本书以材料-结构-性能为主线，通过将量子力学第一性原理、黏附接触力学、聚合物摩擦学和微纳制造等多学科知识相融合，形成了摩擦纳米发电机的设计理论与方法，可为改善摩擦纳米发电机能量转化效率和耐久性提供基础。本书阐述了摩擦起电起源、摩擦纳米发电机工作原理及应用场景。基于第一性原理计算方法，在原子和电子尺度上揭示了金属-聚合物接触起电机理，为摩擦起电材料性能调控提供依据；基于黏附接触力学提出了表面织构界面黏附接触起电模型及其数值求解方法，为表面织构定量设计提供依据；基于聚合物摩擦磨损理论，揭示了摩擦起电与摩擦磨损的相互作用机理。此外，还介绍了摩擦纳米发电机电源管理电路负载及充电特性和电源管理电路设计方法。在上述基础上，以机械系统为背景，提出了基于摩擦纳米发电机的能量收集器和传感器的设计方法。
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“21世纪先进制造技术丛书”序
前言
第1章摩擦起电原理与应用1
1.1摩擦起电的研究发展历程1
1.1.1摩擦起电的研究历史1
1.1.2摩擦起电电荷转移机制2
1.2摩擦纳米发电机基本理论2
1.2.1摩擦纳米发电机理论起源3
1.2.2摩擦纳米发电机结构及原理3
1.2.3摩擦纳米发电机理论模型6
1.3摩擦纳米发电机性能调控14
1.4摩擦纳米发电机应用17
参考文献19
第2章金属-聚合物接触起电机理与材料性能调控21
2.1第一性原理计算方法21
2.1.1第一性原理计算理论基础21
2.1.2第一性原理计算步骤24
2.2接触起电电荷转移模型25
2.2.1功函数25
2.2.2有效功函数26
2.2.3表面态模型26
2.2.4局域本征态模型27
2.3Al-PTFE第一性原理计算27
2.3.1Al-PTFE界面模型构建28
2.3.2接触状态与转移电荷量的关系30
2.3.3界面势垒与转移电荷量的关系32
2.3.4电子受体与电荷转移方向35
2.3.5电荷转移驱动力38
2.3.6接触起电过程描述40
2.4Al-PET和Al-Kapton接触起电机理研究41
2.4.1Al-PET和Al-Kapton接触起电的第一性原理研究41
2.4.2Al-PET单体和Al-Kapton单体接触起电的第一性原理研究46
2.5Cu-PVDF第一性原理计算53
2.5.1Cu-PVDF界面模型构建54
2.5.2半结晶PVDF薄膜制备工艺55
2.5.3极性相/非极性相对电荷转移的影响57
2.5.4结晶度对电荷转移的影响63
2.5.5压电与摩擦起电耦合作用对电荷转移的影响66
2.6聚酰亚胺材料改性及摩擦起电性能研究71
2.6.1双键分子基团改性的聚酰亚胺材料制备及表征71
2.6.2双键改性材料接触起电性能研究75
2.6.3双键改性材料摩擦起电及摩擦学性能研究80
2.7透明摩擦纳米发电机81
2.7.1透明聚酰亚胺材料制备及表征81
2.7.2聚酰亚胺薄膜透光率及黏附特性测试83
2.7.3透明摩擦纳米发电机电学输出性能测试86
2.7.4透明摩擦纳米发电机的应用89
2.8本章小结91
参考文献92
第3章界面黏附接触起电模型与表面织构设计94
3.1界面黏附接触力学基础94
3.1.1光滑表面黏附接触理论94
3.1.2粗糙表面黏附接触理论100
3.1.3接触面积模型研究101
3.1.4静电力模型研究102
3.2织构化摩擦纳米发电机黏附接触起电模型103
3.2.1考虑微纳织构及静电力的黏附接触模型103
3.2.2摩擦纳米发电机起电模型109
3.2.3黏附接触及起电模型的数值求解113
3.3织构化摩擦纳米发电机接触面积测试119
3.3.1棱锥织构化PDMS薄膜制备工艺119
3.3.2织构化PDMS薄膜接触面积测试123
3.3.3外载荷对接触面积的影响125
3.4织构化摩擦纳米发电机黏附接触起电特性127
3.4.1黏附接触及起电的主要特征127
3.4.2电荷密度对接触及起电性能的影响130
3.4.3表面织构对接触及起电性能的影响132
3.5本章小结138
参考文献139
第4章金属-聚合物摩擦起电与摩擦磨损性能141
4.1聚合物材料摩擦学基础141
4.1.1聚合物材料的摩擦141
4.1.2聚合物材料的磨损144
4.1.3聚合物材料的性能调控146
4.2表面织构对摩擦起电及摩擦磨损性能的影响147
4.2.1圆柱织构化PI薄膜的制备工艺147
4.2.2多环境摩擦起电试验台构建152
4.2.3织构化表面摩擦及起电行为154
4.3相对湿度对摩擦起电及摩擦磨损性能的影响164
4.3.1相对湿度对摩擦磨损及起电性能的影响164
4.3.2不同相对湿度下织构间距对摩擦磨损及起电性能的影响168
4.3.3法向载荷对摩擦磨损及起电性能的影响173
4.4温度对摩擦起电及摩擦磨损性能的影响175
4.4.1温度对非织构PI薄膜摩擦磨损及起电性能的影响175
4.4.2不同温度下织构间距对摩擦磨损及起电性能的影响178
4.4.3往复频率对摩擦磨损及起电性能的影响181
4.5BaTiO3/PI纳米复合薄膜摩擦起电及摩擦磨损性能184
4.5.1BaTiO3/PI纳米复合薄膜制备工艺及表征184
4.5.2BaTiO3含量对电学输出性能的影响188
4.5.3BaTiO3含量对摩擦磨损性能的影响192
4.5.4工况条件对摩擦磨损及起电性能的影响197
4.6本章小结198
参考文献199
第5章摩擦纳米发电机电源管理电路设计200
5.1摩擦纳米发电机电源管理电路组成200
5.1.1标准电源管理电路200
5.1.2最大能量提取201
5.1.3降压方法202
5.2摩擦纳米发电机负载及充电特性仿真分析202
5.2.1摩擦纳米发电机瞬态模型203
5.2.2摩擦纳米发电机瞬态特性206
5.3摩擦纳米发电机电源管理电路设计211
5.3.1摩擦纳米发电机阻抗匹配212
5.3.2最大能量输出213
5.3.3电源管理电路工作原理214
5.3.4电源管理电路优化设计220
5.3.5电源管理电路效率228
5.4集成传动机构的旋转能量收集器229
5.4.1旋转能量收集器结构设计229
5.4.2旋转能量收集器制备230
5.4.3旋转能量收集器电学性能测试231
5.5本章小结232
参考文献232
第6章摩擦纳米发电机在机械系统中的应用234
6.1车辆悬架系统复合式振动能量收集器234
6.1.1车辆悬架复合式振动能量收集器结构设计234
6.1.2复合式振动能量收集器电学输出性能测试239
6.1.3四分之一车辆悬架测试平台台架试验244
6.2面向智能轴承的摩擦电转速传感器248
6.2.1摩擦电转速传感器结构设计248
6.2.2摩擦电转速传感器电路设计268
6.2.3面向智能轴承的摩擦电转速传感器系统构建271
6.2.4面向智能轴承的摩擦电转速传感器性能测试274
6.3面向智能轴承的摩擦电-压电压力传感器281
6.3.1摩擦电-压电压力传感器工作原理与性能测试281
6.3.2面向智能轴承的摩擦电-压电压力传感器系统构建285
6.3.3面向智能轴承的摩擦电-压电压力传感器性能测试287
6.4本章小结288
参考文献289
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