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生物流体力学（翻译版·原书第2版） 
定 价：49 元 本教材已被 1 所学校申请过！ 丛书名：时代教育·国外高校优秀教材精选
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《生物流体力学（翻译版·原书第2版）》旨在为将流体力学应用于人体循环系统研究的相关课程提供教材，宜教易学。本书分为三个部分。第一部分主要对流体力学和固体力学的基础知识以及后边各章所涉及的心血管生理学作了概述。第二部分讲述了人体循环系统中的流体力学，重点针对动脉系统。第三部分的内容主要涉及介植入体及心血管系统的一些测量方法。本书是一本人体循环系统流体力学的入门教材，可供生物医学工程专业的高年级本科生或者一年级研究生使用，也可供相关科研与工程技术人员参考。
前言
符号表 缩略语表 单位换算系数、常用的常量与方程 第一部分流体力学、固体力学与心血管生理学 第1章流体力学原理1 1.1引言1 1.2流体的固有属性1 1.2.1密度 1 1.2.2黏度 4 1.2.3可压缩性 5 1.2.4表面张力 5 1.3流体静力学 6 1.4质量和动量的宏观平衡 7 1.4.1质量守恒 7 1.4.2动量守恒 9 1.5质量和动量的微观平衡 11 1.5.1质量守恒 11 1.5.2动量守恒 13 1.5.3数学解 17 1.6伯努利方程 21 1.7无量纲分析 24 1.8直管中的流体力学 26 1.8.1流动稳定性及相关特性 26 1.8.2流动脉动的影响 30 1.9边界层分离 32 习题 33 参考文献 33 第2章固体力学简介 34 2.1材料力学简介 34 2.1.1弹性行为 34 2.1.2工程应变和真实应变 36 2.1.3增量弹性模量 36 2.1.4泊松比 36 2.1.5切应力与切应变 37 2.1.6广义胡克定律 38 生物流体力学2.1.7体积模量 40 2.2薄壁圆管问题 40 2.3厚壁圆管问题 42 2.3.1平衡方程 42 2.3.2相容条件 42 2.4黏弹性 45 习题 47 参考文献 48 第3章心血管生理 49 3.1引言 49 3.2心49 3.2.1概述 49 3.2.2心的结构 51 3.2.3心传导系 51 3.2.4心的功能 54 3.3心瓣膜57 3.4体循环 58 3.5冠状动脉循环 63 3.6肺循环和肺的气体交换 66 3.7脑循环和肾循环 68 3.7.1脑循环 68 3.7.2肾循环 69 3.8微循环 70 3.9循环的调节 72 3.10动脉粥样硬化 73 3.10.1动脉粥样硬化的形态学 73 3.10.2动脉粥样硬化斑块的生长过程 74 3.10.3生理学意义 77 习题 78 参考文献 78 第二部分人体循环系统生物力学 第4章血液的流变特性和血管的力学特性 83 4.1血液的流变特性 83 4.1.1毛细管测黏法、同轴圆筒测黏法、锥-板测黏法的黏度测定及理论 83 4.1.2血液的物理属性 87 4.1.3血液的黏性 88 4.1.4非牛顿流体压力-流动关系 99 4.1.5流动及其产生的应力诱导溶血和血小板的激活105 4.2血管的力学性能107 4.2.1血管壁的结构组分及材料属性 107 4.2.2血管的材料特性 110 4.2.3血管壁的残余应力 114 4.2.4心肌的材料特性 115 4.3总结 116 习题 116 参考文献118 第5章静态和定常流模型119 5.1引言 119 5.2循环系统中的流体静力学 119 5.3伯努利方程的应用 120 5.3.1相对静水压的测量 120 5.3.2动脉狭窄和动脉瘤 121 5.3.3心瓣膜狭窄 122 5.4刚性管流动模型 126 5.4.1血管阻力 128 5.4.2血管阻力的局部变化 129 5.5动脉入口长度的计算及其对流动发展的影响 129 5.6可塌陷血管中的血液流动 132 5.7总结 134 习题 134 参考文献 136 第6章非定常流与非均匀几何形状模型 137 6.1引言 137 6.2人体循环系统中的Windkessel模型 137 6.3脉动血流动力学的连续模型 139 6.3.1动脉系统中的波传播139 6.4动脉粥样硬化的血流动力学理论 157 6.4.1低压理论、低壁面切应力理论和高壁面切应力理论 159 6.4.2随时间变化的壁面切应力、振荡剪切指数和壁面切应力梯度 161 6.5壁面切应力及其对内皮细胞的影响 162 6.6动脉弯曲和分叉处的流动 164 6.6.1弯曲血管 164 6.6.2分支与分叉 168 6.7动脉狭窄和动脉瘤处的流动 171 6.8总结 178 习题 178 参考文献 179 第7章原生心瓣膜180 7.1引言180 7.2主动脉瓣和肺动脉瓣 181 7.2.1力学性能 182 7.2.2瓣膜动力学 185 7.3二尖瓣和三尖瓣 187 7.3.1机械性能 191 7.3.2瓣膜动力学 193 习题 196 参考文献 197 第三部分心血管植介入体、生物力学测量技术及计算机仿真 第8章人工心瓣膜动力学203 8.1引言203 8.2人工心瓣膜发展历史简介 204 8.2.1机械瓣204 8.2.2组织材料瓣膜 207 8.2.3机械瓣膜与生物组织瓣膜对比小结 210 8.2.4经导管（介入）瓣膜210 8.2.5当前使用的人工心瓣膜 212 8.3人工心瓣膜的血流动力学评价 213 8.3.1压力降 213 8.3.2有效开口面积 214 8.3.3反流 216 8.3.4血流状态（flow patterns）与切应力 217 8.3.5人工心瓣膜渗漏 224 8.3.6空化现象和高强度振荡信号 225 8.4凝血风险和血流破坏的体外研究 227 8.4.1血栓沉积的影响227 8.5人工心瓣膜的耐久性 228 8.5.1磨损 228 8.5.2疲劳 229 8.5.3矿化 229 8.6当前瓣膜设计的发展趋势 230 8.7总结 231 习题 231 参考文献232 第9章血管治疗技术 233 9.1血管搭桥植入物 233 9.2动静脉瘘 234 9.3血管搭桥材料的类型 235 9.4血管搭桥的临床经验 238 9.5生物力学与吻合口内膜增生 239 9.6血管成形术、支架和腔内支架植入 247 9.7支架植入的生物力学 252 习题 255 参考文献 255 第10章流体动力学测量技术 257 10.1引言 257 10.2血压的测量 257 10.3血流的测量 259 10.4阻抗测量 262 10.5流场可视化 265 10.6超声多普勒测速 269 10.7激光多普勒测速仪 281 10.7.1技术特征 281 10.7.2探头规格 282 10.7.3光检测器(光电探测器) 284 10.7.4信号处理 285 10.7.5LDV生理脉动流场测量的平均相位窗285 10.8核磁共振成像与速度映射技术 286 10.8.1切片激发 287 10.8.2空间编码 288 10.8.3成像过程和脉冲程序 289 10.8.4相位对比核磁共振 290 10.8.5相位对比磁共振成像的临床应用 292 习题 297 参考文献 297 第11章血液循环系统计算流体力学298 11.1引言 298 11.2计算流体力学分析技术 299 11.2.1控制方程 299 11.2.2网格生成 300 11.2.3离散化技术 302 11.2.4时间积分 303 11.2.5泊肃叶流仿真、结果验证及网格无关性 304 11.3生物力学建模 307 11.3.1典型区域的几何构型 307 11.3.2血液流变特性模拟 308 11.3.3边界条件 309 11.3.4稳态与非稳态流动分析 311 11.3.5二维和三维模拟 313 11.3.6流固耦合分析 314 11.4人体血液循环系统的流体动力学仿真 314 11.4.1人体主动脉 315 11.4.2颈动脉分支 316 11.4.3主动脉分支 317 11.4.4冠状动脉分支 318 11.4.5动脉瘤（腹主动脉瘤和脑动脉瘤） 319 11.4.6动脉狭窄 320 11.4.7介入治疗与外科手术 321 11.4.8瓣膜动力学仿真 322 11.5未来方向：多尺度模拟 325 11.6总结 325 11.7计算机仿真程序 325 参考文献 326 符号表 英文字母 A横截面面积（第6章） B0磁场强度（第10章） C顺应性 Ci物质的量浓度（指定项i） c波速 D，d直径 Di扩散系数（第3章）；扩张系数（第6章） DL可膨胀性 E弹性模量（杨氏模量） Einc增量弹性模量 Ep压力-应变模量 E,F,G对流通量（第11章） Ev，Fv，Gv黏性通量（第11章） G切变模量 g重力加速度 H“总头”，单位体积的总能量，水头损失 H,Hct压积 J雅可比（第11章） Jν第一类ν阶贝塞尔函数 K稠度系数 KD溶解系数 Ks刚度系数 k体积模量 l0初始长度 l变形后长度 M′t模量（第6章） NDDean数 Ni物质i的摩尔通量 p静水压力 ps收缩压 pd舒张压 流体力学中总头是指单位重量流体的总能量，其单位是长度的单位。而此处的“总头”是指单位体积流体的总能量，其单位是压力的单位，故加上引号以示区别。——编辑注P,F轴向加载，力 Q流量（第11章） R半径 符号表生物流体力学r,θ,z;r,φ,z圆柱坐标系参量 r,θ,φ球坐标系参量 Re雷诺数 Rs阻力 SA node窦房结 T扭矩；截断误差（第11章） u,v,w速度分量 V体积 V0初始体积 x,y,z笛卡儿坐标系参量 Z阻抗 Z0特征阻抗 1D(2D,3D)一维（二维，三维） 希腊字母 α沃姆斯莱数 γ切应变 γ·切应变率，速度梯度 δ长度增量 ε正应变 εi相位角（第6章） εt真实应变 ε·正应变率 ξ,η,ζ广义坐标系参量（第11章） η,ζ,ξ管壁在r,θ,z方向的位移（第6章） ρ密度 μ［动力］黏度 μapp表观黏度 μp血浆黏度 ν泊松比（固体），运动黏度（μ/ρ，流体） σ正应力 σult极限应力 σy屈服应力 Γ对角矩阵（第11章） τ切应力 ω,Ω角速度缩 略 语 表 AAA腹主动脉瘤 ALE任意拉格朗日-欧拉（第11章） AV房室瓣（第3章） AVF动静脉瘘 bpm每分钟心跳次数 CDFM彩色多普勒血流成像 CFD计算流体力学 CO心输出量 CT计算机断层扫描 CVP中心静脉压 CW连续波 CX冠状动脉回旋支 DVT深静脉血栓 EC内皮细胞 ECG心电图 EDV舒张末期容积 EF射血分数 EMF电磁流量计 e-PTFE膨体聚四氟乙烯 ESV收缩末期容积 FSI流固耦合 HDL高密度脂蛋白 HR心率 IH内膜增生 IMA胸廓内动脉 LAD左降冠状动脉 LDA激光多普勒测风雷达 LDL低密度脂蛋白 LDV激光多普勒测速仪 MAP平均动脉压 MRI核磁共振成像 PET聚对苯二甲酸乙二醇酯 PIV粒子图像测速仪 PRF脉冲重复频率 PRU外周阻力单位 PTA经皮腔内血管成形术 PTCA经皮腔内冠状动脉成形术 PTFE聚四氟乙烯 RF射频脉冲 RMS均方根 RV反流体积 SG比重 SMC平滑肌细胞 SVC,IVC上、下腔静脉 SVG隐静脉桥 SVHD单心室缺陷病 TEE经食管超声心动图 WSR壁面切应变率 WSS壁面切应力 WSSG壁面切应力梯度 ZCC/ZCD零计数器/零相交检测器 缩 略 语 表生物流体力学 按GB 3102.3—1993规定，此量应称相对密度。——编辑注ⅩⅦ单位换算系数、常用的常量与方程生物流体力学单位换算系数、常用的常量与方程 单位换算 长度1ft=12in=30.48cm=0.3048m 1cm=0.394in=0.03280ft 体积1L=1000cm3(cc)=0.001m3 1ft3=0.028317m3 压力1mmHg=133.3N/m2=1333dyn/cm2 1atm=14.696lbf/in2=760mmHg 功率1hp=550ft·lbf/s=745.7W 密度1lb/ft3=16.018kg/m3=0.016018g/cm3 黏度1centi Poise(cP)=10-2Poise(P) 1P=1dyn·s/cm2=1g/(cm·s)=0.1N·s/m2=0.1Pa·s 流体参数 密度（ρ):ρ水＝999kg/m3≈1g/cm3 ρ空气＝1.22kg/m3(在标准大气温度和压力下） ρ血液＝1060kg/m3=1.06g/cm3;ρ血浆＝1035kg/m3=1.035g/cm3 黏度（μ):μ水＝1.0cP μ血浆＝1.2cP;μ血液＝3.5cP（在切应变率>100s-1) 流体力学控制方程 流体本构关系： 牛顿流体：τ=μuy 卡森流体：τ=τy+kcγ· 幂律流体： τ=Kplγ·n(n≠1) 运动方程（不可压缩，牛顿流体） 质量守恒方程（连续性方程）：·V=0 动量方程：V t+(V·）V =-1ρp+g +μρ2V 流体静力学关系：Δp=ρgh 一维流动 质量守恒方程，不可压缩流体（密度ρ为常量）:V1A1=V2A2 伯努利方程（能量守恒方程）——定常流——非黏性流动： p+ρV22+ρgh=H(常数） 泊肃叶方程（充分发展的稳态流动，牛顿流体）： Vz(r)=ΔpR24μL1－rR2=Vmax 1－rR2 Q=πΔpR48μL=πΔpd4128μL ⅩⅨ圆柱管的壁面切应力：τw=－d4ΔpL 泊肃叶流体的壁面切应力：|τw|=4μQπR3 雷诺数:Re=ρVdμ 入口长度（层流）：Le=0.06dRe 泊肃叶流体的沃姆斯莱（Womersley）数：α=d2ρωμ 固体力学方程ε=l－l0l0 胡克材料的应力-应变关系：σ=Eε；τ=Gγ 泊松比：ν=-εlateralεaxial 真实应变：εt=ln(1+ε） 薄壁弹性管：εθ=ΔRR；σθ=pRt 厚壁弹性管：E=p1R21(1+ν)(1－2ν)(R22－R21)ru+p1R21R22(1+ν)(R22－R21)r2ru 动脉血流力学关系 血液的卡森方程：τμplasma=1.53γ·+2.0 动脉血管壁的弹性模量： ⅩⅩ薄壁圆管的弹性模量：Eθ=pR2tΔR 厚壁圆管的弹性模量（Bergel）Einc=2(1-ν2）R21R2(R22－R21)ΔpΔR2 流阻：R=ΔpQ 阻抗（轴向）：|Zz|n=|p|n|Q|n 动脉血管壁的顺应性：C=ΔV/VΔp Gorlin方程（瓣膜开口的有效面积）：A=QmeanCdρΔp 压力波的速度（Moens-Kortweg关系)：C0=hE2Rρ 血液的沃姆斯莱(Womersley)数关系： Vz=AR2iμα21-J0(αr′i3/2)J0(αi3/2)eiωt Q=AπR4eiωtiμρ1-2J1(αi3/2)i3/2αJ0(αi3/2) ⅩⅩ生物流体力学译者序 译者序 ?丛书主编简介 Max Lu（逯高清）教授 主编“可持续能源发展中的新材料系列图书” Lu教授的研究领域为材料化学和纳米技术。他因从事清洁能源和环境技术领域的纳米颗粒及纳米多孔材料的相关研究工作，而广为人知。他发表了超过500篇高影响力的论文，这其中，包括其在《自然》（Nature）、 《美国化学学会期刊》（Journal of the American Chemical Society）、Angewandte Chemie和《先进材料》（Advanced Materials）等高水平期刊上发表的文章，还获得了20项国际专利。Lu教授是一位在科学信息研究所(Instituto for Scientific Information,ISI）材料科学方面被引用次数很高的一位作者，其引用次数超过17500次（h因子为63）。他获得过大量国际国内的著名奖项，包括中国科学院国际合作奖(2011年)，Orica奖，RK 墨菲奖章，Le Fevre奖，埃克森美孚奖，Chemeca奖章，最有影响的100位澳大利亚杰出工程师之一(2004年、2010年和2012年)，世界上最有影响力的50位华人榜(2006年)。他曾两次荣获得澳大利亚研究理事会奖学金(2003年和2008年)。他也被选为澳大利亚技术科学工程学院（Australin Acadeny of Technological Sciences and Engineering ATSE）会士和化学工程协会(Instintion of Chemical Engineers IChemE)会士。同时，他还是12个主要国际期刊的主编和编委，其中，包括《Journal of Colloid and Interface Science and Carbon》。 自2009年起，Lu教授便担任昆士兰大学副校长和副主席（分管科研）职务。他还担任过常务副校长职务（2012年），从2008年8月到2009年6月，他先后担任过代理副校长（分管科研）和副校长（分管科研联络）职务。在2003~2009年期间，他还担任澳大利亚研究理事会（ARC）中心功能纳米材料杰出人才基金会的主任。 Lu教授曾在很多政府委员会和咨询机构供职，包括澳大利亚总理科学工程创新理事会（2004年、2005年和2009年），ARC专家学会（2002~2004年）等。他也曾是IChemE澳大利亚委员会的主席，以及ATSE的前任主任。之前的其他工作单位还包括Uniseed Pty有限公司、ARC纳米技术网络、昆士兰中国理事会。目前，他还是澳大利亚同步加速器、澳大利亚国家电子研究合作工具和资源、研究数据存储设施等机构的理事会成员。作为国家新技术论坛的成员，他还可以约见澳大利亚部长一级的人物。本书编者简介 Franois Béguin （Elbieta Frckowiak）教授 波兹南工业大学（化学工程学） Piotrowo 3, 60-965 Poznan, Poland francois.beguin@put.poznan.pl 电话： ++48 61 665 3632 传真： ++48 61 665 2571 Franois Béguin 是波兹南工业大学（波兰）的一名教授。就在最近，他还获得了波兰科学基金会授予的WELCOME奖金。他的研究主要在碳材料的化学和电化学应用方面，特别是用于能量转换/储存和环境保护的纳米碳的开发，该纳米碳具有孔度可控和表面功能化。主要的研究课题包括锂电池、超级电容器、电化学储氢，以及水污染物的可逆电吸附。他在国际高水平刊物上所发表的文章超过250多篇，其文章被8300篇的文章所引用，Hirsch因子为46。他参与了多本涉及碳材料和能量储存书籍的编写。同时，他还是国际碳会议咨询理事会的成员，曾发起了用于能量储存与环境保护的碳国际会议（CESEP）。他也是《Carbon》期刊的编委，曾经是Orléans大学（法国）材料科学的教授，一直工作到2012年。他还担任过法国研究所（ANR）国家能量储存（Stock-E）、氢和燃料电池（H-PAC）和电管理（PROGELEC）项目的主任。Elbieta Frckowiak教授 波兹南工业大学 化学和工业电化学研究所 Piotrowo 3, 60-965 Poznan, Poland Elzbieta.Frackowiak@put.poznan.pl 电话： ++48 61 665 3632 传真： ++48 61 665 2571 Elbieta Frckowiak是波兹兰工业大学化学和工业电化学研究所的全职教授。她研究的课题涉及储能领域，包括电化学电容器、锂离子电池和氢电吸附，尤其是超级电容器用的电极材料（纳米孔碳、模板碳、碳纳米管和石墨烯等）、导电聚合物复合电极、掺杂碳和过渡金属氧化物等材料的开发，以及基于碳/氧化还原耦合界面一些新概念。 她是国际电化学学会（2009~2014年）电化学能源转换与储存分部的主席。她从2011年来是Electrochimica Acta国际咨询委员会的成员，从2008年来是Energy & Environmental Science国际咨询委员会的成员。她也是多个国际会议的主席或者联合主席［12th International Symposium on Intercalation Compounds (ISIC12) Poznań, Poland, 1–5 June 2003; 2nd International Symposium on Enhanced Electrochemical Capacitors (ISEECap’11), Poznań, Poland, 12–16 June 2011; the World CARBON conference in Krakow, 17-22 June 2012］。她是波兰科技奖基金的获得者，也即波兰的诺贝尔奖（2011年12月），她也获得了Order of Polonia Restituta (2011年12月) 和Order Sapienti Sat (2012年10月)。 她发表了150篇论文，撰写了多本书的部分章节，申请了数十项专利。引用他的次数达6000次，Hirsch因子为36。贡献者列表贡献者列表 Catia Arbizzani Alma Mater Studiorum Università di Bologna Dipartimento di Scienza dei Metalli Elettrochimica e Tecniche Chimiche Via San Donato 15 40127 Bologna 意大利Daniel Bélanger Université du Québec à Montréal Département de Chimie case postale 8888 succursale centre-ville Montréal Québec H3C 3P8 加拿大Philippe Azai··s Batscap 超级电容器公司 事业部 Odet, Ergue-Gaberic 29556 Quimper Cedex 9 法国 和 Commissariat à l’Energie Atomique (CEA) LITEN (Laboratoire d’Innovation pour les Technologies des Energies Nouvelles) 17 rue des Martyrs 38054 Grenoble Cedex 9 法国 Franois Béguin 波兹南工业大学 化学工程系 u1. Piotrowo 3 60-965 Poznan 波兰 Thierry Brousse Université de Nantes Institut des Matériaux Jean Rouxel (IMN) CNRS/Université de Nantes Polytech Nantes BP50609 44306 Nantes Cedex 3 法国 Andrew Burke 加州大学戴维斯分校 交通运输研究所 Studies One Shields Avenue Davis, CA 95616 美国 Scott W. Donne 纽卡斯尔大学 环境与生命科学学院 Office C325, Chemistry Callaghan New South Wales 2308 澳大利亚Daniel Guay INRS-nergie Matériaux et Télécommunications 1650 Boulevard Lionel Boulet case postale 1020 Varennes Québec J3X 1 S2 加拿大 Guang Feng 克莱姆森大学 机械工程系 Clemson, SC 29634-0921 美国Jingsong Huang 纳米材料中心 科学、计算机和数学分部 橡树岭国家实验室 Bethel Valley Road Oak Ridge, TN 37831-6367 美国Elbieta Frckowiak 波兹南工业大学 化学工程系 化学和工业电化学研究所 u1. Piotrowo 3 60-965 Poznan 波兰Mariachiara Lazzari Alma Mater Studiorum Università di Bologna Dipartimento di Scienza dei Metalli Elettrochimica e Tecniche Chimiche Via San Donato 15 40127 Bologna 意大利Roland Gallay Garmanage Clos-Besson 6 CH-1726 Farvagny-le-Petit 瑞士Marina Mastragostino Alma Mater Studiorum Università di Bologna Dipartimento di Scienza dei Metalli Elettrochimica e Tecniche Chimiche Via San Donato 15 40127 Bologna 意大利 Hamid Gualous Université de Caen Basse Normandie Esplanade de la Paix BP 5186 14032, Caen Cedex 5 法国Vincent Meunier 纳米材料中心 科学、计算机和数学分部 橡树岭国家实验室 Bethel Valley Road Oak Ridge, TN 37831-6367 美国Katsuhiko Naoi 东京农工大学 工程学院，应用化学分部 2-24-16 Naka-cho Koganei Tokyo 184-8558 日本John R. Miller JME公司 23500 Mercantile Road, Suite L Beachwood, OH 44122 美国 和 凯斯西储大学 大湖能源研究所 电气工程与计算机科学 10900 Euclid Avenue Cleveland, OH 44106 美国Jawahr Nerkar CSIRO 能源技术公司 Normanby Rd Clayton South Victoria 3169 澳大利亚 Tony Pandolfo CSIRO能源技术公司 Normanby Rd Clayton South Victoria 3169 美国 Yuki Nagano 东京农工大学 工程学院，应用化学分部 2-24-16 Naka-cho Koganei Tokyo 184-8558 日本Rui Qiao 克莱姆森大学 机械工程系 Clemson, SC 29634-0921 美国 Vanessa Ruiz CSIRO能源技术公司 Normanby Rd Clayton South Victoria 3169 澳大利亚 Seepalakottai Sivakkumar CSIRO能源技术公司 Normanby Rd Clayton South Victoria 3169 澳大利亚Patrice Simon Unviversitè Toulouse III Institut Carnot CIRIMAT - UMR CNRS 5085 118 route de Narbonne 31062 Toulouse 法国Francesca Soavi Alma Mater Studiorum Università di Bologna Dipartimento di Scienza dei Metalli Elettrochimica e Tecniche Chimiche Via San Donato 15 40127 Bologna 意大利Bobby G. Sumpter 纳米材料中心 科学、计算机和数学分部 橡树岭国家实验室 Bethel Valley Road Oak Ridge, TN 37831-6367 美国Pierre-Louis Taberna Unviversitè Toulouse III Institut Carnot CIRIMAT - UMR CNRS 5085 118 route de Narbonne 31062 Toulouse 法国超级电容器：材料、系统及应用 译者序 丛书编者序 前言 丛书主编简介 本书编者简介 贡献者列表 第1章电化学基本原理 1.1平衡态电化学 1.1.1自发化学反应 1.1.2吉布斯自由能最小化 1.1.3化学平衡和电化学电位间的桥接 1.1.4E与ΔGr间的关系 1.1.5能斯特方程 1.1.6平衡态的电池 1.1.7标准电位 1.1.8使用能斯特方程——Eh-pH图 1.2离子 1.2.1溶剂中的离子 1.2.1.1离子—溶剂相互作用 1.2.1.2热力学 1.2.2玻尔或简单连续介质模型 1.2.2.1玻尔方程的证明 1.2.3水的结构 1.2.3.1离子附近水的结构 1.2.3.2离子-偶极子模型 1.2.3.3空穴的形成 1.2.3.4集群的破坏 1.2.3.5离子-偶极子作用 1.2.3.6玻尔能量 1.2.3.7确定空穴中溶剂化离子的位置 1.2.3.8剩余的水分子 1.2.3.9与实验对比 1.2.3.10离子-四极模型 1.2.3.11诱导偶极子作用 1.2.3.12结果 1.2.3.13质子的水合焓 1.2.4溶剂化数 1.2.4.1络合数 1.2.4.2主要的溶剂化数 1.2.5活度及活度系数 1.2.5.1逸度（f′） 1.2.5.2非电解质稀溶液 1.2.5.3活度（α） 1.2.5.4标准态 1.2.5.5无限稀释 1.2.5.6溶剂活度的测量 1.2.5.7溶质活度的测量 1.2.5.8电解液活度 1.2.5.9平均离子数 1.2.5.10f、γ和γ间的关系 1.2.6离子-离子作用 1.2.6.1引言 1.2.6.2计算Ψ2的德拜-休克尔模型 1.2.6.3泊松-玻耳兹曼方程 1.2.6.4电荷密度 1.2.6.5泊松-玻耳兹曼方程的求解 1.2.6.6计算Δμi-1 1.2.6.7德拜长度K-1或LD 1.2.6.8活度系数 1.2.6.9与实验对比 1.2.6.10德拜-休克尔极限法则的近似 1.2.6.11最接近距离 1.2.6.12活度系数的物理解释 1.2.7浓电解质溶液 1.2.7.1斯托克-罗宾逊处理 1.2.7.2离子-水合修正 1.2.7.3浓度修正 1.2.7.4斯托克-罗宾逊方程 1.2.7.5斯托克-罗宾逊方程的评估 1.2.8离子对的形成 1.2.8.1离子对 1.2.8.2福斯处理 1.2.9离子动力学 ⅩⅦ超级电容器：材料、系统及应用1.2.9.1离子淌度与迁移数 1.2.9.2扩散 1.2.9.3菲克第二定律 1.2.9.4扩散统计学 1.3电化学动力学 1.3.1原理综述 1.3.1.1电位 1.3.1.2良导体中的电势 1.3.1.3良导体中的电荷 1.3.1.4电荷间的作用力 1.3.1.5电荷聚集产生的电势 1.3.1.6两接触相间的电位差（Δ） 1.3.1.7电化学电势（μ） 1.3.2静电荷界面或双电层 1.3.2.1界面 1.3.2.2理想极化电极 1.3.2.3霍尔姆兹模型 1.3.2.4古伊-查普曼模型或扩散模型 1.3.2.5斯特恩模型 1.3.2.6博克里斯、德瓦纳罕和穆勒模型 1.3.2.7电容的计算 1.3.3界面上的电荷传输 1.3.3.1过渡态理论 1.3.3.2氧化还原电荷转移反应 1.3.3.3电荷转移的行为 1.3.3.4巴特勒-沃尔摩方程 1.3.3.5以标准速率常数（K0）的形式表示I 1.3.3.6K0和I0间的关系 1.3.4多步过程 1.3.4.1多步巴特勒-沃尔摩方程 1.3.4.2机理法则 1.3.4.3I0对浓度的依存关系 1.3.4.4电荷转移电阻（Rct） 1.3.4.5整个电池的电压 1.3.5物质传输控制 1.3.5.1扩散和迁移 1.3.5.2限定电流密度（IL） 1.3.5.3旋转圆盘电极 进一步的阅读材料 ⅩⅧ第2章电化学电容器的概述 2.1引言 2.2电容器的原理 2.3电化学电容器 2.3.1双电层电容器 2.3.1.1双电层与多孔材料模型 2.3.1.2双电层电容器的构造 2.3.2赝电容电化学电容器 2.3.2.1导电聚合物 2.3.2.2过渡金属氧化物 2.3.2.3锂离子电容器 2.4小结 致谢 参考文献 第3章电化学技术 3.1电化学设备 3.2电化学单元 3.3电化学界面：超级电容器 3.4常用的电化学技术 3.4.1暂态技术 3.4.1.1循环伏安技术 3.4.1.2恒电流循环技术 3.4.2稳态技术 3.4.2.1电化学阻抗谱 3.4.2.2超级电容器阻抗 参考文献 第4章双电层电容器及其所用碳材料 4.1引言 4.2双电层 4.3双电层电容器的碳材料类型 4.3.1活性炭粉末 4.3.2活性炭纤维 4.3.3碳纳米管 4.3.4炭气凝胶 4.4电容与孔尺寸 4.5离子去溶剂化的证据 4.6性能限制：孔径进入度或孔隙饱和度 4.6.1孔径进入度的限制 4.6.2孔隙饱和度对电容器性能的限制 4.7微孔碳材料之外的双电层电容 4.7.1纯离子液体电解质中的热微孔碳材料 4.7.2离子液体溶液中额外的电容 4.7.3孔隙中的离子捕获 4.7.4离子的嵌入/插层 4.8小结 参考文献 第5章碳基电化学电容器的现代理论 5.1引言 5.1.1碳基电化学电容器 5.1.2双电层电容器的组成 5.2经典理论 5.2.1界面上的紧密层 5.2.2电解液中的扩散层 5.2.3电极上的空间电荷层 5.3近期研究进展 5.3.1表面曲率效应下的后亥姆霍兹模型 5.3.1.1内嵌式电容器模型 5.3.1.2层次孔多孔碳模型 5.3.1.3Exohedral电容器模型 5.3.2GCS模型之外的双电层电容器理论 5.3.3石墨化碳材料的量子电容 5.3.4分子动力学模拟 5.3.4.1水溶液中的双电层 5.3.4.2有机电解液中的的双电层 5.3.4.3室温离子液体中的双电层 5.4小结 致谢 参考文献 第6章具有赝电容特性的电极材料 6.1引言 6.2导电聚合物在超级电容器中的应用 6.3金属氧化物/碳复合材料 6.4碳网络中杂原子的赝电容效应 6.4.1富氧的碳 6.4.2富氮的碳 6.5带有电吸附氢的纳米多孔碳 6.6电解质溶液-法拉第反应的来源 6.7小结——赝电容效应的优点与缺点 参考文献 第7章有机介质中的锂离子混合型超级电容器 7.1引言 7.2传统双电层电容器的电压限制 7.3混合电容器系统 7.3.1锂离子电容器 7.3.2纳米杂化电容器 7.4纳米杂化电容器的材料设计 7.5小结 缩写词 参考文献 第8章水系介质中的非对称器件和混合器件 8.1引言 8.2水系混合（非对称）器件 8.2.1原理、要求和限制 8.2.2活性炭/PbO2器件 8.2.3活性炭/Ni(OH)2混合器件 8.2.4基于活性炭和导电聚合物的水系混合器件 8.3水系非对称电化学电容器 8.3.1原理、要求和限制 8.3.2活性炭/MnO2器件 8.3.3其他MnO2基的非对称器件或混合器件 8.3.4碳/碳水系非对称器件 8.3.5碳/RuO2器件 8.4氧化钌-氧化钽混合电容器 8.5展望 参考文献 第9章基于无溶剂的离子液体的双电层电容器 9.1引言 9.2碳电极/离子液体界面 9.3离子液体 9.4碳电极 9.5超级电容器 9.6小结 离子液体代码 词汇表 参考文献 第10章产业化超级电容器的制造 10.1引言 10.2单元组成 10.2.1电极设计及其组成 10.2.1.1集流体 10.2.1.2超级电容器用活性炭 10.2.1.3产业化超级电容器用的工业活性炭 10.2.1.4活性炭的粒径分布及其优化 10.2.1.5粘结剂 10.2.1.6导电添加剂 10.2.2电解液 10.2.2.1电解液对性能的影响 10.2.2.2液态电解液及其存留的问题 10.2.2.3离子液体电解液 10.2.2.4固态电解质 10.2.3隔膜 10.2.3.1隔膜的要求 10.2.3.2纤维素隔膜和聚合物隔膜 10.3单元的设计 10.3.1小尺寸元件 10.3.2大型单元 10.3.2.1高功率型单元 10.3.2.2能量型单元 10.3.2.3软包型单元设计 10.3.2.4单元设计的争执：方形单元和圆柱状单元 10.3.2.5水系介质单元 10.4模块设计 10.4.1基于牢固型单元的大型模块 10.4.1.1单元间的金属连接 10.4.1.2模块的电终端 10.4.1.3模块的绝缘体 10.4.1.4单元的平衡和其他信息探测 10.4.1.5模块外壳 10.4.2基于软包电容器的大型模块 10.4.3在水系电解液中工作的大型模块 10.4.4基于非对称技术的其他模块 10.5小结与展望 参考文献 第11章超级电容器在电、热以及老化条件限制下的模型尺寸和热管理 11.1引言 11.2电学特性 11.2.1C和ESR测试 11.2.1.1时域中的容量与串联电阻特性 11.2.1.2频域中的容量与串联电阻特性 11.2.2超级电容器的性质、性能及特征 11.2.2.1容量和ESR随电压的变化 11.2.2.2容量和ESR随温度的变化 11.2.2.3自放电与漏电流 11.2.3Ragone图理论 11.2.3.1匹配阻抗 11.2.3.2负载可用功率,Ragone方程 11.2.4能量性能和恒流放电 11.2.5恒功率下的能量性能和放电性能 11.2.6恒负载下的能量性能和放电性能 11.2.7效率 11.3热模型 11.3.1超级电容器的热模型 11.3.2热传导 11.3.3热边界条件 11.3.4热对流传热系数 11.3.5求解过程 11.3.6BCAP0350实验结果 11.4超级电容器的寿命 11.4.1失效模式 11.4.2加速失效因素——温度和电压 11.4.3失效的物理因素 11.4.4测试 11.4.5直流电压测试 11.4.6电压循环测试 11.5确定超级电容器模型尺寸的方法 11.6应用 11.6.1燃料电池汽车的电源管理 11.6.1.1问题说明 11.6.1.2燃料电池模型 11.6.1.3超级电容器模型 11.6.2优化控制下的燃料电池汽车的电源管理 11.6.2.1无约束优化控制 11.6.2.2汉密尔顿-雅可比-贝尔曼方程 11.6.3对燃料电池汽车功率与单位功率的非平衡优化控制 11.6.3.1对燃料电池的功率限制 11.6.3.2对燃料电池单位功率的限制 11.6.4通过优化相关联的滑模控制进行燃料电池汽车的电源管理 11.6.5小结 参考文献 第12章电化学电容器的测试 12.1引言 12.2DC测试程序概述 12.2.1USABC测试程序 12.2.2IEC测试程序 12.2.3UC Davis测试程序 12.3碳/碳基器件测试程序的应用 12.3.1电容 12.3.2电阻 12.3.3能量密度 12.3.4功率容量 12.3.5脉冲循环测试 12.4混合电容器、赝电容器的测试 12.4.1电容 12.4.2电阻 12.4.3能量密度 12.4.4功率特性和脉冲循环测试 12.5交流阻抗和直流测试的关系 12.6超级电容数据分析的不确定性 12.6.1充电算法 12.6.2电容 12.6.3电阻 12.6.4能量密度 12.6.5功率容量 12.6.6循环效率 12.7小结 参考文献 第13章电化学电容器的可靠性 13.1引言 13.2可靠性的基本知识 13.3电容器单元的可靠性 13.4系统的可靠性 13.5单元可靠性的评估 13.5.1实验方法实例 13.6实际系统的可靠性 13.6.1单元电压的不均匀性 13.6.2单元温度的不均匀性 13.7提高系统的可靠性 13.7.1减少单元压力 13.7.2单元的烧损 13.7.3串联中使用较少的单元 13.7.4使用长寿命单元 13.7.5实施维护 13.7.6增加冗余 13.8系统设计实例 13.8.1问题说明 13.8.2系统分析 13.8.3单元的可靠性 参考文献 第14章电化学电容器的市场及应用 14.1前言：原理与历史 14.2商业化设计：直流电源的应用 14.2.1双极设计 14.2.2单元设计 14.2.3非对称设计 14.3能量储存与能量收集应用 14.3.1运动和能量 14.3.2混合化：能量捕获与再利用 14.3.3节能与能量效率 14.3.4引擎起动 14.4技术与应用的结合 14.4.1电池/电容器结合的应用 14.5电网应用 14.5.1存储与公用电网 14.6小结
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