生物流體力學(xué)（翻譯版·原書第2版）

符號表
縮略語表
單位換算系數(shù)、常用的常量與方程
第一部分流體力學(xué)、固體力學(xué)與心血管生理學(xué)
第1章流體力學(xué)原理1
1.1引言1
1.2流體的固有屬性1
1.2.1密度 1
1.2.2黏度 4
1.2.3可壓縮性 5
1.2.4表面張力 5
1.3流體靜力學(xué) 6
1.4質(zhì)量和動量的宏觀平衡 7
1.4.1質(zhì)量守恒 7
1.4.2動量守恒 9
1.5質(zhì)量和動量的微觀平衡 11
1.5.1質(zhì)量守恒 11
1.5.2動量守恒 13
1.5.3數(shù)學(xué)解 17
1.6伯努利方程 21
1.7無量綱分析 24
1.8直管中的流體力學(xué) 26
1.8.1流動穩(wěn)定性及相關(guān)特性 26
1.8.2流動脈動的影響 30
1.9邊界層分離 32
習(xí)題 33
參考文獻(xiàn) 33
第2章固體力學(xué)簡介 34
2.1材料力學(xué)簡介 34
2.1.1彈性行為 34
2.1.2工程應(yīng)變和真實應(yīng)變 36
2.1.3增量彈性模量 36
2.1.4泊松比 36
2.1.5切應(yīng)力與切應(yīng)變 37
2.1.6廣義胡克定律 38
生物流體力學(xué)2.1.7體積模量 40
2.2薄壁圓管問題 40
2.3厚壁圓管問題 42
2.3.1平衡方程 42
2.3.2相容條件 42
2.4黏彈性 45
習(xí)題 47
參考文獻(xiàn) 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心的結(jié)構(gòu) 51
3.2.3心傳導(dǎo)系 51
3.2.4心的功能 54
3.3心瓣膜57
3.4體循環(huán) 58
3.5冠狀動脈循環(huán) 63
3.6肺循環(huán)和肺的氣體交換 66
3.7腦循環(huán)和腎循環(huán) 68
3.7.1腦循環(huán) 68
3.7.2腎循環(huán) 69
3.8微循環(huán) 70
3.9循環(huán)的調(diào)節(jié) 72
3.10動脈粥樣硬化 73
3.10.1動脈粥樣硬化的形態(tài)學(xué) 73
3.10.2動脈粥樣硬化斑塊的生長過程 74
3.10.3生理學(xué)意義 77
習(xí)題 78
參考文獻(xiàn) 78
第二部分人體循環(huán)系統(tǒng)生物力學(xué)
第4章血液的流變特性和血管的力學(xué)特性 83
4.1血液的流變特性 83
4.1.1毛細(xì)管測黏法、同軸圓筒測黏法、錐-板測黏法的黏度測定及理論 83
4.1.2血液的物理屬性 87
4.1.3血液的黏性 88
4.1.4非牛頓流體壓力-流動關(guān)系 99
4.1.5流動及其產(chǎn)生的應(yīng)力誘導(dǎo)溶血和血小板的激活105
4.2血管的力學(xué)性能107
4.2.1血管壁的結(jié)構(gòu)組分及材料屬性 107
4.2.2血管的材料特性 110
4.2.3血管壁的殘余應(yīng)力 114
4.2.4心肌的材料特性 115
4.3總結(jié) 116
習(xí)題 116
參考文獻(xiàn)118
第5章靜態(tài)和定常流模型119
5.1引言 119
5.2循環(huán)系統(tǒng)中的流體靜力學(xué) 119
5.3伯努利方程的應(yīng)用 120
5.3.1相對靜水壓的測量 120
5.3.2動脈狹窄和動脈瘤 121
5.3.3心瓣膜狹窄 122
5.4剛性管流動模型 126
5.4.1血管阻力 128
5.4.2血管阻力的局部變化 129
5.5動脈入口長度的計算及其對流動發(fā)展的影響 129
5.6可塌陷血管中的血液流動 132
5.7總結(jié) 134
習(xí)題 134
參考文獻(xiàn) 136
第6章非定常流與非均勻幾何形狀模型 137
6.1引言 137
6.2人體循環(huán)系統(tǒng)中的Windkessel模型 137
6.3脈動血流動力學(xué)的連續(xù)模型 139
6.3.1動脈系統(tǒng)中的波傳播139
6.4動脈粥樣硬化的血流動力學(xué)理論 157
6.4.1低壓理論、低壁面切應(yīng)力理論和高壁面切應(yīng)力理論 159
6.4.2隨時間變化的壁面切應(yīng)力、振蕩剪切指數(shù)和壁面切應(yīng)力梯度 161
6.5壁面切應(yīng)力及其對內(nèi)皮細(xì)胞的影響 162
6.6動脈彎曲和分叉處的流動 164
6.6.1彎曲血管 164
6.6.2分支與分叉 168
6.7動脈狹窄和動脈瘤處的流動 171
6.8總結(jié) 178
習(xí)題 178
參考文獻(xiàn) 179
第7章原生心瓣膜180
7.1引言180
7.2主動脈瓣和肺動脈瓣 181
7.2.1力學(xué)性能 182
7.2.2瓣膜動力學(xué) 185
7.3二尖瓣和三尖瓣 187
7.3.1機(jī)械性能 191
7.3.2瓣膜動力學(xué) 193
習(xí)題 196
參考文獻(xiàn) 197
第三部分心血管植介入體、生物力學(xué)測量技術(shù)及計算機(jī)仿真
第8章人工心瓣膜動力學(xué)203
8.1引言203
8.2人工心瓣膜發(fā)展歷史簡介 204
8.2.1機(jī)械瓣204
8.2.2組織材料瓣膜 207
8.2.3機(jī)械瓣膜與生物組織瓣膜對比小結(jié) 210
8.2.4經(jīng)導(dǎo)管（介入）瓣膜210
8.2.5當(dāng)前使用的人工心瓣膜 212
8.3人工心瓣膜的血流動力學(xué)評價 213
8.3.1壓力降 213
8.3.2有效開口面積 214
8.3.3反流 216
8.3.4血流狀態(tài)（flow patterns）與切應(yīng)力 217
8.3.5人工心瓣膜滲漏 224
8.3.6空化現(xiàn)象和高強(qiáng)度振蕩信號 225
8.4凝血風(fēng)險和血流破壞的體外研究 227
8.4.1血栓沉積的影響227
8.5人工心瓣膜的耐久性 228
8.5.1磨損 228
8.5.2疲勞 229
8.5.3礦化 229
8.6當(dāng)前瓣膜設(shè)計的發(fā)展趨勢 230
8.7總結(jié) 231
習(xí)題 231
參考文獻(xiàn)232
第9章血管治療技術(shù) 233
9.1血管搭橋植入物 233
9.2動靜脈瘺 234
9.3血管搭橋材料的類型 235
9.4血管搭橋的臨床經(jīng)驗 238
9.5生物力學(xué)與吻合口內(nèi)膜增生 239
9.6血管成形術(shù)、支架和腔內(nèi)支架植入 247
9.7支架植入的生物力學(xué) 252
習(xí)題 255
參考文獻(xiàn) 255
第10章流體動力學(xué)測量技術(shù) 257
10.1引言 257
10.2血壓的測量 257
10.3血流的測量 259
10.4阻抗測量 262
10.5流場可視化 265
10.6超聲多普勒測速 269
10.7激光多普勒測速儀 281
10.7.1技術(shù)特征 281
10.7.2探頭規(guī)格 282
10.7.3光檢測器(光電探測器) 284
10.7.4信號處理 285
10.7.5LDV生理脈動流場測量的平均相位窗285
10.8核磁共振成像與速度映射技術(shù) 286
10.8.1切片激發(fā) 287
10.8.2空間編碼 288
10.8.3成像過程和脈沖程序 289
10.8.4相位對比核磁共振 290
10.8.5相位對比磁共振成像的臨床應(yīng)用 292
習(xí)題 297
參考文獻(xiàn) 297
第11章血液循環(huán)系統(tǒng)計算流體力學(xué)298
11.1引言 298
11.2計算流體力學(xué)分析技術(shù) 299
11.2.1控制方程 299
11.2.2網(wǎng)格生成 300
11.2.3離散化技術(shù) 302
11.2.4時間積分 303
11.2.5泊肅葉流仿真、結(jié)果驗證及網(wǎng)格無關(guān)性 304
11.3生物力學(xué)建模 307
11.3.1典型區(qū)域的幾何構(gòu)型 307
11.3.2血液流變特性模擬 308
11.3.3邊界條件 309
11.3.4穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)流動分析 311
11.3.5二維和三維模擬 313
11.3.6流固耦合分析 314
11.4人體血液循環(huán)系統(tǒng)的流體動力學(xué)仿真 314
11.4.1人體主動脈 315
11.4.2頸動脈分支 316
11.4.3主動脈分支 317
11.4.4冠狀動脈分支 318
11.4.5動脈瘤（腹主動脈瘤和腦動脈瘤） 319
11.4.6動脈狹窄 320
11.4.7介入治療與外科手術(shù) 321
11.4.8瓣膜動力學(xué)仿真 322
11.5未來方向：多尺度模擬 325
11.6總結(jié) 325
11.7計算機(jī)仿真程序 325
參考文獻(xiàn) 326
符號表
英文字母
A橫截面面積（第6章）
B0磁場強(qiáng)度（第10章）
C順應(yīng)性
Ci物質(zhì)的量濃度（指定項i）
c波速
D，d直徑
Di擴(kuò)散系數(shù)（第3章）；擴(kuò)張系數(shù)（第6章）
DL可膨脹性
E彈性模量（楊氏模量）
Einc增量彈性模量
Ep壓力-應(yīng)變模量
E,F,G對流通量（第11章）
Ev，F(xiàn)v，Gv黏性通量（第11章）
G切變模量
g重力加速度
H“總頭”，單位體積的總能量，水頭損失
H,Hct壓積
J雅可比（第11章）
Jν第一類ν階貝塞爾函數(shù)
K稠度系數(shù)
KD溶解系數(shù)
Ks剛度系數(shù)
k體積模量
l0初始長度
l變形后長度
M′t模量（第6章）
NDDean數(shù)
Ni物質(zhì)i的摩爾通量
p靜水壓力
ps收縮壓
pd舒張壓

流體力學(xué)中總頭是指單位重量流體的總能量，其單位是長度的單位。而此處的“總頭”是指單位體積流體的總能量，其單位是壓力的單位，故加上引號以示區(qū)別?！庉嬜,F軸向加載，力
Q流量（第11章）
R半徑
符號表生物流體力學(xué)r,θ,z;r,φ,z圓柱坐標(biāo)系參量
r,θ,φ球坐標(biāo)系參量
Re雷諾數(shù)
Rs阻力
SA node竇房結(jié)
T扭矩；截斷誤差（第11章）
u,v,w速度分量
V體積
V0初始體積
x,y,z笛卡兒坐標(biāo)系參量
Z阻抗
Z0特征阻抗
1D(2D,3D)一維（二維，三維）
希臘字母
α沃姆斯萊數(shù)
γ切應(yīng)變
γ·切應(yīng)變率，速度梯度
δ長度增量
ε正應(yīng)變
εi相位角（第6章）
εt真實應(yīng)變
ε·正應(yīng)變率
ξ,η,ζ廣義坐標(biāo)系參量（第11章）
η,ζ,ξ管壁在r,θ,z方向的位移（第6章）
ρ密度
μ［動力］黏度
μapp表觀黏度
μp血漿黏度
ν泊松比（固體），運(yùn)動黏度（μ/ρ，流體）
σ正應(yīng)力
σult極限應(yīng)力
σy屈服應(yīng)力
Γ對角矩陣（第11章）
τ切應(yīng)力
ω,Ω角速度縮 略 語 表
AAA腹主動脈瘤
ALE任意拉格朗日-歐拉（第11章）
AV房室瓣（第3章）
AVF動靜脈瘺
bpm每分鐘心跳次數(shù)
CDFM彩色多普勒血流成像
CFD計算流體力學(xué)
CO心輸出量
CT計算機(jī)斷層掃描
CVP中心靜脈壓
CW連續(xù)波
CX冠狀動脈回旋支
DVT深靜脈血栓
EC內(nèi)皮細(xì)胞
ECG心電圖
EDV舒張末期容積
EF射血分?jǐn)?shù)
EMF電磁流量計
e-PTFE膨體聚四氟乙烯
ESV收縮末期容積
FSI流固耦合
HDL高密度脂蛋白
HR心率
IH內(nèi)膜增生
IMA胸廓內(nèi)動脈
LAD左降冠狀動脈
LDA激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)
LDL低密度脂蛋白
LDV激光多普勒測速儀
MAP平均動脈壓
MRI核磁共振成像
PET聚對苯二甲酸乙二醇酯
PIV粒子圖像測速儀
PRF脈沖重復(fù)頻率
PRU外周阻力單位
PTA經(jīng)皮腔內(nèi)血管成形術(shù)
PTCA經(jīng)皮腔內(nèi)冠狀動脈成形術(shù)
PTFE聚四氟乙烯
RF射頻脈沖
RMS均方根
RV反流體積
SG比重
SMC平滑肌細(xì)胞
SVC,IVC上、下腔靜脈
SVG隱靜脈橋
SVHD單心室缺陷病
TEE經(jīng)食管超聲心動圖
WSR壁面切應(yīng)變率
WSS壁面切應(yīng)力
WSSG壁面切應(yīng)力梯度
ZCC/ZCD零計數(shù)器/零相交檢測器
縮 略 語 表生物流體力學(xué)

按GB 3102.3—1993規(guī)定，此量應(yīng)稱相對密度?！庉嬜ⅱ鲉挝粨Q算系數(shù)、常用的常量與方程生物流體力學(xué)單位換算系數(shù)、常用的常量與方程
單位換算
長度1ft=12in=30.48cm=0.3048m
1cm=0.394in=0.03280ft
體積1L=1000cm3(cc)=0.001m3
1ft3=0.028317m3
壓力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
流體參數(shù)
密度（ρ):ρ水＝999kg/m3≈1g/cm3
ρ空氣＝1.22kg/m3(在標(biāo)準(zhǔn)大氣溫度和壓力下）
ρ血液＝1060kg/m3=1.06g/cm3;ρ血漿＝1035kg/m3=1.035g/cm3
黏度（μ):μ水＝1.0cP
μ血漿＝1.2cP;μ血液＝3.5cP（在切應(yīng)變率>100s-1)
流體力學(xué)控制方程
流體本構(gòu)關(guān)系：
牛頓流體：τ=μuy
卡森流體：τ=τy+kcγ·
冪律流體：
τ=Kplγ·n(n≠1)
運(yùn)動方程（不可壓縮，牛頓流體）
質(zhì)量守恒方程（連續(xù)性方程）：·V=0
動量方程：V t+(V·）V =-1ρp+g +μρ2V
流體靜力學(xué)關(guān)系：Δp=ρgh
一維流動
質(zhì)量守恒方程，不可壓縮流體（密度ρ為常量）:V1A1=V2A2
伯努利方程（能量守恒方程）——定常流——非黏性流動：
p+ρV22+ρgh=H(常數(shù)）
泊肅葉方程（充分發(fā)展的穩(wěn)態(tài)流動，牛頓流體）：
Vz(r)=ΔpR24μL1－rR2=Vmax 1－rR2
Q=πΔpR48μL=πΔpd4128μL
ⅩⅨ圓柱管的壁面切應(yīng)力：τw=－d4ΔpL
泊肅葉流體的壁面切應(yīng)力：|τw|=4μQπR3
雷諾數(shù):Re=ρVdμ
入口長度（層流）：Le=0.06dRe
泊肅葉流體的沃姆斯萊（Womersley）數(shù)：α=d2ρωμ
固體力學(xué)方程ε=l－l0l0
胡克材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系：σ=Eε；τ=Gγ
泊松比：ν=-εlateralεaxial
真實應(yīng)變：εt=ln(1+ε）
薄壁彈性管：εθ=ΔRR；σθ=pRt
厚壁彈性管：E=p1R21(1+ν)(1－2ν)(R22－R21)ru+p1R21R22(1+ν)(R22－R21)r2ru
動脈血流力學(xué)關(guān)系
血液的卡森方程：τμplasma=1.53γ·+2.0
動脈血管壁的彈性模量：
ⅩⅩ薄壁圓管的彈性模量：Eθ=pR2tΔR
厚壁圓管的彈性模量（Bergel）Einc=2(1-ν2）R21R2(R22－R21)ΔpΔR2
流阻：R=ΔpQ
阻抗（軸向）：|Zz|n=|p|n|Q|n
動脈血管壁的順應(yīng)性：C=ΔV/VΔp
Gorlin方程（瓣膜開口的有效面積）：A=QmeanCdρΔp
壓力波的速度（Moens-Kortweg關(guān)系)：C0=hE2Rρ
血液的沃姆斯萊(Womersley)數(shù)關(guān)系：
Vz=AR2iμα21-J0(αr′i3/2)J0(αi3/2)eiωt
Q=AπR4eiωtiμρ1-2J1(αi3/2)i3/2αJ0(αi3/2)

ⅩⅩ生物流體力學(xué)譯者序
譯者序
?叢書主編簡介
Max Lu（逯高清）教授
主編“可持續(xù)能源發(fā)展中的新材料系列圖書”
Lu教授的研究領(lǐng)域為材料化學(xué)和納米技術(shù)。他因從事清潔能源和環(huán)境技術(shù)領(lǐng)域的納米顆粒及納米多孔材料的相關(guān)研究工作，而廣為人知。他發(fā)表了超過500篇高影響力的論文，這其中，包括其在《自然》（Nature）、 《美國化學(xué)學(xué)會期刊》（Journal of the American Chemical Society）、Angewandte Chemie和《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）等高水平期刊上發(fā)表的文章，還獲得了20項國際專利。Lu教授是一位在科學(xué)信息研究所(Instituto for Scientific Information,ISI）材料科學(xué)方面被引用次數(shù)很高的一位作者，其引用次數(shù)超過17500次（h因子為63）。他獲得過大量國際國內(nèi)的著名獎項，包括中國科學(xué)院國際合作獎(2011年)，Orica獎，RK 墨菲獎?wù)?，Le Fevre獎，?？松梨讵?，Chemeca獎?wù)拢钣杏绊懙?00位澳大利亞杰出工程師之一(2004年、2010年和2012年)，世界上最有影響力的50位華人榜(2006年)。他曾兩次榮獲得澳大利亞研究理事會獎學(xué)金(2003年和2008年)。他也被選為澳大利亞技術(shù)科學(xué)工程學(xué)院（Australin Acadeny of Technological Sciences and Engineering ATSE）會士和化學(xué)工程協(xié)會(Instintion of Chemical Engineers IChemE)會士。同時，他還是12個主要國際期刊的主編和編委，其中，包括《Journal of Colloid and Interface Science and Carbon》。
自2009年起，Lu教授便擔(dān)任昆士蘭大學(xué)副校長和副主席（分管科研）職務(wù)。他還擔(dān)任過常務(wù)副校長職務(wù)（2012年），從2008年8月到2009年6月，他先后擔(dān)任過代理副校長（分管科研）和副校長（分管科研聯(lián)絡(luò)）職務(wù)。在2003~2009年期間，他還擔(dān)任澳大利亞研究理事會（ARC）中心功能納米材料杰出人才基金會的主任。
Lu教授曾在很多政府委員會和咨詢機(jī)構(gòu)供職，包括澳大利亞總理科學(xué)工程創(chuàng)新理事會（2004年、2005年和2009年），ARC專家學(xué)會（2002~2004年）等。他也曾是IChemE澳大利亞委員會的主席，以及ATSE的前任主任。之前的其他工作單位還包括Uniseed Pty有限公司、ARC納米技術(shù)網(wǎng)絡(luò)、昆士蘭中國理事會。目前，他還是澳大利亞同步加速器、澳大利亞國家電子研究合作工具和資源、研究數(shù)據(jù)存儲設(shè)施等機(jī)構(gòu)的理事會成員。作為國家新技術(shù)論壇的成員，他還可以約見澳大利亞部長一級的人物。本書編者簡介

Franois Béguin （Elbieta Frckowiak）教授
波茲南工業(yè)大學(xué)（化學(xué)工程學(xué)）
Piotrowo 3, 60-965 Poznan, Poland
francois.beguin@put.poznan.pl
電話： ++48 61 665 3632
傳真： ++48 61 665 2571
Franois Béguin 是波茲南工業(yè)大學(xué)（波蘭）的一名教授。就在最近，他還獲得了波蘭科學(xué)基金會授予的WELCOME獎金。他的研究主要在碳材料的化學(xué)和電化學(xué)應(yīng)用方面，特別是用于能量轉(zhuǎn)換/儲存和環(huán)境保護(hù)的納米碳的開發(fā)，該納米碳具有孔度可控和表面功能化。主要的研究課題包括鋰電池、超級電容器、電化學(xué)儲氫，以及水污染物的可逆電吸附。他在國際高水平刊物上所發(fā)表的文章超過250多篇，其文章被8300篇的文章所引用，Hirsch因子為46。他參與了多本涉及碳材料和能量儲存書籍的編寫。同時，他還是國際碳會議咨詢理事會的成員，曾發(fā)起了用于能量儲存與環(huán)境保護(hù)的碳國際會議（CESEP）。他也是《Carbon》期刊的編委，曾經(jīng)是Orléans大學(xué)（法國）材料科學(xué)的教授，一直工作到2012年。他還擔(dān)任過法國研究所（ANR）國家能量儲存（Stock-E）、氫和燃料電池（H-PAC）和電管理（PROGELEC）項目的主任。Elbieta Frckowiak教授

波茲南工業(yè)大學(xué) 化學(xué)和工業(yè)電化學(xué)研究所
Piotrowo 3, 60-965 Poznan, Poland
Elzbieta.Frackowiak@put.poznan.pl
電話： ++48 61 665 3632
傳真： ++48 61 665 2571
Elbieta Frckowiak是波茲蘭工業(yè)大學(xué)化學(xué)和工業(yè)電化學(xué)研究所的全職教授。她研究的課題涉及儲能領(lǐng)域，包括電化學(xué)電容器、鋰離子電池和氫電吸附，尤其是超級電容器用的電極材料（納米孔碳、模板碳、碳納米管和石墨烯等）、導(dǎo)電聚合物復(fù)合電極、摻雜碳和過渡金屬氧化物等材料的開發(fā)，以及基于碳/氧化還原耦合界面一些新概念。
她是國際電化學(xué)學(xué)會（2009~2014年）電化學(xué)能源轉(zhuǎn)換與儲存分部的主席。她從2011年來是Electrochimica Acta國際咨詢委員會的成員，從2008年來是Energy & Environmental Science國際咨詢委員會的成員。她也是多個國際會議的主席或者聯(lián)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］。她是波蘭科技獎基金的獲得者，也即波蘭的諾貝爾獎（2011年12月），她也獲得了Order of Polonia Restituta (2011年12月) 和Order Sapienti Sat (2012年10月)。
她發(fā)表了150篇論文，撰寫了多本書的部分章節(jié)，申請了數(shù)十項專利。引用他的次數(shù)達(dá)6000次，Hirsch因子為36。貢獻(xiàn)者列表貢獻(xiàn)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 超級電容器公司
事業(yè)部
Odet, Ergue-Gaberic
29556 Quimper Cedex 9
法國
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
法國
Franois Béguin
波茲南工業(yè)大學(xué)
化學(xué)工程系
u1. Piotrowo 3
60-965 Poznan
波蘭

Thierry Brousse
Université de Nantes
Institut des Matériaux Jean
Rouxel (IMN)
CNRS/Université de Nantes
Polytech Nantes
BP50609
44306 Nantes Cedex 3
法國

Andrew Burke
加州大學(xué)戴維斯分校
交通運(yùn)輸研究所
Studies
One Shields Avenue
Davis, CA 95616
美國
Scott W. Donne
紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)
環(huán)境與生命科學(xué)學(xué)院
Office C325, Chemistry
Callaghan
New South Wales 2308
澳大利亞Daniel Guay
INRS-nergie
Matériaux et
Télécommunications
1650 Boulevard Lionel Boulet
case postale 1020
Varennes
Québec J3X 1 S2
加拿大
Guang Feng
克萊姆森大學(xué)
機(jī)械工程系
Clemson, SC 29634-0921
美國Jingsong Huang
納米材料中心
科學(xué)、計算機(jī)和數(shù)學(xué)分部
橡樹嶺國家實驗室
Bethel Valley Road
Oak Ridge, TN 37831-6367
美國Elbieta Frckowiak
波茲南工業(yè)大學(xué)
化學(xué)工程系
化學(xué)和工業(yè)電化學(xué)研究所
u1. Piotrowo 3
60-965 Poznan
波蘭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
法國Vincent Meunier
納米材料中心
科學(xué)、計算機(jī)和數(shù)學(xué)分部
橡樹嶺國家實驗室
Bethel Valley Road
Oak Ridge, TN 37831-6367
美國Katsuhiko Naoi
東京農(nóng)工大學(xué)
工程學(xué)院，應(yīng)用化學(xué)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
美國
和
凱斯西儲大學(xué)
大湖能源研究所
電氣工程與計算機(jī)科學(xué)
10900 Euclid Avenue
Cleveland, OH 44106
美國Jawahr Nerkar
CSIRO 能源技術(shù)公司
Normanby Rd
Clayton South
Victoria 3169
澳大利亞
Tony Pandolfo
CSIRO能源技術(shù)公司
Normanby Rd
Clayton South
Victoria 3169
美國
Yuki Nagano
東京農(nóng)工大學(xué)
工程學(xué)院，應(yīng)用化學(xué)分部
2-24-16 Naka-cho
Koganei
Tokyo 184-8558
日本Rui Qiao
克萊姆森大學(xué)
機(jī)械工程系
Clemson, SC 29634-0921
美國

Vanessa Ruiz
CSIRO能源技術(shù)公司
Normanby Rd
Clayton South
Victoria 3169
澳大利亞

Seepalakottai Sivakkumar
CSIRO能源技術(shù)公司
Normanby Rd
Clayton South
Victoria 3169
澳大利亞Patrice Simon
Unviversitè Toulouse III
Institut Carnot CIRIMAT - UMR
CNRS 5085
118 route de Narbonne
31062 Toulouse
法國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
納米材料中心
科學(xué)、計算機(jī)和數(shù)學(xué)分部
橡樹嶺國家實驗室
Bethel Valley Road
Oak Ridge, TN 37831-6367
美國Pierre-Louis Taberna
Unviversitè Toulouse III
Institut Carnot CIRIMAT - UMR
CNRS 5085
118 route de Narbonne
31062 Toulouse
法國超級電容器：材料、系統(tǒng)及應(yīng)用
譯者序
叢書編者序
前言
叢書主編簡介
本書編者簡介
貢獻(xiàn)者列表
第1章電化學(xué)基本原理
1.1平衡態(tài)電化學(xué)
1.1.1自發(fā)化學(xué)反應(yīng)
1.1.2吉布斯自由能最小化
1.1.3化學(xué)平衡和電化學(xué)電位間的橋接
1.1.4E與ΔGr間的關(guān)系
1.1.5能斯特方程
1.1.6平衡態(tài)的電池
1.1.7標(biāo)準(zhǔn)電位
1.1.8使用能斯特方程——Eh-pH圖
1.2離子
1.2.1溶劑中的離子
1.2.1.1離子—溶劑相互作用
1.2.1.2熱力學(xué)
1.2.2玻爾或簡單連續(xù)介質(zhì)模型
1.2.2.1玻爾方程的證明
1.2.3水的結(jié)構(gòu)
1.2.3.1離子附近水的結(jié)構(gòu)
1.2.3.2離子-偶極子模型
1.2.3.3空穴的形成
1.2.3.4集群的破壞
1.2.3.5離子-偶極子作用
1.2.3.6玻爾能量
1.2.3.7確定空穴中溶劑化離子的位置
1.2.3.8剩余的水分子
1.2.3.9與實驗對比
1.2.3.10離子-四極模型
1.2.3.11誘導(dǎo)偶極子作用
1.2.3.12結(jié)果
1.2.3.13質(zhì)子的水合焓
1.2.4溶劑化數(shù)
1.2.4.1絡(luò)合數(shù)
1.2.4.2主要的溶劑化數(shù)
1.2.5活度及活度系數(shù)
1.2.5.1逸度（f′）
1.2.5.2非電解質(zhì)稀溶液
1.2.5.3活度（α）
1.2.5.4標(biāo)準(zhǔn)態(tài)
1.2.5.5無限稀釋
1.2.5.6溶劑活度的測量
1.2.5.7溶質(zhì)活度的測量
1.2.5.8電解液活度
1.2.5.9平均離子數(shù)
1.2.5.10f、γ和γ間的關(guān)系
1.2.6離子-離子作用
1.2.6.1引言
1.2.6.2計算Ψ2的德拜-休克爾模型
1.2.6.3泊松-玻耳茲曼方程
1.2.6.4電荷密度
1.2.6.5泊松-玻耳茲曼方程的求解
1.2.6.6計算Δμi-1
1.2.6.7德拜長度K-1或LD
1.2.6.8活度系數(shù)
1.2.6.9與實驗對比
1.2.6.10德拜-休克爾極限法則的近似
1.2.6.11最接近距離
1.2.6.12活度系數(shù)的物理解釋
1.2.7濃電解質(zhì)溶液
1.2.7.1斯托克-羅賓遜處理
1.2.7.2離子-水合修正
1.2.7.3濃度修正
1.2.7.4斯托克-羅賓遜方程
1.2.7.5斯托克-羅賓遜方程的評估
1.2.8離子對的形成
1.2.8.1離子對
1.2.8.2福斯處理
1.2.9離子動力學(xué)
ⅩⅦ超級電容器：材料、系統(tǒng)及應(yīng)用1.2.9.1離子淌度與遷移數(shù)
1.2.9.2擴(kuò)散
1.2.9.3菲克第二定律
1.2.9.4擴(kuò)散統(tǒng)計學(xué)
1.3電化學(xué)動力學(xué)
1.3.1原理綜述
1.3.1.1電位
1.3.1.2良導(dǎo)體中的電勢
1.3.1.3良導(dǎo)體中的電荷
1.3.1.4電荷間的作用力
1.3.1.5電荷聚集產(chǎn)生的電勢
1.3.1.6兩接觸相間的電位差（Δ）
1.3.1.7電化學(xué)電勢（μ）
1.3.2靜電荷界面或雙電層
1.3.2.1界面
1.3.2.2理想極化電極
1.3.2.3霍爾姆茲模型
1.3.2.4古伊-查普曼模型或擴(kuò)散模型
1.3.2.5斯特恩模型
1.3.2.6博克里斯、德瓦納罕和穆勒模型
1.3.2.7電容的計算
1.3.3界面上的電荷傳輸
1.3.3.1過渡態(tài)理論
1.3.3.2氧化還原電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)
1.3.3.3電荷轉(zhuǎn)移的行為
1.3.3.4巴特勒-沃爾摩方程
1.3.3.5以標(biāo)準(zhǔn)速率常數(shù)（K0）的形式表示I
1.3.3.6K0和I0間的關(guān)系
1.3.4多步過程
1.3.4.1多步巴特勒-沃爾摩方程
1.3.4.2機(jī)理法則
1.3.4.3I0對濃度的依存關(guān)系
1.3.4.4電荷轉(zhuǎn)移電阻（Rct）
1.3.4.5整個電池的電壓
1.3.5物質(zhì)傳輸控制
1.3.5.1擴(kuò)散和遷移
1.3.5.2限定電流密度（IL）
1.3.5.3旋轉(zhuǎn)圓盤電極
進(jìn)一步的閱讀材料
ⅩⅧ第2章電化學(xué)電容器的概述
2.1引言
2.2電容器的原理
2.3電化學(xué)電容器
2.3.1雙電層電容器
2.3.1.1雙電層與多孔材料模型
2.3.1.2雙電層電容器的構(gòu)造
2.3.2贗電容電化學(xué)電容器
2.3.2.1導(dǎo)電聚合物
2.3.2.2過渡金屬氧化物
2.3.2.3鋰離子電容器
2.4小結(jié)
致謝
參考文獻(xiàn)
第3章電化學(xué)技術(shù)
3.1電化學(xué)設(shè)備
3.2電化學(xué)單元
3.3電化學(xué)界面：超級電容器
3.4常用的電化學(xué)技術(shù)
3.4.1暫態(tài)技術(shù)
3.4.1.1循環(huán)伏安技術(shù)
3.4.1.2恒電流循環(huán)技術(shù)
3.4.2穩(wěn)態(tài)技術(shù)
3.4.2.1電化學(xué)阻抗譜
3.4.2.2超級電容器阻抗
參考文獻(xiàn)
第4章雙電層電容器及其所用碳材料
4.1引言
4.2雙電層
4.3雙電層電容器的碳材料類型
4.3.1活性炭粉末
4.3.2活性炭纖維
4.3.3碳納米管
4.3.4炭氣凝膠
4.4電容與孔尺寸
4.5離子去溶劑化的證據(jù)
4.6性能限制：孔徑進(jìn)入度或孔隙飽和度
4.6.1孔徑進(jìn)入度的限制
4.6.2孔隙飽和度對電容器性能的限制
4.7微孔碳材料之外的雙電層電容
4.7.1純離子液體電解質(zhì)中的熱微孔碳材料
4.7.2離子液體溶液中額外的電容
4.7.3孔隙中的離子捕獲
4.7.4離子的嵌入/插層
4.8小結(jié)
參考文獻(xiàn)
第5章碳基電化學(xué)電容器的現(xiàn)代理論
5.1引言
5.1.1碳基電化學(xué)電容器
5.1.2雙電層電容器的組成
5.2經(jīng)典理論
5.2.1界面上的緊密層
5.2.2電解液中的擴(kuò)散層
5.2.3電極上的空間電荷層
5.3近期研究進(jìn)展
5.3.1表面曲率效應(yīng)下的后亥姆霍茲模型
5.3.1.1內(nèi)嵌式電容器模型
5.3.1.2層次孔多孔碳模型
5.3.1.3Exohedral電容器模型
5.3.2GCS模型之外的雙電層電容器理論
5.3.3石墨化碳材料的量子電容
5.3.4分子動力學(xué)模擬
5.3.4.1水溶液中的雙電層
5.3.4.2有機(jī)電解液中的的雙電層
5.3.4.3室溫離子液體中的雙電層
5.4小結(jié)
致謝
參考文獻(xiàn)
第6章具有贗電容特性的電極材料
6.1引言
6.2導(dǎo)電聚合物在超級電容器中的應(yīng)用
6.3金屬氧化物/碳復(fù)合材料
6.4碳網(wǎng)絡(luò)中雜原子的贗電容效應(yīng)
6.4.1富氧的碳
6.4.2富氮的碳
6.5帶有電吸附氫的納米多孔碳
6.6電解質(zhì)溶液-法拉第反應(yīng)的來源
6.7小結(jié)——贗電容效應(yīng)的優(yōu)點與缺點
參考文獻(xiàn)
第7章有機(jī)介質(zhì)中的鋰離子混合型超級電容器
7.1引言
7.2傳統(tǒng)雙電層電容器的電壓限制
7.3混合電容器系統(tǒng)
7.3.1鋰離子電容器
7.3.2納米雜化電容器
7.4納米雜化電容器的材料設(shè)計
7.5小結(jié)
縮寫詞
參考文獻(xiàn)
第8章水系介質(zhì)中的非對稱器件和混合器件
8.1引言
8.2水系混合（非對稱）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基于活性炭和導(dǎo)電聚合物的水系混合器件
8.3水系非對稱電化學(xué)電容器
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基的非對稱器件或混合器件
8.3.4碳/碳水系非對稱器件
8.3.5碳/RuO2器件
8.4氧化釕-氧化鉭混合電容器
8.5展望
參考文獻(xiàn)
第9章基于無溶劑的離子液體的雙電層電容器
9.1引言
9.2碳電極/離子液體界面
9.3離子液體
9.4碳電極
9.5超級電容器
9.6小結(jié)
離子液體代碼
詞匯表
參考文獻(xiàn)
第10章產(chǎn)業(yè)化超級電容器的制造
10.1引言
10.2單元組成
10.2.1電極設(shè)計及其組成
10.2.1.1集流體
10.2.1.2超級電容器用活性炭
10.2.1.3產(chǎn)業(yè)化超級電容器用的工業(yè)活性炭
10.2.1.4活性炭的粒徑分布及其優(yōu)化
10.2.1.5粘結(jié)劑
10.2.1.6導(dǎo)電添加劑
10.2.2電解液
10.2.2.1電解液對性能的影響
10.2.2.2液態(tài)電解液及其存留的問題
10.2.2.3離子液體電解液
10.2.2.4固態(tài)電解質(zhì)
10.2.3隔膜
10.2.3.1隔膜的要求
10.2.3.2纖維素隔膜和聚合物隔膜
10.3單元的設(shè)計
10.3.1小尺寸元件
10.3.2大型單元
10.3.2.1高功率型單元
10.3.2.2能量型單元
10.3.2.3軟包型單元設(shè)計
10.3.2.4單元設(shè)計的爭執(zhí)：方形單元和圓柱狀單元
10.3.2.5水系介質(zhì)單元
10.4模塊設(shè)計
10.4.1基于牢固型單元的大型模塊
10.4.1.1單元間的金屬連接
10.4.1.2模塊的電終端
10.4.1.3模塊的絕緣體
10.4.1.4單元的平衡和其他信息探測
10.4.1.5模塊外殼
10.4.2基于軟包電容器的大型模塊
10.4.3在水系電解液中工作的大型模塊
10.4.4基于非對稱技術(shù)的其他模塊
10.5小結(jié)與展望
參考文獻(xiàn)
第11章超級電容器在電、熱以及老化條件限制下的模型尺寸和熱管理
11.1引言
11.2電學(xué)特性
11.2.1C和ESR測試
11.2.1.1時域中的容量與串聯(lián)電阻特性
11.2.1.2頻域中的容量與串聯(lián)電阻特性
11.2.2超級電容器的性質(zhì)、性能及特征
11.2.2.1容量和ESR隨電壓的變化
11.2.2.2容量和ESR隨溫度的變化
11.2.2.3自放電與漏電流
11.2.3Ragone圖理論
11.2.3.1匹配阻抗
11.2.3.2負(fù)載可用功率,Ragone方程
11.2.4能量性能和恒流放電
11.2.5恒功率下的能量性能和放電性能
11.2.6恒負(fù)載下的能量性能和放電性能
11.2.7效率
11.3熱模型
11.3.1超級電容器的熱模型
11.3.2熱傳導(dǎo)
11.3.3熱邊界條件
11.3.4熱對流傳熱系數(shù)
11.3.5求解過程
11.3.6BCAP0350實驗結(jié)果
11.4超級電容器的壽命
11.4.1失效模式
11.4.2加速失效因素——溫度和電壓
11.4.3失效的物理因素
11.4.4測試
11.4.5直流電壓測試
11.4.6電壓循環(huán)測試
11.5確定超級電容器模型尺寸的方法
11.6應(yīng)用
11.6.1燃料電池汽車的電源管理
11.6.1.1問題說明
11.6.1.2燃料電池模型
11.6.1.3超級電容器模型
11.6.2優(yōu)化控制下的燃料電池汽車的電源管理
11.6.2.1無約束優(yōu)化控制
11.6.2.2漢密爾頓-雅可比-貝爾曼方程
11.6.3對燃料電池汽車功率與單位功率的非平衡優(yōu)化控制
11.6.3.1對燃料電池的功率限制
11.6.3.2對燃料電池單位功率的限制
11.6.4通過優(yōu)化相關(guān)聯(lián)的滑?？刂七M(jìn)行燃料電池汽車的電源管理
11.6.5小結(jié)
參考文獻(xiàn)
第12章電化學(xué)電容器的測試
12.1引言
12.2DC測試程序概述
12.2.1USABC測試程序
12.2.2IEC測試程序
12.2.3UC Davis測試程序
12.3碳/碳基器件測試程序的應(yīng)用
12.3.1電容
12.3.2電阻
12.3.3能量密度
12.3.4功率容量
12.3.5脈沖循環(huán)測試
12.4混合電容器、贗電容器的測試
12.4.1電容
12.4.2電阻
12.4.3能量密度
12.4.4功率特性和脈沖循環(huán)測試
12.5交流阻抗和直流測試的關(guān)系
12.6超級電容數(shù)據(jù)分析的不確定性
12.6.1充電算法
12.6.2電容
12.6.3電阻
12.6.4能量密度
12.6.5功率容量
12.6.6循環(huán)效率
12.7小結(jié)
參考文獻(xiàn)
第13章電化學(xué)電容器的可靠性
13.1引言
13.2可靠性的基本知識
13.3電容器單元的可靠性
13.4系統(tǒng)的可靠性
13.5單元可靠性的評估
13.5.1實驗方法實例
13.6實際系統(tǒng)的可靠性
13.6.1單元電壓的不均勻性
13.6.2單元溫度的不均勻性
13.7提高系統(tǒng)的可靠性
13.7.1減少單元壓力
13.7.2單元的燒損
13.7.3串聯(lián)中使用較少的單元
13.7.4使用長壽命單元
13.7.5實施維護(hù)
13.7.6增加冗余
13.8系統(tǒng)設(shè)計實例
13.8.1問題說明
13.8.2系統(tǒng)分析
13.8.3單元的可靠性
參考文獻(xiàn)
第14章電化學(xué)電容器的市場及應(yīng)用
14.1前言：原理與歷史
14.2商業(yè)化設(shè)計：直流電源的應(yīng)用
14.2.1雙極設(shè)計
14.2.2單元設(shè)計
14.2.3非對稱設(shè)計
14.3能量儲存與能量收集應(yīng)用
14.3.1運(yùn)動和能量
14.3.2混合化：能量捕獲與再利用
14.3.3節(jié)能與能量效率
14.3.4引擎起動
14.4技術(shù)與應(yīng)用的結(jié)合
14.4.1電池/電容器結(jié)合的應(yīng)用
14.5電網(wǎng)應(yīng)用
14.5.1存儲與公用電網(wǎng)
14.6小結(jié)