《摩擦纳米发电机在工程技术中的应用》是一部系统阐述摩擦纳米发电机（TENG）这一颠覆性能源技术的著作。作为能源与传感领域的前沿突破，摩擦纳米发电机技术为未来科技发展开辟了全新路径。《摩擦纳米发电机在工程技术中的应用》*次从工程应用视角，全方位呈现了该技术的理论体系与实践成果。《摩擦纳米发电机在工程技术中的应用》共12章，内容涵盖技术原理与工程应用两大维度。在理论层面，详细阐述了摩擦纳米发电机的工作原理、高熵能源俘获机制、自驱动传感技术及能量管理策略等核心内容。在应用层面，系统梳理了该技术在多个战略性领域的*新进展，包括机械工程智能化、绿色交通系统、智能建筑监测、智慧电网、海洋资源开发、灾害预警与防控、精密测绘技术及生物医学工程等跨学科应用。

第1章摩擦纳米发电机基本原理
　　1.1引言
　　随着科技的进步和可持续能源需求的增加，摩擦纳米发电机（TENG）作为一种新型能量收集技术，引起了世界学者的广泛关注。TENG能够将环境中的机械能转换为电能，为微型电子设备提供了一种自给自足的电力解决方案。本章将深入探讨TENG的基本工作原理、材料选择、主要评价指标及其背后的物理机制，为理解和优化这一技术提供理论支撑。
　　1.2摩擦纳米发电机的发明
　　1.2.1摩擦纳米发电机的基本模式
　　（1）（垂直）接触-分离模式
　　摩擦纳米发电机共有四种基本工作模式［1-5］，如图1.1所示。在（垂直）接触-分离模式摩擦纳米发电机（CS-TENG）中，两种不同介电薄膜材料面对面堆叠，介电薄膜的背表面镀有金属电极。当两层介电薄膜相互接触时，会在两个接触表面形成符号相反的表面电荷。当这两个介电薄膜材料由于外力作用而发生分离时，中间会形成一个小的空气间隙，并在两个电极之间形成感应电势差。如果将两电极通过负载连接在一起，电子会通过负载从一个电极流向另一个电极，以平衡两电极之间的电势差。当两个摩擦层相互靠近时，由摩擦电荷形成的电势差消失，电子会发生回流。
　　（2）水平滑动模式
　　水平滑动模式摩擦纳米发电机（LS-TENG）的样机组成与垂直接触-分离模式摩擦纳米发电机的结构组成相同。当两种介电薄膜接触并沿着与表面平行的水平方向相对滑移时，同样可以在两个表面上产生等量、异种的摩擦电荷。这样，在水平方向就会形成极化，可以驱动电子在上下两个电极之间流动，以平衡摩擦电荷产生的静电场，通过周期性的滑动错位和重合就可以产生一个交流输出，这就是水平滑动模式摩擦纳米发电机的基本原理。
　　这种滑动可以以多种形式存在，包括平面滑动、圆柱滑动和圆盘滑动等。
　　图1.1摩擦纳米发电机的四种基本工作模式
　　（3）单电极模式
　　前面介绍的两种工作模式都有通过负载连接的两个电极。在某些情况下，摩擦纳米发电机的某些部分是运动部件（如人在地板上走路的情况），所以并不方便通过导线和电极进行连接。为了在这种情况下更方便地收集机械能，引入了一种单电极模式摩擦纳米发电机（SE-TENG），即只有底部电极接地。如果摩擦纳米发电机的尺寸有限，上部的带电物体接近或者离开下部物体，都会改变局部的电场分布，这样下电极和大地之间会发生电子交换，以平衡电极上的电势变化。这种基本工作模式可以用在垂直接触-分离结构和水平滑动结构中。
　　（4）*立层模式
　　在自然界中，运动物体由于和空气或其他物体接触，通常都会带电，就像我们的鞋子在地板上走路也会带电。而材料表面的静电荷会达到饱和，并且这种静电荷会在表面保留至少几小时，所以在这段时间并不需要持续的接触和摩擦。如果我们在介电层的背面分别镀有两个不相连的电极，电极的大小及其间距与移动物体的尺寸在同一量级，那么这个带电物体在两个电极之间的往复运动会使两个电极之间产生电势差变化，进而驱动电子通过外电路负载在两个电极之间来回移动，以平衡电势差的变化。电子在这对电极之间的往复运动可以形成电能输出。这个运动的带电物体不一定需要直接和介电层的上表面接触，例如在转动模式下，其中一个圆盘可以自由转动，不需要和另一部分有直接的机械接触，就可以在很大限度上降低材料表面的磨损，这对于提高摩擦纳米发电机的耐久性非常有利。这就是*立层模式摩擦纳米发电机（FS-TENG）的工作原理和特点。
　　1.2.2摩擦材料选择标准与原则
　　摩擦纳米发电机通过俘获环境中的机械能进而为各种用电器件供电，如图1.2（a）所示，其在自然环境下持续稳定的高性能输出至关重要［6-11］。然而，摩擦纳米发电机在实际应用中不可避免地受到环境温度以及湿度的影响，如图1.2（b）所示。为了满足不同的工况需求，摩擦纳米发电机已经发展出了不同的工作模式［图1.2（c）］。虽然摩擦纳米发电机的摩擦材料选择是任意的，包括聚酰胺、铜、聚四氟乙烯、铝、聚酰亚胺等［图1.2（d）］，但是究竟选择何种摩擦材料对才能使得摩擦材料获得较好的输出性能仍然是一个难题。摩擦电序列虽然给予了较好的参考，但是其仅考虑了固定工作模式、固定温度及固定湿度下摩擦材料的起电性能，与实际工作条件并不相符。因此，如何选择合适的摩擦材料对以实现自然环境服役条件下摩擦纳米发电机的高性能输出仍然是一个难题。
　　图1.2摩擦纳米发电机的结构及工作机制。（a）由摩擦纳米发电机装置实现的自供电传感系统；（b）摩擦纳米发电机在自然环境下的工作状态；（c）摩擦纳米发电机的四种基本工作模式；（d）摩擦纳米发电机具有广泛的材料选择；（e）采用选择原则的摩擦材料对与其他摩擦材料对的耐湿率对比
　　为了评估摩擦纳米发电机在环境条件下的适应性，可以利用耐湿率ηRH（高相对湿度和低相对湿度下输出性能的比值）作为评价摩擦纳米发电机在湿度环境的适应能力。实验结果表明，采用不同的摩擦材料摩擦纳米发电机的耐湿率并不相同，通过对样机进行封装或者采用疏水性材料可以提高摩擦纳米发电机的耐湿率。研究结果表明，通过合理的摩擦材料对选择原则，摩擦纳米发电机的耐湿率能得到较大的提升，其中采用尼龙（PA）薄膜以及氟化乙烯丙烯共聚物（FEP）薄膜作为摩擦材料可以实现124%的耐湿率，如图1.2（e）所示，是已报道研究中较高的值［11］。
　　为了保证实验条件的一致性，我们搭建了标准的实验测试系统，并固定实验温度（25℃）、接触力（2N）和驱动频率（1Hz）的测试条件。通过选择3种电正性摩擦材料，如铜（Cu）、聚酰胺（PA）、铝（Al），以及5种电负性摩擦材料，如聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚对苯二甲酸乙二酯（PET）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚酰亚胺（Kapton）、氟化乙烯丙烯（FEP），累计15组摩擦材料对进行实验研究，分别是Cu/Kapton（#1）、Cu/PET（#2）、Cu/PTFE（#3）、Al/Kapton（#4）、Al/PET（#5）、PA/Kapton（#6）、Al/PTFE（#7）、PA/PET（#8）、PA/PTFE（#9）、Cu/PDMS（#10）、Cu/FEP（#11）、Al/PDMS（#12）、Al/FEP（#13）、PA/PDMS（#14）、PA/FEP（#15）。
　　*先，对垂直接触-分离模式摩擦纳米发电机在不同湿度环境下的转移电荷进行了研究，如图1.3（a）所示。实验结果表明，随着相对湿度的增加，摩擦纳米发电机的转移电荷呈现出四种类型的变化规律：①连续减少（例如#1）；②保持稳定（例如#3）；③先增加后减少（例如#10）；④持续增加（例如#15）。这说明了通过选择合适的摩擦材料对进行摩擦纳米发电机的集成化设计可以实现发电机的高性能输出。
　　图1.3（b）展示了垂直接触-分离模式摩擦纳米发电机采用不同摩擦材料对在20%相对湿度和95%相对湿度下的表面电荷密度对比情况，分别用σL和σH表示。可以看到，#12和#14在低湿环境下具有相对较高的σL，但在高湿环境下σH并不高。因此，它们在实际应用中不适合作为摩擦材料。除此之外，图1.3（b）所示，σL和σH之间的关系可以分为三种类型：①低σL对应低σH（例如，#1，#2，#3和#4）；②中等σL对应中等σH（例如，#5，#6，#7，#8，#9和#10）；③高σL对应高σH（例如，#11，#13和#15）。通常，具有较大σL的摩擦材料可能会倾向于具有较大的σH。因此，σL是直接筛选材料是否适合作为摩擦材料的重要依据之一。在相对较低的湿度环境下，随着湿度的增加，单电极模式摩擦纳米发电机的传输电荷与垂直接触-分离模式摩擦纳米发电机的变化趋势相类似。而当环境湿度持续增加时，随着相对湿度的增加，单电极模式摩擦纳米发电机的传输电荷迅速增加［图1.3（c）］。此外，图1.3（d）还研究了单电极模式摩擦纳米发电机的σL和σH之间的关系。结果显示，实现相对较高的σH通常需要较高的σL，这决定了材料是否适合作为摩擦材料，为摩擦材料对的选择提供了基础。
　　为了更深入地了解环境湿度对摩擦纳米发电机输出性能的影响，利用接触角测量仪对
　　不同摩擦材料的接触角（θ）进行了测试，以表征它们的疏水性［图1.3（e）］。通常情况下，具有较高接触角的摩擦材料薄膜表现出较强的疏水性，可以防止水分子吸附，从而提高摩擦纳米发电机的抗潮湿性能。具体来说，铜（Cu）膜、聚酰胺（PA）膜及铝（Al）膜的接触角分别为80.2°、80.8°以及86.6°。聚对苯二甲酸乙二酯膜（PET）、聚酰亚胺膜（Kapton）、聚二甲基硅氧烷膜（PDMS）、聚四氟乙烯膜（PTFE）以及氟化乙烯丙烯膜（FEP）的接触角分别为71.4°、89.2°、94.3°、97.2°以及102.9°。此外PA膜在高湿度环境下有“自变形”现象［图1.3（f）］。
　　图1.3湿度环境对CS/SE-TENG输出性能的影响。（a）湿度环境对不同材料CS-TENG电荷转移的影响；（b）CS-TENG不同材料σL及σH的分布情况；（c）湿度环境对不同材料SE-TENG电荷转移的影响；（d）SE-TENG不同材料σL及σH的分布情况；（e）不同材料的接触角测试结果；（f）PA膜滴水后“自形变”照片；（g）SE-TENG摩擦材料与不同介质接触时的电荷转移情况单电极模式摩擦纳米发电机在高湿度环境下有着更好的输出性能，这是其在测试过程中虚接地导致的，如图1.3（c）中的插图所示。为了验证这一猜想，通过人为模拟不同的接地情况（一滴水、大量水和手触摸），与20%相对湿度环境下的转移电荷进行了对比，如图1.3（g）所示。实验结果表明，随着接地能力的增加，单电极发电机的输出性能增加。
　　这一现象说明了虚接地侧的接地能力越强，单电极模式发电机的输出性能越好。
　　*立层/水平滑动模式摩擦纳米发电机在运动过程中伴随着摩擦过程，选择摩擦系数（μ）较低的摩擦材料至关重要。不同摩擦材料对的μ值如图1.4（a）所示，为了避免较大的摩擦系数增加摩擦材料在滑动运动中的磨损，排除了摩擦系数大于0.3的材料对。为了更清楚地展示*立层/水平滑动模式摩擦纳米发电机的转移电荷量随湿度变化规律，选取了四对摩擦材料［Cu/PET（#2），Cu/PTFE（#3），Al/PTFE（#7），PA/FEP（#15）］如图1.4（b）和图1.4（d）所示。在初始，随着相对湿度的增加，*立层/水平滑动模式摩擦纳米发电机的传递电荷呈现出与单电极以及垂直接触-分离模式摩擦纳米发电机类似的趋势，然后逐渐减少。图1.4（c）和图1.4（e）分别显示了*立层/水平滑动模式摩擦纳米发电机高低湿度环境下的对比情况。结果显示，尽管摩擦材料通常在σL较高时有较好的σH，但这并不是绝对的。因此，考虑σL和σH这两个参数来准确选择适当的材料对，对提高摩擦纳米发电机的实际应用是至关重要的。

目录
前言
第1章 摩擦纳米发电机基本原理 1
1.1 引言 1
1.2 摩擦纳米发电机的发明 1
1.2.1 摩擦纳米发电机的基本模式 1
1.2.2 摩擦材料选择标准与原则 3
1.2.3 摩擦纳米发电机的主要评价指标 11
1.3 摩擦纳米发电机的物理原理 13
1.3.1 接触起电物理模型 15
1.3.2 动生麦克斯韦方程 20
1.4 本章小结 24
参考文献 24
第2章 基于摩擦纳米发电机的高熵能源俘获策略 26
2.1 引言 26
2.2 机械调控式摩擦纳米发电机 26
2.2.1 频率泵浦式 26
2.2.2 冲击激励式 33
2.2.3 可控输出式 38
2.2.4 恒定输出式 47
2.3 仿生结构式摩擦纳米发电机 49
2.3.1 风场环境仿生结构 49
2.3.2 水环境仿生结构 57
2.3.3 风水耦合环境仿生结构 64
2.4 直流输出式摩擦纳米发电机 71
2.4.1 机械开关式 71
2.4.2 空气击穿式 73
2.4.3 相位耦合式 76
2.4.4 摩擦伏特效应 76
2.5 本章小结 79
参考文献 79
第3章 摩擦纳米发电机输出特性与能量存储管理电路 81
3.1 引言 81
3.1.1 摩擦纳米发电机电学理论基础 81
3.1.2 等效电路模型 81
3.1.3 级联设计法则 84
3.2 摩擦纳米发电机高性能输出研究 89
3.2.1 倍压变换电路设计 89
3.2.2 串级耦合增流设计 91
3.2.3 转移电荷累积电路设计 92
3.3 功率转换电路设计 94
3.3.1 串级匹配电路设计 94
3.3.2 整流电路设计 97
3.3.3 斩波电路设计 99
3.3.4 调理电路设计 100
3.4 集成化开发 102
3.4.1 无源开关集成电路设计 102
3.4.2 有源可控信号集成设计 104
3.4.3 多源发电复合电路设计 110
3.4.4 分布式发电与传感的集成化 113
3.5 本章小结 115
参考文献 115
第4章 基于摩擦纳米发电机的自驱动流体传感器 117
4.1 引言 117
4.2 流体激励的摩擦纳米发电及自驱动传感理论基础 118
4.2.1 双电层摩擦纳米发电机电荷转移机理 118
4.2.2 摩擦电式非满管流量传感器的理论分析 119
4.2.3 摩擦电式涡轮流量传感器工作原理 121
4.2.4 摩擦电式流体传感器工作原理 126
4.3 液体状态监测的摩擦电式传感器研制 131
4.3.1 摩擦电式非满管流量传感器的设计与仿真 131
4.3.2 摩擦电式气动浮子流量传感器设计与仿真 133
4.3.3 磁翻板型摩擦电式流量传感器设计与仿真 134
4.3.4 摩擦电式汽车空气流量传感器的设计与仿真 135
4.4 基于摩擦纳米发电机的自驱动流体传感实验及其应用 144
4.4.1 摩擦电式非满管流量传感器实验及其应用 144
4.4.2 摩擦电式非满管流量传感器实验分析研究 146
4.5 摩擦电式汽车空气流量传感器传感特性研究及其应用 152
4.5.1 无轴涡轮安装角度对传感器电输出能力的影响 152
4.5.2 磁齿轮对传感器性能的影响 153
4.5.3 摩擦电式汽车空气流量传感器传感特性研究 157
4.6 摩擦电式气动浮子流量传感器实验及应用实例 162
4.6.1 三角电极型摩擦电式流量传感器研制与系统搭建 162
4.6.2 摩擦电式气动浮子流量传感器实验研究 166
4.7 本章小结 172
参考文献 172
第5章 摩擦纳米发电机在机械工程领域的应用 173
5.1 引言 173
5.2 自驱动运动传感器 173
5.2.1 自驱动位置传感器 173
5.2.2 自驱动旋转传感器 182
5.2.3 多自由度运动传感 191
5.3 自驱动智能机电系统 197
5.3.1 自供电振动监测系统 197
5.3.2 智能轴承与机电系统 202
5.4 智能流体监测系统 211
5.4.1 气缸位置自驱动监测 211
5.4.2 管路流体自驱动监测 221
5.5 软体机器人用柔性传感 230
5.5.1 软体机械爪智能分类功能 231
5.5.2 爬行软体机器人本体结构监测 235
5.6 本章小结 241
参考文献 241
第6章 摩擦纳米发电机在交通运输领域的应用 243
6.1 引言 243
6.2 智能驾驶监测 244
6.2.1 驾驶操作监测 244
6.2.2 驾驶行为监测 254
6.3 交通环境监测 266
6.3.1 交通运行状态监测 266
6.3.2 交通基础设施状态监测 277
6.4 路面健康状态监测 297
6.4.1 结构设计及工作原理 298
6.4.2 建模和分析 301
6.4.3 S-TES 的性能测试 305
6.4.4 应用演示 308
6.5 本章小结 311
参考文献 312
第7章 摩擦纳米发电机在建筑设施健康监测领域的应用 314
7.1 引言 314
7.2 桥梁结构健康监测 314
7.2.1 自供电振动监测 315
7.2.2 梁墩沉降监测 323
7.2.3 梁身形变监测 327
7.3 高层建筑安全监测 330
7.3.1 自供电倾角监测 330
7.3.2 混凝土损伤监测 346
7.3.3 自供电火灾监控 350
7.4 矿井井下安全监测 361
7.4.1 自供电振动监测 361
7.4.2 自供电转速监测 370
7.5 本章小结 386
参考文献 386
第8章 摩擦纳米发电机在智慧电力系统领域的应用 389
8.1 引言 389
8.2 智慧输电系统监测 389
8.2.1 杆塔气象监测 390
8.2.2 输电线振动监测 392
8.3 振动能俘获自驱动系统 398
8.3.1 微风振动能量收集 399
8.3.2 次档距振荡能量收集 403
8.3.3 水平舞动能量收集 409
8.4 风能俘获自驱动系统 414
8.4.1 宽风速范围 414
8.4.2 低风速启动 416
8.4.3 风速自适应 421
8.5 本章小结 423
参考文献 423
第9章 摩擦纳米发电机在海洋科学与工程领域的应用 425
9.1 引言 425
9.2 自供电海洋物联网 425
9.2.1 海洋导航与预警 426
9.2.2 海洋水下传感系统 431
9.2.3 海洋装备供能与监测 436
9.3 海洋波谱传感 441
9.3.1 波浪单一参数传感 441
9.3.2 波浪多参数传感 446
9.4 海洋生态环境传感与供能 449
9.4.1 水质监测系统供能 449
9.4.2 海洋牧场应用 455
9.4.3 海洋电化学降解 458
9.5 分布式海洋能源网络 461
9.5.1 海洋波浪能俘获网络构建 461
9.5.2 海洋多源能量收集网络构建 465
9.6 本章小结 468
参考文献 468
第10章 摩擦纳米发电机在防灾减灾领域的应用 470
10.1 引言 470
10.2 滑坡自驱动监测 470
10.3 自驱动雨量计 472
10.3.1 雨量计概述 472
10.3.2 雨量计分类及其工作原理 473
10.3.3 基于摩擦纳米发电机的自驱动雨量计 474
10.3.4 基于摩擦纳米发电机的翻斗式雨量计 475
10.3.5 基于摩擦纳米发电机的虹吸式雨量计 481
10.3.6 基于磁翻板式摩擦纳米发电机的自驱动雨量计 486
10.3.7 基于液滴摩擦纳米发电机的毛细通道结构雨量计 490
10.4 本章小结 495
参考文献 495
第11章 摩擦纳米发电机在勘察测绘领域的应用 497
11.1 引言 497
11.2 智能钻杆转速监测 497
11.3 地质探测过程中无人机的结构健康监测 498
11.3.1 无人机加速度传感器 498
11.3.2 无人机风速传感器 500
11.4 本章小结 503
参考文献 504
第12章 摩擦纳米发电机在生物工程中的应用 506
12.1 引言 506
12.2 智慧纺织 506
12.2.1 分层式纺织摩擦纳米发电机 506
12.2.2 编织/针织式纺织摩擦纳米发电机 513
12.2.3 芯纺/涂层纺织摩擦纳米发电机 518
12.3 可穿戴传感器和电子设备 525
12.3.1 人体生物机械能收集与转换 525
12.3.2 人机交互健康监测 528
12.3.3 人机交互感官通信 530
12.4 微流控液相介质及流体动力学监测 532
12.4.1 生物化学传感 533
12.4.2 流体状态和人体运动监测 538
12.4.3 微量液体能量俘获 546
12.5 本章小结 551
参考文献 552