《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。

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 小结 225
参考文献 225
第10章 纺织基摩擦纳米发电机的应用：智能家居 228
10.1 地毯 229
10.1.1 位置监测 229
10.1.2 消防安全 231
10.2 床上用品 232
10.2.1 智能床单 232
10.2.2 智能枕头 233
10.2.3 智能眼罩 235
10.3 无线家居控制系统 236
10.3.1 遥控器 236
10.3.2 键盘 237
10.3.3 声控系统 238
10.4 其他应用场景 239
10.4.1 智能马桶 239
10.4.2 空气净化 241
10.4.3 门禁系统 242
10.5 小结 243
参考文献 243
第11章 纺织基摩擦纳米发电机的应用：安防监测 246
11.1 输入键盘 246
11.1.1 纺织基摩擦纳米发电机输入键盘的设计原则 247
11.1.2 智能键盘 248
11.2 路径监控 252
11.2.1 纺织基摩擦纳米发电机在路径分析中的应用 253
11.2.2 纺织基摩擦纳米发电机在安全监控中的应用 254
11.3 门禁系统 257
11.3.1 接触式纺织基摩擦纳米发电机智能门禁系统 257
11.3.2 非接触式纺织基摩擦纳米发电机智能门禁系统 260
11.4 小结 261
参考文献 263
第12章 纺织基摩擦纳米发电机的应用：人机交互 265
12.1 电子皮肤 266
12.1.1 单纤维纺织基摩擦纳米发电机电子皮肤 266
12.1.2 多纤维编织纺织基摩擦纳米发电机电子皮肤 268
12.1.3 纳米纤维复合纺织基摩擦纳米发电机电子皮肤 270
12.2 柔性机器人/致动器 273
12.2.1 纤维基柔性机器人/致动器 273
12.2.2 织物基柔性机器人/致动器 276
12.3 虚拟现实/增强现实 279
12.3.1 纺织基摩擦纳米发电机用于虚拟现实 279
12.3.2 纺织基摩擦纳米发电机用于增强现实 282
12.4 小结 284
参考文献 284
第13章 纺织基摩擦纳米发电机的应用：生物医学 287
13.1 植入式传感监测 287
13.1.1 韧带拉伸应变监测 288
13.1.2 心血管监测 290
13.2 电刺激治疗 294
13.2.1 肿瘤治疗 294
13.2.2 药物传递 298
13.2.3 微生物阻断 300
13.2.4 组织再生 302
13.2.5 生理功能康复 307
13.3 小结 312
参考文献 312
第14章 纺织基摩擦纳米发电机的前景与挑战 315
14.1 发展前景 315
14.1.1 可穿戴电子设备 316
14.1.2 个性化健康医疗 318
14.1.3 多模态组合与系统集成 319
14.2 潜在挑战 320
14.2.1 电子纺织品的普遍发展瓶颈 321
14.2.2 纺织基摩擦纳米发电机的自身发展问题 329
14.3 小结 334
参考文献 334

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
　　TENG在工作时通过摩擦产生电荷，这些电荷在电极间积累，形成类似电容的电荷存储效应。当外界条件（如摩擦运动）变化时，电荷重新分布，产生电流，类似于电容的充放电过程，所以TENG的理论架构可用其等效理论模型来阐述。使用介电常数和以及厚度分别为和的两种电介质［图1.3（a）］，当两个电介质发生物理接触时，由于接触起电效应，静电电荷被转移到两者的表面，表面被部分充电，电荷是非移动静电荷［图1.3（b）］，表面电荷密度随着两个电介质之间的接触次数增加而增加，并*终达到饱和。由摩擦电荷建立的静电场会驱动电子通过外部负载流动，导致电极中自由电子σI(z，t)的积累，该电荷量是两介电材料间间隙距离z(t)的函数。这一过程实现了机械能向电能的转换。如图1.3（c）所示，电介质1和电介质2中的电场分别为和，间隙区域中的电场为，为真空介电常数。两个电极之间的相对电压差为
　　（1.1）
　　在短路条件下，，则
　　（1.2）
　　从式（1.2）中，在材料内部的位移电流密度是
　　（1.3）
　　式（1.3）的**项表示位移电流密度与电介质表面上的电荷密度和两个电介质分离或接触的速率成正比，第二项表示位移电流密度和表面电荷密度变化的速率之间的关系。根据欧姆定律，TENG的电流输出方程为
　　（1.4）
　　式中，是取决于施加力动态过程的时间的函数。从式（1.4）开始，TENG四种模式的输出特性都可以推导而得。
　　1.2.1固有电容模型和控制方程
　　在TENG工作原理的静电感应效应中，任意的TENG都有一对朝向相对的材料（称为摩擦对），摩擦对之间的距离可以在机械力作用下变化。在相互接触以后，两个摩擦对的接触表面将带有符号相反的静电荷。此外，背电极保证了电荷只能通过外部电路在两电极间转移。TENG两电极间的电势差主要由两部分构成，一部分是来自极化摩擦电荷，它们对电压的贡献是，是分离距离的函数；另一部分是转移电荷量，对两电极间的电势差也有贡献，假设该结构中没有摩擦电荷，这个结构与一个典型电容没有任何区别，所以已转移电荷对两极间电势差的贡献是，其中C是两电极间的电容。根据电势叠加原理，两电极间的总电势差由式（1.5）给出：
　　（1.5）
　　式（1.5）（称为关系）是任意TENG的控制方程，表明了固有电容属性。在短路条件下，转移电荷（）将完全消除极化摩擦电荷产生的电势差。所以，对于短路条件下的TENG，容易得出下面的方程：
　　（1.6）
　　和之间的基本关系可以由下式给出：
　　（1.7）
　　下面从动力学角度探讨不同工作模式TENG的静电感应的基本过程。
　　1.CS模式
　　对于电介质-电介质型的CS-TENG［图1.4（a）］，两个摩擦表面之间的距离）可随外力触发的情况发生变化，当两个材料接触后，其内表面会带上符号相反、电荷量密度均为的静电荷。类似地，图1.4（b）表示导体-电介质型的物理模型。在这个结构中，没有电介质1，金属1同时起到上电极和摩擦电材料的双重作用。金属1表面的净电荷由两部分构成：一部分是接触起电产生的电量，另一部分是静电感应过程中两个电极之间转移的电荷量，所以金属1中的总电荷为。
　　图1.4CS-TENG的理论模型[3]。（a）电介质-电介质型CS-TENG的理论模型；（b）导体-电介质型CS-TENG的理论模型；（c）导体-电介质型附着电极CS-TENG的等效电路图
　　由于在实验中，金属的面积大小（比两个材料的分离距离要大几个数量级，所以假设两个电极是无限大的面积。根据上述物理模型和动力学理论可以推导出CS-TENG的关系和本征输出特性（、和）：
　　（1.8）
　　（1.9）
　　（1.10）
　　（1.11）
　　此外，当足够大时，我们定义的电荷转移效率（即转移电荷量与摩擦电荷总量的比值）可以表示为
　　（1.12）
　　对于CS-TENG，当时，接近于无穷大，而是一个有限数值，保证此时节点3上的电荷量为0。当足够大时（大于），接近于0，而仍然是，此时节点3上的电荷量为。因此CS-TENG理论上的*大电荷转移效率可以达到
　　2.LS模式
　　LS-TENG的基本结构如图1.5所示，一般情况下，无法推导出LS-TENG的解析方程，只能基于数值计算法进行严格的理论分析。在实际应用中，考虑到两种电介质在长度方向的几何尺寸总是比厚度方向和大很多，且由于将两种电介质完全分离后很难再次精确地对准两种电介质的表面，所以实际应用中会保持横向分离距离总是小于0.9l。在上述条件下，边缘效应可以忽略，进而可以推导出的近似关系：