fā)電機(jī)簡介 1
1.1 引言 1
1.2 壓電納米發(fā)電機(jī)的發(fā)明 1
1.3 摩擦納米發(fā)電機(jī)的發(fā)現(xiàn) 2
1.4 摩擦起電機(jī)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(jī)的基本理論 5
1.6 麥克斯韋方程組機(jī)械驅(qū)動系統(tǒng) 7
1.7 摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出的計(jì)算 8
1.8 摩擦納米發(fā)電機(jī)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(dú)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(qiáng)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(jī)的技術(shù)應(yīng)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(lán)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(jī)與電磁發(fā)電機(jī)的比較 21
1.15 結(jié)論 23
參考文獻(xiàn) 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(xué)效應(yīng) 44
2.3.4 絕緣體接觸體系中的材料轉(zhuǎn)移效應(yīng) 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(yīng) 47
2.3.7 絕緣體系統(tǒng)中接觸起電的理論計(jì)算研究方法 48
2.4 涉及半導(dǎo)體的接觸起電 50
2.5 結(jié)論與展望 53
參考文獻(xiàn) 53
第3章 液-固接觸起電機(jī)理 58
3.1 引言 58
3.2 液-固摩擦研究背景 59
3.3 實(shí)驗(yàn)技術(shù)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(jì)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(dǎo)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(guān)領(lǐng)域 82
3.7 總結(jié) 84
參考文獻(xiàn) 85
第4章 動態(tài)半導(dǎo)體結(jié)機(jī)械能-電能轉(zhuǎn)換 90
4.1 引言 90
4.2 化學(xué)勢差發(fā)電機(jī)的工作原理 91
4.3 化學(xué)勢差發(fā)電機(jī)的基本理論 92
4.4 化學(xué)勢差發(fā)電機(jī)的基本器件結(jié)構(gòu) 93
4.4.1 半導(dǎo)體-半導(dǎo)體電極對 93
4.4.2 金屬-半導(dǎo)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(xué)勢差發(fā)電機(jī)的電學(xué)輸出性能 98
4.5.1 負(fù)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(jī)的工作原理 100
4.7 摩擦伏特發(fā)電機(jī)的器件結(jié)構(gòu) 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(dǎo)體接觸 105
4.8 摩擦伏特發(fā)電機(jī)的多物理場效應(yīng) 107
4.8.1 摩擦-光伏效應(yīng) 108
4.8.2 摩擦-熱電效應(yīng) 108
4.8.3 界面電場效應(yīng) 110
4.9 總結(jié) 111
參考文獻(xiàn) 111
第5章 摩擦納米發(fā)電機(jī)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(xiàng)PS 115
5.2.1 外加電場引起的極化 115
5.2.2 物體相對運(yùn)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(kuò)展位移電流 119
5.3.3 動生極化項(xiàng)和位移電流的影響與意義 121
5.4 摩擦納米發(fā)電機(jī)的理論基礎(chǔ)與模型 122
5.4.1 摩擦納米發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)物理模型 123
5.4.2 摩擦納米發(fā)電機(jī)的等效電路模型 127
5.4.3 摩擦納米發(fā)電機(jī)的機(jī)電耦合模型 130
5.5 摩擦納米發(fā)電機(jī)的位移電流 132
5.5.1 接觸分離模式摩擦納米發(fā)電機(jī)的位移電流 132
5.5.2 單電極模式摩擦納米發(fā)電機(jī)的位移電流 136
5.5.3 水平滑動模式摩擦納米發(fā)電機(jī)的位移電流 136
5.5.4 接觸式獨(dú)立層模式摩擦納米發(fā)電機(jī)的位移電流 141
5.5.5 滑動型獨(dú)立層模式摩擦納米發(fā)電機(jī)位移電流 144
5.5.6 柱形摩擦納米發(fā)電機(jī)的位移電流 149
5.6 結(jié)論與展望 154
5.6.1 結(jié)論 154
5.6.2 展望 156
參考文獻(xiàn) 156
第6章 球形摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出功率的定量計(jì)算 159
6.1 引言 159
6.2 摩擦納米發(fā)電機(jī)的一般結(jié)構(gòu) 160
6.2.1 的周期性運(yùn)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(jì)算方法結(jié)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(diǎn)附近的積分 184
6.7.6 有限元法 187
6.7.7 結(jié)果 187
6.8 結(jié)論 188
參考文獻(xiàn) 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(shù) 202
7.3.2 定量測量技術(shù) 203
7.4 機(jī)理 215
7.5 固體材料摩擦電荷密度的改進(jìn) 217
7.5.1 表面工程 217
7.5.2 表面化學(xué)修飾 219
7.5.3 電荷注入 221
7.5.4 電荷捕獲 222
7.5.5 復(fù)合材料 223
7.6 總結(jié) 224
參考文獻(xiàn) 224
第8章 摩擦納米發(fā)電機(jī)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(jī)的能量輸出周期 230
8.2.2 摩擦納米發(fā)電機(jī)最大能量輸出周期 230
8.2.3 摩擦納米發(fā)電機(jī)循環(huán)的實(shí)驗(yàn)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(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)形式 237
8.3.3 基于考慮擊穿放電效應(yīng)的Eem的品質(zhì)因數(shù) 238
8.3.4 壓電納米發(fā)電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)化評估并與摩擦納米發(fā)電機(jī)進(jìn)行比較 238
8.4 輸出能量密度 240
8.5 環(huán)境生命周期評價(jià)與技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 243
8.6 潛在應(yīng)用 245
8.7 結(jié)論 249
參考文獻(xiàn) 250
第9章 電路設(shè)計(jì)提高摩擦納米發(fā)電機(jī)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(jī)輸出性能 254
9.2.1 電荷激勵技術(shù)的基礎(chǔ) 256
9.2.2 電荷激勵技術(shù)的發(fā)展 262
9.2.3 電荷激勵技術(shù)的應(yīng)用 266
9.3 能量管理提升摩擦納米發(fā)電機(jī)能量利用效率 270
9.4 總結(jié) 278
參考文獻(xiàn) 278
第10章 摩擦納米發(fā)電機(jī)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(xué)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(shè)計(jì) 291
10.3.2 材料表面涂層設(shè)計(jì) 293
10.3.3 材料表面基團(tuán)設(shè)計(jì) 293
10.4 優(yōu)化摩擦電材料結(jié)構(gòu)特性 294
10.4.1 非接觸工作模式設(shè)計(jì) 294
10.4.2 滾動運(yùn)動模式設(shè)計(jì) 295
10.4.3 滑動液體模式設(shè)計(jì) 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(shè)計(jì) 297
10.5.2 界面潤滑設(shè)計(jì) 301
10.6 結(jié)論 303
參考文獻(xiàn) 303
第11章 摩擦納米發(fā)電機(jī)的電源管理系統(tǒng) 309
11.1 引言 309
11.2 摩擦納米發(fā)電機(jī)的電氣模型 311
11.3 機(jī)械開關(guān)和開關(guān)電容的電源管理 314
11.4 前端整流拓?fù)?317
11.5 使用有源開關(guān)的功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 320
11.6 具有無源電子開關(guān)的功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 324
11.7 摩擦納米發(fā)電機(jī)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(jī)的電源管理系統(tǒng) 331
11.8 結(jié)論 331
參考文獻(xiàn) 332
第12章 摩擦納米發(fā)電機(jī)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(jī)的能量存儲設(shè)備 339
12.3 超級電容器作為摩擦納米發(fā)電機(jī)的能量存儲設(shè)備 342
12.3.1 超級電容器作為獨(dú)立單元與摩擦納米發(fā)電機(jī)耦合 342
12.3.2 微型超級電容器與摩擦納米發(fā)電機(jī)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(jī)的可穿戴自充電能源系統(tǒng) 346
12.3.4 高倍率/高頻率響應(yīng)超級電容器用于摩擦納米發(fā)電機(jī)的高效充電 349
12.3.5 降低超級電容器的自放電以實(shí)現(xiàn)摩擦納米發(fā)電機(jī)高效充電 353
12.4 可充電電池作為摩擦納米發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)儲能 364
12.5 摩擦納米發(fā)電機(jī)為多個(gè)能量儲存器件同時(shí)充電 366
12.6 總結(jié)與展望 368
參考文獻(xiàn) 368
第13章 摩擦納米發(fā)電機(jī)材料選擇 371
13.1 引言 371
13.2 接觸起電中的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)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(jī)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(jī)的正電荷材料 378
13.4.2 摩擦納米發(fā)電機(jī)的負(fù)電荷材料 383
13.5 電荷密度增強(qiáng)策略 403
13.5.1 形貌表面工程 403
13.5.2 化學(xué)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(jī)的材料挑戰(zhàn) 412
13.6.1 機(jī)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(jié)論 428
參考文獻(xiàn) 429
第14章 摩擦納米發(fā)電機(jī)與電磁發(fā)電機(jī)的對比 434
14.1 引言 434
14.2 理論對比 435
14.3 頻率響應(yīng)特性對比 442
14.4 振幅響應(yīng)特性對比 446
14.5 對輸入力/力矩、輸入功率的響應(yīng)特性對比 451
14.6 總結(jié) 460
參考文獻(xiàn) 460
第15章 摩擦電子學(xué) 462
15.1 引言 462
15.2 摩擦電勢 463
15.3 摩擦電調(diào)控場效應(yīng)仿真 464
15.4 摩擦電子學(xué)晶體管 467
15.5 摩擦電子學(xué)功能器件 470
15.6 總結(jié) 490
參考文獻(xiàn) 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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 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(fù)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(jié)論 509
參考文獻(xiàn) 510