内容简介
《基于摩擦纳米发电机的智能纤维与纺织》比较全面地介绍了有关摩擦纳米发电机在智能纤维和智能纺织品中的基础应用。内容包括纺织基摩擦纳米发电机的基本理论、材料选择、结构设计和性能优化，以及在微纳能源收集、复合能量回收、自供电电源、智慧医疗、智慧体育、智能家居、安防监测、人机交互、生物医学等相关领域的应用研究，并对其未来发展前景与潜在挑战作了系统归纳。
精彩书摘
第1章纺织基摩擦纳米发电机的基础理论
第1章 纺织基摩擦纳米发电机的基础理论
摘要
纺织基摩擦纳米发电机（Tex-TENG）是基于接触起电和静电感应的耦合效应将机械能直接转化为电能的一种具有自主式供电和自驱动传感功能的新型智能纺织品。由于具有机械能量收集、电能供应、自驱动信号响应等特殊功能，Tex-TENG在可穿戴能源器件和无源柔性传感器方面具有十分广阔的应用前景。在Tex-TENG的知识体系中，起电理论是正确理解这种新型智能纺织器件，以及实现其性能提升和集成应用的基础。目前已经有多种相关理论用来解释并逐步完善接触起电的本质。如图1.1所示，当两种材料发生周期性接触分离运动时，由于接触起电和静电感应的作用，电荷会在两界面间发生来回转移，进而形成交流电流输出。为了更加深刻全面理解这种新型的机电转化纺织技术，并为Tex-TENG的电输出/电响应性能优化和智能化应用提供坚实的理论指导，本章从基本工作模式、等效理论模型、接触起电机制、性能评价标准等方面详细论述Tex-TENG近年来的研究进展，为其奠定坚实的理论基础，提供明确的方法论指导。
1.1基本工作模式
摩擦纳米发电机（triboelectric nanogenerator，TENG）的工作原理是利用接触起电（CE）和静电感应将两种电子亲缘性不同的材料摩擦时产生的动能转化为电能，即通过两种不同材料的接触和分离来产生电荷。当两个具有不同摩擦电性能的材料相互摩擦时，由于电子结构不同，电子会在接触界面发生转移，使电负性不同的材料表面带有等量相反的电荷，其中电子亲和力较高的材料表面带负电荷，另一个则带正电荷。这种现象导致电子的流动，从而在两个材料之间形成电势差。进而实现机械能-电能的直接转换。
自2012年以来，TENG的峰值功率密度已从几μW/cm2提高到50mW/cm2，可以通过摩擦等低频机械能实现持续自供能，从而大幅提高了其适用性。研究表明，打字1min可产生0.3～1.44J能量，正常身材男子跑步1min可以产生300～510J能量，而智能手机一天消耗的电能约为60J，所以采集人体日常运动的机械能可以满足绝大部分智能设备的能源供给。TENG能够从人体和周围环境中获取低频机械能并转化为持续稳定能源，而且它们还具有极佳的柔韧性、出色的可拉伸性和多功能性，是一种可靠的替代能源供给选择。
根据摩擦电材料、电极结构及相对运动方式，TENG的基本工作模型可以分为垂直接触分离模式、水平滑动模式、单电极模式和*立层模式，见图1.2。
1.1.1垂直接触分离（CS）模式
CS-TENG的结构由两摩擦层面对面堆叠，两种摩擦电材料电荷极性不同，产生电荷转移，使得各自表面带有不同的摩擦电负性，此时电极在两摩擦电材料背面，产生电场，出现电势差。正极表面附近电势大于靠近负极表面附近电势，自由电子从低电势电极流向高电势电极，从而消除电势差，实现电势平衡。当摩擦电材料做回归原位的运动时，电子回流，在外电路形成反向回流电流。CS-TENG的结构可以设计成多层织物或纱线等形式，集成在鞋垫内部从人类行走的步态中获取能量，也可以嵌入织物内部通过挤压或拉伸织物来产生能量，实现系统自供电。
1.1.2单电极（SE）模式
SE-TENG只需要一个电极与摩擦层直接作用，摩擦电材料不需要外部电负载。当接触发生之后，两摩擦电材料处于分离状态，从而产生电荷转移；当重新接触，电荷经由底部电极转移以平衡电势分布，使电子在电极之间流动，重复该动作模式，即可输出交流电。这一模式中介质不需要电连接或电极，并且可以实现无障碍自由移动，宜用于收集作用方向与方式具有随意性的机械能。在实际使用中限制条件*少，但因电势变化均发生于一个电极上，所以该模式输出功率低于其他模式，并且电极与介质材料过于接近时，电场被主电极屏蔽会导致电容减小，输出功率进一步下降。
1.1.3水平滑动（LS）模式
LS-TENG和CS-TENG相似，它们的区别在于一个是上下方向的接触，另一个是水平方向的滑动。一旦两摩擦电材料出现非重叠的部分，这一部分的表面就会出现电势差，并因此产生外电流。当整个器件做往复运动时，在外电路产生反向电流，即电流输出由摩擦电材料之间周期性滑动实现。LS-TENG的设计模式可以由平面滑动、轴心旋转等多种途径获取机械能，可用性较大。该模式下摩擦面积更大，供能效率更高。但摩擦力越大会导致材料磨损越快，使得系统使用寿命较短。滑动相较于接触摩擦等所需作用空间更大，系统体积较其他模式大。
1.1.4*立层（FT）模式
FT-TENG中摩擦层是*立的，不与电极接触，通过静电感应产生的电势差驱使电子流动。与SE模式相比，FT模式两个电极都有电势变化，没有屏蔽效应，因此输出性能更好。由于摩擦层不直接与电极发生接触，该模式能源转换效率高、输出性能稳定、使用寿命长。它可与CS-TENG结合，收集人步行和汽车行驶的能量。
1.2等效理论模型
目录
目录
序
前言
第1章 纺织基摩擦纳米发电机的基础理论 1
1.1 基本工作模式 2
1.1.1 垂直接触分离（CS）模式 2
1.1.2 单电极（SE）模式 3
1.1.3 水平滑动（LS）模式 3
1.1.4 *立层（FT）模式 4
1.2 等效理论模型 4
1.2.1 固有电容模型和控制方程 5
1.2.2 拓展的麦克斯韦方程组 10
1.3 接触起电机制 12
1.3.1 接触起电研究方法 13
1.3.2 固体与固体之间的电子转移 17
1.3.3 接触起电的理论模型 19
1.3.4 接触起电的影响因素 23
1.4 性能评价标准 27
1.4.1 电荷密度、V-Q*线 27
1.4.2 品质因数 28
1.5 小结 30
参考文献 30
第2章 纺织基摩擦纳米发电机的材料选择 33
2.1 纺织基接触起电材料 33
2.1.1 天然纤维 33
2.1.2 无机纤维 39
2.1.3 化学纤维 42
2.2 纺织基导电电极材料 58
2.2.1 导电电极材料概述 58
2.2.2 纺织基导电电极材料分类 58
2.3 表面封装材料 64
2.3.1 弹性材料 64
2.3.2 非弹性材料 66
2.4 小结 67
参考文献 68
第3章 纺织基摩擦纳米发电机的结构设计 71
3.1 纤维或纱线基摩擦纳米发电机 71
3.1.1 芯鞘结构 72
3.1.2 非芯鞘结构 82
3.2 织物基摩擦纳米发电机 85
3.2.1 机织结构 85
3.2.2 针织结构 88
3.2.3 非织造结构 92
3.2.4 编织结构 95
3.2.5 其他结构 98
3.3 小结 99
参考文献 100
第4章 纺织基摩擦纳米发电机的性能优化 102
4.1 化学改性 102
4.1.1 化学官能团修饰 102
4.1.2 离子注入/辐照 104
4.1.3 电荷捕获/存储 107
4.2 结构设计 110
4.2.1 分层结构 110
4.2.2 包芯/涂层结构 112
4.2.3 3D织物结构 114
4.3 电路管理 116
4.4 小结 123
参考文献 123
第5章 纺织基摩擦纳米发电机的应用：微纳能源收集 126
5.1 风能收集 126
5.2 雨滴能收集 129
5.3 振动能量收集 134
5.4 人体运动能收集 136
5.4.1 人体关节活动的能量收集 136
5.4.2 人体其他部位的能量收集 140
5.5 小结 145
参考文献 145
第6章 纺织基摩擦纳米发电机的应用：复合能量回收 149
6.1 机械能与太阳能 150
6.1.1 定义与基本概念 150
6.1.2 机械能与太阳能复合回收原理 150
6.1.3 摩擦纳米复合发电机收集机械能与太阳能的应用场景 153
6.2 机械能与热能 154
6.2.1 机械能与热能复合回收原理 154
6.2.2 摩擦纳米复合发电机收集机械能与热能的应用场景 156
6.3 机械能与生物能 158
6.3.1 定义与基本概念 159
6.3.2 机械能与生物能复合回收原理 159
6.3.3 摩擦纳米复合发电机收集机械能与生物能的应用场景 160
6.4 小结 163
参考文献 164
第7章 纺织基摩擦纳米发电机的应用：自供电电源 167
7.1 自供电纺织品 168
7.2 基于超级电容器储能的自供电电源包 171
7.3 基于电池储能的自供电电源包 172
7.4 电源管理系统的作用 177
7.4.1 交流-直流转换 178
7.4.2 迟滞开关 178
7.4.3 直流-直流降压 178
7.5 展望 181
7.5.1 输出性能与耐用性 181
7.5.2 材料的选择 182
7.5.3 电路管理 182
7.5.4 自供电机制 182
7.5.5 评价标准 183
7.5.6 应用 183
参考文献 183
第8章 纺织基摩擦纳米发电机的应用：智慧医疗 186
8.1 脉搏监测 187
8.1.1 脉搏监测的生理意义 187
8.1.2 脉搏监测相关的指标体系 188
8.1.3 脉搏监测系统技术 188
8.2 呼吸监测 192
8.2.1 呼吸监测的生理意义 192
8.2.2 呼吸监测系统 192
8.3 睡眠监测 195
8.3.1 睡眠监测的生理意义和睡眠质量评价标准 195
8.3.2 睡眠监测的指标体系 196
8.3.3 纺织基睡眠监测系统技术 198
8.4 小结 203
参考文献 203
第9章 纺织基摩擦纳米发电机的应用：智慧体育 208
9.1 纺织基摩擦纳米发电机在球类运动中的应用 208
9.1.1 乒乓球和网球运动 209
9.1.2 羽毛球运动 211
9.1.3 排球运动 212
9.1.4 高尔夫球运动 213
9.2 纺织基摩擦纳米发电机在非球类运动中的应用 215
9.2.1 滑雪和滑冰运动 215
9.2.2 游泳运动 217
9.2.3 三级跳运动 219
9.2.4 拳击运动 219
9.2.5 马术运动 222
9.2.6 攀岩运动 222
9.2.7 走跑类运动 223
9.3
试读
第1章纺织基摩擦纳米发电机的基础理论
第1章 纺织基摩擦纳米发电机的基础理论
摘要
纺织基摩擦纳米发电机（Tex-TENG）是基于接触起电和静电感应的耦合效应将机械能直接转化为电能的一种具有自主式供电和自驱动传感功能的新型智能纺织品。由于具有机械能量收集、电能供应、自驱动信号响应等特殊功能，Tex-TENG在可穿戴能源器件和无源柔性传感器方面具有十分广阔的应用前景。在Tex-TENG的知识体系中，起电理论是正确理解这种新型智能纺织器件，以及实现其性能提升和集成应用的基础。目前已经有多种相关理论用来解释并逐步完善接触起电的本质。如图1.1所示，当两种材料发生周期性接触分离运动时，由于接触起电和静电感应的作用，电荷会在两界面间发生来回转移，进而形成交流电流输出。为了更加深刻全面理解这种新型的机电转化纺织技术，并为Tex-TENG的电输出/电响应性能优化和智能化应用提供坚实的理论指导，本章从基本工作模式、等效理论模型、接触起电机制、性能评价标准等方面详细论述Tex-TENG近年来的研究进展，为其奠定坚实的理论基础，提供明确的方法论指导。
1.1基本工作模式
摩擦纳米发电机（triboelectric nanogenerator，TENG）的工作原理是利用接触起电（CE）和静电感应将两种电子亲缘性不同的材料摩擦时产生的动能转化为电能，即通过两种不同材料的接触和分离来产生电荷。当两个具有不同摩擦电性能的材料相互摩擦时，由于电子结构不同，电子会在接触界面发生转移，使电负性不同的材料表面带有等量相反的电荷，其中电子亲和力较高的材料表面带负电荷，另一个则带正电荷。这种现象导致电子的流动，从而在两个材料之间形成电势差。进而实现机械能-电能的直接转换。
自2012年以来，TENG的峰值功率密度已从几μW/cm2提高到50mW/cm2，可以通过摩擦等低频机械能实现持续自供能，从而大幅提高了其适用性。研究表明，打字1min可产生0.3～1.44J能量，正常身材男子跑步1min可以产生300～510J能量，而智能手机一天消耗的电能约为60J，所以采集人体日常运动的机械能可以满足绝大部分智能设备的能源供给。TENG能够从人体和周围环境中获取低频机械能并转化为持续稳定能源，而且它们还具有极佳的柔韧性、出色的可拉伸性和多功能性，是一种可靠的替代能源供给选择。
根据摩擦电材料、电极结构及相对运动方式，TENG的基本工作模型可以分为垂直接触分离模式、水平滑动模式、单电极模式和*立层模式，见图1.2。
1.1.1垂直接触分离（CS）模式
CS-TENG的结构由两摩擦层面对面堆叠，两种摩擦电材料电荷极性不同，产生电荷转移，使得各自表面带有不同的摩擦电负性，此时电极在两摩擦电材料背面，产生电场，出现电势差。正极表面附近电势大于靠近负极表面附近电势，自由电子从低电势电极流向高电势电极，从而消除电势差，实现电势平衡。当摩擦电材料做回归原位的运动时，电子回流，在外电路形成反向回流电流。CS-TENG的结构可以设计成多层织物或纱线等形式，集成在鞋垫内部从人类行走的步态中获取能量，也可以嵌入织物内部通过挤压或拉伸织物来产生能量，实现系统自供电。
1.1.2单电极（SE）模式
SE-TENG只需要一个电极与摩擦层直接作用，摩擦电材料不需要外部电负载。当接触发生之后，两摩擦电材料处于分离状态，从而产生电荷转移；当重新接触，电荷经由底部电极转移以平衡电势分布，使电子在电极之间流动，重复该动作模式，即可输出交流电。这一模式中介质不需要电连接或电极，并且可以实现无障碍自由移动，宜用于收集作用方向与方式具有随意性的机械能。在实际使用中限制条件*少，但因电势变化均发生于一个电极上，所以该模式输出功率低于其他模式，并且电极与介质材料过于接近时，电场被主电极屏蔽会导致电容减小，输出功率进一步下降。
1.1.3水平滑动（LS）模式
LS-TENG和CS-TENG相似，它们的区别在于一个是上下方向的接触，另一个是水平方向的滑动。一旦两摩擦电材料出现非重叠的部分，这一部分的表面就会出现电势差，并因此产生外电流。当整个器件做往复运动时，在外电路产生反向电流，即电流输出由摩擦电材料之间周期性滑动实现。LS-TENG的设计模式可以由平面滑动、轴心旋转等多种途径获取机械能，可用性较大。该模式下摩擦面积更大，供能效率更高。但摩擦力越大会导致材料磨损越快，使得系统使用寿命较短。滑动相较于接触摩擦等所需作用空间更大，系统体积较其他模式大。
1.1.4*立层（FT）模式
FT-TENG中摩擦层是*立的，不与电极接触，通过静电感应产生的电势差驱使电子流动。与SE模式相比，FT模式两个电极都有电势变化，没有屏蔽效应，因此输出性能更好。由于摩擦层不直接与电极发生接触，该模式能源转换效率高、输出性能稳定、使用寿命长。它可与CS-TENG结合，收集人步行和汽车行驶的能量。
1.2等效理论模型
