第1章緒論/1

1.1引言/1

1.2機電轉換自供能傳感器分類與存在的問題/2

1.2.1基於壓電效應的自供能傳感器/2

1.2.2基於摩擦電效應的自供能傳感器/4

1.2.3基於電磁感應效應的自供能傳感器/6

1.2.4機電轉換自供能傳感器存在的問題/8

1.3柔性磁電材料體繫的設計原理及分類/9

1.4柔性磁電材料體繫的研究進展/12

1.5柔性磁電材料體繫面臨的挑戰/17

第2章柔性磁電材料體繫 Ansys Maxwell數值仿真分析/18

2.1引言/18

2.2磁粉/聚合物復合材料體等效模型的建立/19

2.仿真等效模型的驗證/28

2.3.1準確性驗證/28

2.3.2形狀適用性驗證/31

2.仿真等效模型對磁電傳感器參數的優化設計/33

2.4.1磁性顆粒粒徑對輸出電壓的影響/33

2.4.2磁性顆粒粒子數對輸出電壓的影響/36

2.4.3和之間的距離對輸出電壓的影響/39

2.5磁粉/聚合物復合體繫的仿真模擬規律小結/40

第3章基於磁材料形變的磁電復合塊體/41

3.1磁電軟復合塊體傳感器的設計與制備/41

3.2實驗測試儀器與方法/42

3.3磁電軟復合塊體傳感器的形貌結構表征/43

3.4磁電軟復合塊體傳感器的力電轉換機理/45

3.5材料與器件的結構參數對力電轉換性能的影響/48

3.6磁電軟復合塊體傳感器的自供能傳感性能/52

3.7磁電軟復合塊體傳感器陣列/53

3.8磁電軟復合塊體傳感器在智能停車監控繫統上的應用/55

柔性磁電材料體繫：自供能感知與能源俘獲目錄第4章基於磁材料形變的磁電復合仿默克爾小體/57

4.1磁電復合仿默克爾小體傳感器的設計與制備/57

4.2實驗測試儀器與方法/58

4.3磁電復合仿默克爾小體傳感器的數值仿真建模/58

4.4磁電復合仿默克爾小體傳感器的形貌結構表征/61

4.5磁電復合仿默克爾小體傳感器的力電轉換機理/62

4.6材料與器件的結構參數對力電轉換性能的影響/65

4.7磁電復合仿默克爾小體傳感器在機器人觸覺傳感上的應用/69

第5章基於導電材料形變的液態金屬基柔性磁電薄膜/72

5.1GLMA基柔性磁電薄膜的設計與制備/72

5.2實驗測試儀器與方法/73

5.3GLMA基柔性磁電薄膜的形貌結構表征/73

5.4GLMA基柔性磁電薄膜的力電轉換機理/75

5.5材料與器件的結構參數對力電轉換性能的影響/79

5.6GLMA基柔性磁電薄膜的應力感知性能/83

5.7圖案化GLMA基柔性磁電薄膜傳感器/85

5.8GLMA基柔性磁電薄膜在可穿戴感知上的應用/87

第6章基於導電材料形變的全柔性碳纖維織物基磁電體繫/88

6.1碳纖維織物基磁電傳感器件的設計與制備/88

6.2碳纖維織物與軟磁復合物的形貌結構表征/91

6.3碳纖維織物基磁電傳感器件的力電轉換性能及其機理/93

6.4軟磁復合物和碳纖維織物的參數對力電轉換性能的影響/96

6.4.1軟磁復合物的磁含量對力電轉換性能的影響/96

6.4.2軟磁復合物的內徑對力電轉換性能的影響/97

6.4.3碳纖維織物的厚度對力電轉換性能的影響/99

6.4.4碳纖維織物基磁電傳感器的組裝方式對力電轉換

性能的影響/100

6.5全柔性碳纖維織物基磁電體繫的高化學穩定性/101

6.5.1碳纖維織物基磁電傳感器件在酸性環境下的穩定性/101

6.5.2碳纖維織物基磁電傳感器件在堿性環境下的穩定性/101

6.6碳纖維織物基磁電傳感器件在軟體機器人上的應用/103

6.6.1碳纖維織物基全柔性軟體機器人的設計/103

6.6.2碳纖維織物基全柔性軟體機器人的充磁方式/104

6.6.3碳纖維織物基全柔性軟體機器人的運動模式/104

6.6.4碳纖維織物基全柔性軟體機器人的感知和識別功能/105

6.6.5碳纖維織物基全柔性軟體機器人的感知識別運動

一體化能力/105

6.6.6碳纖維織物基全柔性軟體機器人在水下酸性和堿性

環境中的應用/107

第7章基於磁電材料相對距離變化的超疏水磁電體繫/108

7.1超疏水液滴磁電發電機的設計、制備與標準/108

7.2超疏水液滴磁電發電機的形貌結構表征/109

7.3超疏水液滴磁電發電機的力電轉換機理/113

7.4材料與器件的結構參數對力電轉換性能的影響/116

7.5超疏水液滴磁電發電機收集水滴的重力勢能和集水應用/118

第8章基於磁電材料相對距離變化的柔性磁電織物體繫/121

8.1磁性織物的織造與磁化/122

8.1.1磁性紗線的大規模制備/122

8.1.2磁性織物的織造過程/122

8.1.3磁性織物的磁化過程/122

8.2磁性織物的分析表征/124

8.2.1磁性織物的紡織性能測試/124

8.2.2磁性織物的磁性測試/126

8.3磁性織物的力電轉換性能測試/127

8.3.1磁性織物的力電轉換性能測試平臺的搭建/127

8.3.2不同參數對柔性磁電式織物發電體繫電學性能的影響/127

8.4利用磁性織物制備磁電式發電衣物/131

8.4.1磁電式發電衣的縫制過程/131

8.4.2發電衣的電學性能/132

8.4.3發電衣的仿真模擬/132

8.5磁電式發電衣為可穿戴電子設備供能/135

8.5.1磁電式發電衣為小型用電器供電/135

8.5.2磁電式發電衣為超級電容充電/136

8.5.3磁電式發電衣和超級電容為對講機供電/137

8.5.4磁電式發電衣和超級電容為智能手環充電/137

第9章基於外力驅動磁流體移動的仿鯊魚皮水下超疏油磁電體繫/139

9.1水下超疏油磁電俘能器件的設計、制備與表征/140

9.2仿鯊魚皮3D打印樣品的形貌結構表征/142

9.3樣品表面對磁流體黏附性的表征/144

9.4仿鯊魚皮表面的結構參數對水下超疏油和減阻性能的影響/146

9.4.1鱗片上相鄰肋條之間的距離對水下超疏油和減阻

性能的影響/147

9.4.2鱗片間的垂直(y軸)分布距離對水下超疏油和減阻

性能的影響/147

9.4.3鱗片的傾斜角度對水下超疏油和減阻性能的影響/150

9.5水下超疏油磁電俘能器件的力電轉換性能及其機理/153

9.5.1水下超疏油磁電俘能器件的力電轉換性能/153

9.5.2水下超疏油磁電俘能器件的力電轉換機理/155

9.6磁電俘能器件的結構參數對力電轉換性能的影響/158

9.7水下超疏油磁電俘能器件在收集滑動機械能上的應用/160

第10章基於磁流體的仿荷葉超疏水磁電體繫/163

10.1仿荷葉超疏水磁流體發電機的制備與仿真建模/163

10.2仿荷葉超疏水磁流體發電機的形貌結構表征/165

10.3仿荷葉超疏水磁流體發電機的力電轉換機理/166

10.4材料與器件的結構參數對力電轉換性能的影響/171

10.5仿荷葉超疏水磁流體發電機用於收集波浪能/177

參考文獻/179 

柔性磁電材料，既不同於柔性電子材料，又不同於柔性磁學材料，是將低楊氏模量的磁性物質和導電物質分散在柔性介質（如高分子聚合物）中的一類復合材料。與單一研究低楊氏模量導電材料的柔性電子學或低楊氏模量磁性材料的柔性磁學體繫相比，柔性磁電材料體繫著重於研究“磁性材料”與“導電材料”的協同作用。該體繫通利用外力作用下體繫內“磁性部分”與“導電部分”之間相互作用的改變來實現力電的轉換，從而應用到自供能感知與能源俘獲領域。因此，柔性磁電材料是一類具有獨特設計思路和應用前景的復合材料。將&ldqu協同”的理念用於這類新型復合材料體繫的構築，是著者在自己多年學術研究的基礎上提出的。&ldqu協同”思想，*早來自道家老子的《道德經》，隨後被江雷院士用於構築特殊浸潤性材料體繫。著者在江雷院士課題組工作多年，一直期待將這一思想用於新型材料體繫的構築。磁與電的相互轉換現像奠定了人類近兩百年自然科學的基石。然而，在材料學領域，特別是*近二十年研究熱點中的柔性復合材料體繫，如何整體看待“磁性材料”與“導電材料”的協同作用還未見諸報道。基於這種思路，著者嘗試將這兩類材料的&ldqu協同效應”用於新復合材料體繫的構築，形成具有力電轉換功能的柔性器件。 從1800年伏打電池的發明到1831年法拉第發現電磁感應現像，基於硬質材料的電子學到電磁學的研究歷經了31年的發展時間。基於軟質材料的電子學，始於1985年德國通用電氣公司的柔性電子皮膚，到著者於2019年提出柔性磁電材料體繫，歷經34年的發展時間。由此觀之，自然科學歷史的發展具有驚人的相似性和周期性。本書共分十章，主要針對柔性磁電材料體繫的概念、理論模擬、體繫的三種工作原理及其在自供能感知與能源俘獲領域的應用方面進行了繫統的論述。本書反映了著者回國後*新的研究成果，這些成果是由著者及其團隊數年堅持研究取得的。本書在撰寫過程中，參考了本團隊部分研究生的論文和成果，在此向這些研究生表示衷心感謝，特別感謝我的學生黃劍瑜博士、嶽亞妹博士提供的幫助。由於本書是首次提出“柔性磁電材料體繫”並進行論述的學術專著，有些研究工作還在繼續之中，認識還在不斷深化，對一些問題的理解還不夠深入，加之作者的學術水平和知識面有限，因此書中的不足和缺陷在所難免，殷切地期望同行專家和讀者的批評指正。 2022年8月於武漢