柔性磁电材料体系:自供能感知与能源俘获

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作者：苏彬

出版社：华中科技大学出版社

本类榜单：工业技术

分类：工业技术 > 电工技术

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ISBN：9787568088503
装帧：一般胶版纸
册数：暂无
重量：暂无
开本：16开
页数：200
出版时间：2023-02-01
条形码：9787568088503 ; 978-7-5680-8850-3

本书特色

作者首次将磁性与导电材料的复合体系统一起来，建立磁电二元设计理念。本书系统地介绍了柔性磁电材料体系的概念、理论模拟、体系的三种工作原理及其在自供能感知与能源俘获领域的应用。

内容简介

本书以华中科技大学苏彬教授近年来的研究成果为基础，系统地介绍了柔性磁电材料体系的概念、理论模拟、体系的三种工作原理及其在自供能感知与能源俘获领域的应用。首先，第1章介绍了柔性磁电材料体系的设计思路及其与国内外其他力电转换材料体系的比较。第2章介绍了利用Ansys Maxwell仿真软件对各种柔性磁电材料体系的力电转换性能进行理论计算的原则和方法。随后在第3～8章介绍了柔性磁电材料体系的三种工作原理及其典型器件。*后，第9、10章介绍了基于磁流体液滴的柔性磁电材料体系。其中，第8章内容应用于能源俘获领域，其余章节内容应用于自供能感知领域。本书涵盖了材料、工艺、器件应用等多方面内容，总结了著者2018年回国后近期新的研究成果，既有理论分析，又有应用扩展。因此，本书可供各个工程领域人员阅读，亦可作为在校师生的参考书。

第1章绪论/1
1.1引言/1
1.2机电转换自供能传感器分类与存在的问题/2
1.2.1基于压电效应的自供能传感器/2
1.2.2基于摩擦电效应的自供能传感器/4
1.2.3基于电磁感应效应的自供能传感器/6
1.2.4机电转换自供能传感器存在的问题/8
1.3柔性磁电材料体系的设计原理及分类/9
1.4柔性磁电材料体系的研究进展/12
1.5柔性磁电材料体系面临的挑战/17
第2章柔性磁电材料体系 Ansys Maxwell数值仿真分析/18
2.1引言/18
2.2磁粉/聚合物复合材料体系有限元等效模型的建立/19
2.3有限元仿真等效模型的验证/28
2.3.1准确性验证/28
2.3.2形状适用性验证/31
2.4有限元仿真等效模型对磁电传感器参数的优化设计/33
2.4.1磁性颗粒粒径对输出电压的影响/33
2.4.2磁性颗粒粒子数对输出电压的影响/36
2.4.3磁性单元和导电单元之间的距离对输出电压的影响/39
2.5磁粉/聚合物复合体系的仿真模拟规律小结/40
第3章基于磁材料形变的磁电复合块体/41
3.1磁电软复合块体传感器的设计与制备/41
3.2实验测试仪器与方法/42
3.3磁电软复合块体传感器的形貌结构表征/43
3.4磁电软复合块体传感器的力电转换机理/45
3.5材料与器件的结构参数对力电转换性能的影响/48
3.6磁电软复合块体传感器的自供能传感性能/52
3.7磁电软复合块体传感器阵列/53
3.8磁电软复合块体传感器在智能停车监控系统上的应用/55
柔性磁电材料体系：自供能感知与能源俘获目录第4章基于磁材料形变的磁电复合仿默克尔小体/57
4.1磁电复合仿默克尔小体传感器的设计与制备/57
4.2实验测试仪器与方法/58
4.3磁电复合仿默克尔小体传感器的数值仿真建模/58
4.4磁电复合仿默克尔小体传感器的形貌结构表征/61
4.5磁电复合仿默克尔小体传感器的力电转换机理/62
4.6材料与器件的结构参数对力电转换性能的影响/65
4.7磁电复合仿默克尔小体传感器在机器人触觉传感上的应用/69
第5章基于导电材料形变的液态金属基柔性磁电薄膜/72
5.1GLMA基柔性磁电薄膜的设计与制备/72
5.2实验测试仪器与方法/73
5.3GLMA基柔性磁电薄膜的形貌结构表征/73
5.4GLMA基柔性磁电薄膜的力电转换机理/75
5.5材料与器件的结构参数对力电转换性能的影响/79
5.6GLMA基柔性磁电薄膜的应力感知性能/83
5.7图案化GLMA基柔性磁电薄膜传感器/85
5.8GLMA基柔性磁电薄膜在可穿戴感知上的应用/87
第6章基于导电材料形变的全柔性碳纤维织物基磁电体系/88
6.1碳纤维织物基磁电传感器件的设计与制备/88
6.2碳纤维织物与软磁复合物的形貌结构表征/91
6.3碳纤维织物基磁电传感器件的力电转换性能及其机理/93
6.4软磁复合物和碳纤维织物的参数对力电转换性能的影响/96
6.4.1软磁复合物的磁含量对力电转换性能的影响/96
6.4.2软磁复合物的内径对力电转换性能的影响/97
6.4.3碳纤维织物的厚度对力电转换性能的影响/99
6.4.4碳纤维织物基磁电传感器的组装方式对力电转换
性能的影响/100
6.5全柔性碳纤维织物基磁电体系的高化学稳定性/101
6.5.1碳纤维织物基磁电传感器件在酸性环境下的稳定性/101
6.5.2碳纤维织物基磁电传感器件在碱性环境下的稳定性/101
6.6碳纤维织物基磁电传感器件在软体机器人上的应用/103
6.6.1碳纤维织物基全柔性软体机器人的设计/103
6.6.2碳纤维织物基全柔性软体机器人的充磁方式/104
6.6.3碳纤维织物基全柔性软体机器人的运动模式/104
6.6.4碳纤维织物基全柔性软体机器人的感知和识别功能/105
6.6.5碳纤维织物基全柔性软体机器人的感知识别运动
一体化能力/105
6.6.6碳纤维织物基全柔性软体机器人在水下酸性和碱性
环境中的应用/107
第7章基于磁电材料相对距离变化的超疏水磁电体系/108
7.1超疏水液滴磁电发电机的设计、制备与标准/108
7.2超疏水液滴磁电发电机的形貌结构表征/109
7.3超疏水液滴磁电发电机的力电转换机理/113
7.4材料与器件的结构参数对力电转换性能的影响/116
7.5超疏水液滴磁电发电机收集水滴的重力势能和集水应用/118
第8章基于磁电材料相对距离变化的柔性磁电织物体系/121
8.1磁性织物的织造与磁化/122
8.1.1磁性纱线的大规模制备/122
8.1.2磁性织物的织造过程/122
8.1.3磁性织物的磁化过程/122
8.2磁性织物的分析表征/124
8.2.1磁性织物的纺织性能测试/124
8.2.2磁性织物的磁性测试/126
8.3磁性织物的力电转换性能测试/127
8.3.1磁性织物的力电转换性能测试平台的搭建/127
8.3.2不同参数对柔性磁电式织物发电体系电学性能的影响/127
8.4利用磁性织物制备磁电式发电衣物/131
8.4.1磁电式发电衣的缝制过程/131
8.4.2发电衣的电学性能/132
8.4.3发电衣的仿真模拟/132
8.5磁电式发电衣为可穿戴电子设备供能/135
8.5.1磁电式发电衣为小型用电器供电/135
8.5.2磁电式发电衣为超级电容充电/136
8.5.3磁电式发电衣和超级电容为对讲机供电/137
8.5.4磁电式发电衣和超级电容为智能手环充电/137
第9章基于外力驱动磁流体移动的仿鲨鱼皮水下超疏油磁电体系/139
9.1水下超疏油磁电俘能器件的设计、制备与表征/140
9.2仿鲨鱼皮3D打印样品的形貌结构表征/142
9.3样品表面对磁流体黏附性的表征/144
9.4仿鲨鱼皮表面的结构参数对水下超疏油和减阻性能的影响/146
9.4.1鳞片上相邻肋条之间的距离对水下超疏油和减阻
性能的影响/147
9.4.2鳞片间的垂直(y轴)分布距离对水下超疏油和减阻
性能的影响/147
9.4.3鳞片的倾斜角度对水下超疏油和减阻性能的影响/150
9.5水下超疏油磁电俘能器件的力电转换性能及其机理/153
9.5.1水下超疏油磁电俘能器件的力电转换性能/153
9.5.2水下超疏油磁电俘能器件的力电转换机理/155
9.6磁电俘能器件的结构参数对力电转换性能的影响/158
9.7水下超疏油磁电俘能器件在收集滑动机械能上的应用/160
第10章基于磁流体的仿荷叶超疏水磁电体系/163
10.1仿荷叶超疏水磁流体发电机的制备与仿真建模/163
10.2仿荷叶超疏水磁流体发电机的形貌结构表征/165
10.3仿荷叶超疏水磁流体发电机的力电转换机理/166
10.4材料与器件的结构参数对力电转换性能的影响/171
10.5仿荷叶超疏水磁流体发电机用于收集波浪能/177
参考文献/179

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节选

柔性磁电材料，既不同于柔性电子材料，又不同于柔性磁学材料，是将低杨氏模量的磁性物质和导电物质分散在柔性介质（如高分子聚合物）中的一类复合材料。与单一研究低杨氏模量导电材料的柔性电子学或低杨氏模量磁性材料的柔性磁学体系相比，柔性磁电材料体系着重于研究“磁性材料”与“导电材料”的协同作用。该体系通利用外力作用下体系内“磁性部分”与“导电部分”之间相互作用的改变来实现力电的转换，从而应用到自供能感知与能源俘获领域。因此，柔性磁电材料是一类具有独特设计思路和应用前景的复合材料。将“二元协同”的理念用于这类新型复合材料体系的构筑，是著者在自己多年学术研究的基础上提出的。“二元协同”思想，*早来自道家老子的《道德经》，随后被江雷院士用于构筑特殊浸润性材料体系。著者在江雷院士课题组工作多年，一直期待将这一思想用于新型材料体系的构筑。磁与电的相互转换现象奠定了人类近两百年自然科学的基石。然而，在材料学领域，特别是*近二十年研究热点中的柔性复合材料体系，如何整体看待“磁性材料”与“导电材料”的协同作用还未见诸报道。基于这种思路，著者尝试将这两类材料的“二元协同效应”用于新复合材料体系的构筑，形成具有力电转换功能的柔性器件。从1800年伏打电池的发明到1831年法拉第发现电磁感应现象，基于硬质材料的电子学到电磁学的研究历经了31年的发展时间。基于软质材料的电子学，始于1985年德国通用电气公司的柔性电子皮肤，到著者于2019年提出柔性磁电材料体系，历经34年的发展时间。由此观之，自然科学历史的发展具有惊人的相似性和周期性。本书共分十章，主要针对柔性磁电材料体系的概念、理论模拟、体系的三种工作原理及其在自供能感知与能源俘获领域的应用方面进行了系统的论述。本书反映了著者回国后*新的研究成果，这些成果是由著者及其团队数年坚持研究取得的。本书在撰写过程中，参考了本团队部分研究生的论文和成果，在此向这些研究生表示衷心感谢，特别感谢我的学生黄剑瑜博士、岳亚妹博士提供的帮助。由于本书是首次提出“柔性磁电材料体系”并进行论述的学术专著，有些研究工作还在继续之中，认识还在不断深化，对一些问题的理解还不够深入，加之作者的学术水平和知识面有限，因此书中的不足和缺陷在所难免，殷切地期望同行专家和读者的批评指正。

作者简介

苏彬博士，华中科技大学，材料科学与工程学院，教授，博士生导师。“华中卓越学者计划”特聘II岗；国家中组部“千人计划-青年项目”获得者(2018-2020，相当于目前基金委的优青(海外))；湖北省“百人计划-青年项目”获得者(2018-2020)；澳大利亚研究委员会早期职业研究员奖(ARC-DECRA)获得者(2014-2016)。1983年3月生于湖北省武汉市，毕业于上海交通大学，分别获理学学士学位(2005)，工学博士学位(2009)。毕业后在中国科学院化学研究所有机固体实验室江雷院士课题组从事博士后(2010)，助理研究员(2011)，副研究员(2012)工作。2014年在澳大利亚莫纳什大学化工学院作为ARC-DECRA基金研究学者(2014)，博士后研究学者(2017)工作。2018年加入华中科技大学。主要从事柔性磁电器件及其增材制造的研究。获得中组部、国家自然基金委等多项基金项目资助。以**作者或通讯作者在 Nat. Commun., Adv. Mater., JACS, Chem. Soc. Rev., Nano Today, ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Nano Energy, Adv. Sci., Chem. Mater., Small, J. Mater. Chem. A 等SCI期刊上发表论文78 篇(其中影响因子大于10的文章46篇，ESI高被引文章2 篇)。研究成果相关引用 5800余次，H指数43(数据来源web of Science, 2022/1/29)。研究工作受到国际同行的高度关注，相继被Nature China, Chemistry World, Materials Views 等网站或杂志以研究亮点的形式进行了报道。以**发明人申请中国发明专利15项，授权10项。

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