本書以材料-結構-性能為主線，通過將量子力學第一性原理、黏附接觸力學、聚合物摩擦學和微納制造等多學科知識相融合，形成了摩擦納米發(fā)電機的設計理論與方法，可為改善摩擦納米發(fā)電機能量轉化效率和耐久性提供基礎。本書闡述了摩擦起電起源、摩擦納米發(fā)電機工作原理及應用場景。基于第一性原理計算方法，在原子和電子尺度上揭示了金屬-聚合物接觸起電機理，為摩擦起電材料性能調控提供依據(jù)；基于黏附接觸力學提出了表面織構界面黏附接觸起電模型及其數(shù)值求解方法，為表面織構定量設計提供依據(jù)；基于聚合物摩擦磨損理論，揭示了摩擦起電與摩擦磨損的相互作用機理。此外，還介紹了摩擦納米發(fā)電機電源管理電路負載及充電特性和電源管理電路設計方法。在上述基礎上，以機械系統(tǒng)為背景，提出了基于摩擦納米發(fā)電機的能量收集器和傳感器的設計方法。
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主要研究領域是NEMS/ MEMS摩擦學；發(fā)動機摩擦學；高速軸承- 轉子動力學；非牛頓潤滑力學等。
目錄
“21世紀先進制造技術叢書”序
前言
第1章摩擦起電原理與應用1
1.1摩擦起電的研究發(fā)展歷程1
1.1.1摩擦起電的研究歷史1
1.1.2摩擦起電電荷轉移機制2
1.2摩擦納米發(fā)電機基本理論2
1.2.1摩擦納米發(fā)電機理論起源3
1.2.2摩擦納米發(fā)電機結構及原理3
1.2.3摩擦納米發(fā)電機理論模型6
1.3摩擦納米發(fā)電機性能調控14
1.4摩擦納米發(fā)電機應用17
參考文獻19
第2章金屬-聚合物接觸起電機理與材料性能調控21
2.1第一性原理計算方法21
2.1.1第一性原理計算理論基礎21
2.1.2第一性原理計算步驟24
2.2接觸起電電荷轉移模型25
2.2.1功函數(shù)25
2.2.2有效功函數(shù)26
2.2.3表面態(tài)模型26
2.2.4局域本征態(tài)模型27
2.3Al-PTFE第一性原理計算27
2.3.1Al-PTFE界面模型構建28
2.3.2接觸狀態(tài)與轉移電荷量的關系30
2.3.3界面勢壘與轉移電荷量的關系32
2.3.4電子受體與電荷轉移方向35
2.3.5電荷轉移驅動力38
2.3.6接觸起電過程描述40
2.4Al-PET和Al-Kapton接觸起電機理研究41
2.4.1Al-PET和Al-Kapton接觸起電的第一性原理研究41
2.4.2Al-PET單體和Al-Kapton單體接觸起電的第一性原理研究46
2.5Cu-PVDF第一性原理計算53
2.5.1Cu-PVDF界面模型構建54
2.5.2半結晶PVDF薄膜制備工藝55
2.5.3極性相/非極性相對電荷轉移的影響57
2.5.4結晶度對電荷轉移的影響63
2.5.5壓電與摩擦起電耦合作用對電荷轉移的影響66
2.6聚酰亞胺材料改性及摩擦起電性能研究71
2.6.1雙鍵分子基團改性的聚酰亞胺材料制備及表征71
2.6.2雙鍵改性材料接觸起電性能研究75
2.6.3雙鍵改性材料摩擦起電及摩擦學性能研究80
2.7透明摩擦納米發(fā)電機81
2.7.1透明聚酰亞胺材料制備及表征81
2.7.2聚酰亞胺薄膜透光率及黏附特性測試83
2.7.3透明摩擦納米發(fā)電機電學輸出性能測試86
2.7.4透明摩擦納米發(fā)電機的應用89
2.8本章小結91
參考文獻92
第3章界面黏附接觸起電模型與表面織構設計94
3.1界面黏附接觸力學基礎94
3.1.1光滑表面黏附接觸理論94
3.1.2粗糙表面黏附接觸理論100
3.1.3接觸面積模型研究101
3.1.4靜電力模型研究102
3.2織構化摩擦納米發(fā)電機黏附接觸起電模型103
3.2.1考慮微納織構及靜電力的黏附接觸模型103
3.2.2摩擦納米發(fā)電機起電模型109
3.2.3黏附接觸及起電模型的數(shù)值求解113
3.3織構化摩擦納米發(fā)電機接觸面積測試119
3.3.1棱錐織構化PDMS薄膜制備工藝119
3.3.2織構化PDMS薄膜接觸面積測試123
3.3.3外載荷對接觸面積的影響125
3.4織構化摩擦納米發(fā)電機黏附接觸起電特性127
3.4.1黏附接觸及起電的主要特征127
3.4.2電荷密度對接觸及起電性能的影響130
3.4.3表面織構對接觸及起電性能的影響132
3.5本章小結138
參考文獻139
第4章金屬-聚合物摩擦起電與摩擦磨損性能141
4.1聚合物材料摩擦學基礎141
4.1.1聚合物材料的摩擦141
4.1.2聚合物材料的磨損144
4.1.3聚合物材料的性能調控146
4.2表面織構對摩擦起電及摩擦磨損性能的影響147
4.2.1圓柱織構化PI薄膜的制備工藝147
4.2.2多環(huán)境摩擦起電試驗臺構建152
4.2.3織構化表面摩擦及起電行為154
4.3相對濕度對摩擦起電及摩擦磨損性能的影響164
4.3.1相對濕度對摩擦磨損及起電性能的影響164
4.3.2不同相對濕度下織構間距對摩擦磨損及起電性能的影響168
4.3.3法向載荷對摩擦磨損及起電性能的影響173
4.4溫度對摩擦起電及摩擦磨損性能的影響175
4.4.1溫度對非織構PI薄膜摩擦磨損及起電性能的影響175
4.4.2不同溫度下織構間距對摩擦磨損及起電性能的影響178
4.4.3往復頻率對摩擦磨損及起電性能的影響181
4.5BaTiO3/PI納米復合薄膜摩擦起電及摩擦磨損性能184
4.5.1BaTiO3/PI納米復合薄膜制備工藝及表征184
4.5.2BaTiO3含量對電學輸出性能的影響188
4.5.3BaTiO3含量對摩擦磨損性能的影響192
4.5.4工況條件對摩擦磨損及起電性能的影響197
4.6本章小結198
參考文獻199
第5章摩擦納米發(fā)電機電源管理電路設計200
5.1摩擦納米發(fā)電機電源管理電路組成200
5.1.1標準電源管理電路200
5.1.2最大能量提取201
5.1.3降壓方法202
5.2摩擦納米發(fā)電機負載及充電特性仿真分析202
5.2.1摩擦納米發(fā)電機瞬態(tài)模型203
5.2.2摩擦納米發(fā)電機瞬態(tài)特性206
5.3摩擦納米發(fā)電機電源管理電路設計211
5.3.1摩擦納米發(fā)電機阻抗匹配212
5.3.2最大能量輸出213
5.3.3電源管理電路工作原理214
5.3.4電源管理電路優(yōu)化設計220
5.3.5電源管理電路效率228
5.4集成傳動機構的旋轉能量收集器229
5.4.1旋轉能量收集器結構設計229
5.4.2旋轉能量收集器制備230
5.4.3旋轉能量收集器電學性能測試231
5.5本章小結232
參考文獻232
第6章摩擦納米發(fā)電機在機械系統(tǒng)中的應用234
6.1車輛懸架系統(tǒng)復合式振動能量收集器234
6.1.1車輛懸架復合式振動能量收集器結構設計234
6.1.2復合式振動能量收集器電學輸出性能測試239
6.1.3四分之一車輛懸架測試平臺臺架試驗244
6.2面向智能軸承的摩擦電轉速傳感器248
6.2.1摩擦電轉速傳感器結構設計248
6.2.2摩擦電轉速傳感器電路設計268
6.2.3面向智能軸承的摩擦電轉速傳感器系統(tǒng)構建271
6.2.4面向智能軸承的摩擦電轉速傳感器性能測試274
6.3面向智能軸承的摩擦電-壓電壓力傳感器281
6.3.1摩擦電-壓電壓力傳感器工作原理與性能測試281
6.3.2面向智能軸承的摩擦電-壓電壓力傳感器系統(tǒng)構建285
6.3.3面向智能軸承的摩擦電-壓電壓力傳感器性能測試287
6.4本章小結288
參考文獻289
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