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。 本书可供微能源、微机械和微电子等领域的高校师生和科研人员参考使用。

“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 摩擦起电的研究发展历程
1.1.1 摩擦起电的研究历史
1.1.2 摩擦起电电荷转移机制
1.2 摩擦纳米发电机基本理论
1.2.1 摩擦纳米发电机理论起源
1.2.2 摩擦纳米发电机结构及原理
1.2.3 摩擦纳米发电机理论模型
1.3 摩擦纳米发电机性能调控
1.4 摩擦纳米发电机应用
参考文献
第2章 金属-聚合物接触起电机理与材料性能调控
2.1 第一性原理计算方法
2.1.1 第一性原理计算理论基础
2.1.2 第一性原理计算步骤
2.2 接触起电电荷转移模型
2.2.1 功函数
2.2.2 有效功函数
2.2.3 表面态模型
2.2.4 局域本征态模型
2.3 Al-PTFE第一性原理计算
2.3.1 Al-PTFE界面模型构建
2.3.2 接触状态与转移电荷量的关系
2.3.3 界面势垒与转移电荷量的关系
2.3.4 电子受体与电荷转移方向
2.3.5 电荷转移驱动力
2.3.6 接触起电过程描述
2.4 Al-PET和Al-Kapton接触起电机理研究
2.4.1 Al-PET和Al-Kapton接触起电的第一性原理研究
2.4.2 Al-PET单体和Al-Kapton单体接触起电的第一性原理研究
2.5 Cu-PVDF第一性原理计算
2.5.1 Cu-PVDF界面模型构建
2.5.2 半结晶PVDF薄膜制备工艺
2.5.3 极性相/非极性相对电荷转移的影响
2.5.4 结晶度对电荷转移的影响
2.5.5 压电与摩擦起电耦合作用对电荷转移的影响
2.6 聚酰亚胺材料改性及摩擦起电性能研究
2.6.1 双键分子基团改性的聚酰亚胺材料制备及表征
2.6.2 双键改性材料接触起电性能研究
2.6.3 双键改性材料摩擦起电及摩擦学性能研究
2.7 透明摩擦纳米发电机
2.7.1 透明聚酰亚胺材料制备及表征
2.7.2 聚酰亚胺薄膜透光率及黏附特性测试
2.7.3 透明摩擦纳米发电机电学输出性能测试
2.7.4 透明摩擦纳米发电机的应用
2.8 本章小结
参考文献
第3章 界面黏附接触起电模型与表面织构设计
3.1 界面黏附接触力学基础
3.1.1 光滑表面黏附接触理论
3.1.2 粗糙表面黏附接触理论
3.1.3 接触面积模型研究
3.1.4 静电力模型研究
3.2 织构化摩擦纳米发电机黏附接触起电模型
3.2.1 考虑微纳织构及静电力的黏附接触模型
3.2.2 摩擦纳米发电机起电模型
3.2.3 黏附接触及起电模型的数值求解
3.3 织构化摩擦纳米发电机接触面积测试
3.3.1 棱锥织构化PDMS薄膜制备工艺
3.3.2 织构化PDMS薄膜接触面积测试
3.3.3 外载荷对接触面积的影响
3.4 织构化摩擦纳米发电机黏附接触起电特性
3.4.1 黏附接触及起电的主要特征
3.4.2 电荷密度对接触及起电性能的影响
3.4.3 表面织构对接触及起电性能的影响
3.5 本章小结
参考文献
第4章 金属-聚合物摩擦起电与摩擦磨损性能
4.1 聚合物材料摩擦学基础
4.1.1 聚合物材料的摩擦
4.1.2 聚合物材料的磨损
4.1.3 聚合物材料的性能调控
4.2 表面织构对摩擦起电及摩擦磨损性能的影响
4.2.1 圆柱织构化PI薄膜的制备工艺
4.2.2 多环境摩擦起电试验台构建
4.2.3 织构化表面摩擦及起电行为
4.3 相对湿度对摩擦起电及摩擦磨损性能的影响
4.3.1 相对湿度对摩擦磨损及起电性能的影响
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
4.3.3 法向载荷对摩擦磨损及起电性能的影响
4.4 温度对摩擦起电及摩擦磨损性能的影响
4.4.1 温度对非织构PI薄膜摩擦磨损及起电性能的影响
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
4.4.3 往复频率对摩擦磨损及起电性能的影响
4.5 BaTiO3/PI纳米复合薄膜摩擦起电及摩擦磨损性能
4.5.1 BaTiO3/PI纳米复合薄膜制备工艺及表征
4.5.2 BaTiO3含量对电学输出性能的影响
4.5.3 BaTiO3含量对摩擦磨损性能的影响
4.5.4 工况条件对摩擦磨损及起电性能的影响
4.6 本章小结
参考文献
第5章 摩擦纳米发电机电源管理电路设计
5.1 摩擦纳米发电机电源管理电路组成
5.1.1 标准电源管理电路
5.1.2 最大能量提取
5.1.3 降压方法
5.2 摩擦纳米发电机负载及充电特性仿真分析
5.2.1 摩擦纳米发电机瞬态模型
5.2.2 摩擦纳米发电机瞬态特性
5.3 摩擦纳米发电机电源管理电路设计
5.3.1 摩擦纳米发电机阻抗匹配
5.3.2 最大能量输出
5.3.3 电源管理电路工作原理
5.3.4 电源管理电路优化设计
5.3.5 电源管理电路效率
5.4 集成传动机构的旋转能量收集器
5.4.1 旋转能量收集器结构设计
5.4.2 旋转能量收集器制备
5.4.3 旋转能量收集器电学性能测试
5.5 本章小结
参考文献
第6章 摩擦纳