生物流體力學（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、固體力學與心血管生理學
第1章流體力學原理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 6
1.4質量和動量的宏觀平衡 7
1.4.1質量守恒 7
1.4.2動量守恒 9
1.5質量和動量的微觀平衡 11
1.5.1質量守恒 11
1.5.2動量守恒 13
1.5.3數(shù)學解 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 26
1.8.1流動穩(wěn)定性及相關特性 26
1.8.2流動脈動的影響 30
1.9邊界層分離 32
習題 33
參考文獻 33
第2章固體力學簡介 34
2.1材料力學簡介 34
2.1.1彈性行為 34
2.1.2工程應變和真實應變 36
2.1.3增量彈性模量 36
2.1.4泊松比 36
2.1.5切應力與切應變 37
2.1.6廣義胡克定律 38
生物流體力學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
習題 47
參考文獻 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心的結構 51
3.2.3心傳導系 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 73
3.10.2動脈粥樣硬化斑塊的生長過程 74
3.10.3生理學意義 77
習題 78
參考文獻 78
第二部分人體循環(huán)系統(tǒng)生物力學
第4章血液的流變特性和血管的力學特性 83
4.1血液的流變特性 83
4.1.1毛細管測黏法、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-流動關系 99
4.1.5流動及其產生的應力誘導溶血和血小板的激活105
4.2血管的力學性能107
4.2.1血管壁的結構組分及材料屬性 107
4.2.2血管的材料特性 110
4.2.3血管壁的殘余應力 114
4.2.4心肌的材料特性 115
4.3總結 116
習題 116
參考文獻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 119
5.3伯努利方程的應用 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 134
習題 134
參考文獻 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理論 157
6.4.1低壓理論、低壁面切應力理論和高壁面切應力理論 159
6.4.2隨時間變化的壁面切應力、振蕩剪切指數(shù)和壁面切應力梯度 161
6.5壁面切應力及其對內皮細胞的影響 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 178
習題 178
參考文獻 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力學性能 182
7.2.2瓣膜動力學 185
7.3二尖瓣和三尖瓣 187
7.3.1機械性能 191
7.3.2瓣膜動力學 193
習題 196
參考文獻 197
第三部分心血管植介入體、生物力學測量技術及計算機仿真
第8章人工心瓣膜動力學203
8.1引言203
8.2人工心瓣膜發(fā)展歷史簡介 204
8.2.1機械瓣204
8.2.2組織材料瓣膜 207
8.2.3機械瓣膜與生物組織瓣膜對比小結 210
8.2.4經導管（介入）瓣膜210
8.2.5當前使用的人工心瓣膜 212
8.3人工心瓣膜的血流動力學評價 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）與切應力 217
8.3.5人工心瓣膜滲漏 224
8.3.6空化現(xiàn)象和高強度振蕩信號 225
8.4凝血風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當前瓣膜設計的發(fā)展趨勢 230
8.7總結 231
習題 231
參考文獻232
第9章血管治療技術 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血管搭橋的臨床經驗 238
9.5生物力學與吻合口內膜增生 239
9.6血管成形術、支架和腔內支架植入 247
9.7支架植入的生物力學 252
習題 255
參考文獻 255
第10章流體動力學測量技術 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 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用 292
習題 297
參考文獻 297
第11章血液循環(huán)系統(tǒng)計算流體力學298
11.1引言 298
11.2計算流體力學分析技術 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 302
11.2.4時間積分 303
11.2.5泊肅葉流仿真、結果驗證及網(wǎng)格無關性 304
11.3生物力學建模 307
11.3.1典型區(qū)域的幾何構型 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 321
11.4.8瓣膜動力學仿真 322
11.5未來方向：多尺度模擬 325
11.6總結 325
11.7計算機仿真程序 325
參考文獻 326
符號表
英文字母
A橫截面面積（第6章）
B0磁場強度（第10章）
C順應性
Ci物質的量濃度（指定項i）
c波速
D，d直徑
Di擴散系數(shù)（第3章）；擴張系數(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i的摩爾通量
p靜水壓力
ps收縮壓
pd舒張壓

流體力學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r,θ,z;r,φ,z圓柱坐標系參量
r,θ,φ球坐標系參量
Re雷諾數(shù)
Rs阻力
SA node竇房結
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切應變
γ·切應變率，速度梯度
δ長度增量
ε正應變
εi相位角（第6章）
εt真實應變
ε·正應變率
ξ,η,ζ廣義坐標系參量（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），運動黏度（μ/ρ，流體）
σ正應力
σult極限應力
σy屈服應力
Γ對角矩陣（第11章）
τ切應力
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
CO心輸出量
CT計算機斷層掃描
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內皮細胞
ECG心電圖
EDV舒張末期容積
EF射血分數(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內膜增生
IMA胸廓內動脈
LAD左降冠狀動脈
LDA激光多普勒測風雷達
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脈沖重復頻率
PRU外周阻力單位
PTA經皮腔內血管成形術
PTCA經皮腔內冠狀動脈成形術
PTFE聚四氟乙烯
RF射頻脈沖
RMS均方根
RV反流體積
SG比重
SMC平滑肌細胞
SVC,IVC上、下腔靜脈
SVG隱靜脈橋
SVHD單心室缺陷病
TEE經食管超聲心動圖
WSR壁面切應變率
WSS壁面切應力
WSSG壁面切應力梯度
ZCC/ZCD零計數(shù)器/零相交檢測器
縮 略 語 表生物流體力學

按GB 3102.3—1993規(guī)定，此量應稱相對密度?！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(在標準大氣溫度和壓力下）
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（在切應變率>100s-1)
流體力學控制方程
流體本構關系：
牛頓流體：τ=μuy
卡森流體：τ=τy+kcγ·
冪律流體：
τ=Kplγ·n(n≠1)
運動方程（不可壓縮，牛頓流體）
質量守恒方程（連續(xù)性方程）：·V=0
動量方程：V t+(V·）V =-1ρp+g +μρ2V
流體靜力學關系：Δp=ρgh
一維流動
質量守恒方程，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圓柱管的壁面切應力：τw=－d4ΔpL
泊肅葉流體的壁面切應力：|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
固體力學方程ε=l－l0l0
胡克材料的應力-應變關系：σ=Eε；τ=Gγ
泊松比：ν=-εlateralεaxial
真實應變：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
動脈血流力學關系
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關系)：C0=hE2Rρ
血液的沃姆斯萊(Womersley)數(shù)關系：
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教授的研究領域為材料化學和納米技術。他因從事清潔能源和環(huán)境技術領域的納米顆粒及納米多孔材料的相關研究工作，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）、 《美國化學學會期刊》（Journal of the American Chemical Society）、Angewandte Chemie和《先進材料》（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教授是一位在科學信息研究所(Instituto for Scientific Information,ISI）材料科學方面被引用次數(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的著名獎項，包括中國科學院國際合作獎(2011年)，Orica獎，RK 墨菲獎章，Le Fevre獎，?？松梨讵劊珻hemeca獎章，最有影響的100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金(2003年和2008年)。他也被選為澳大利亞技術科學工程學院（Australin Acadeny of Technological Sciences and Engineering ATSE）會士和化學工程協(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教授便擔任昆士蘭大學副校長和副主席（分管科研）職務。他還擔任過常務副校長職務（2012年），從2008年8月到2009年6月，他先后擔任過代理副校長（分管科研）和副校長（分管科研聯(lián)絡）職務。在2003~2009年期間，他還擔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構供職，包括澳大利亞總理科學工程創(chuàng)新理事會（2004年、2005年和2009年），ARC專家學會（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納米技術網(wǎng)絡、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)存儲設施等機構的理事會成員。作為國家新技術論壇的成員，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（化學工程學）
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（波蘭）的一名教授。就在最近，他還獲得了波蘭科學基金會授予的WELCOME獎金。他的研究主要在碳材料的化學和電化學應用方面，特別是用于能量轉換/儲存和環(huán)境保護的納米碳的開發(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)境保護的碳國際會議（CESEP）。他也是《Carbon》期刊的編委，曾經是Orléans大學（法國）材料科學的教授，一直工作到2012年。他還擔任過法國研究所（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 化學和工業(yè)電化學研究所
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)大學化學和工業(yè)電化學研究所的全職教授。她研究的課題涉及儲能領域，包括電化學電容器、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）、導電聚合物復合電極、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。
她是國際電化學學會（2009~2014年）電化學能源轉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6000次，Hirsch因子為36。貢獻者列表貢獻者列表
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
化學工程系
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
加州大學戴維斯分校
交通運輸研究所
Studies
One Shields Avenue
Davis, CA 95616
美國
Scott W. Donne
紐卡斯爾大學
環(huán)境與生命科學學院
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
機械工程系
Clemson, SC 29634-0921
美國Jingsong Huang
納米材料中心
科學、計算機和數(shù)學分部
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
化學工程系
化學和工業(yè)電化學研究所
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、計算機和數(shù)學分部
橡樹嶺國家實驗室
Bethel Valley Road
Oak Ridge, TN 37831-6367
美國Katsuhiko Naoi
東京農工大學
工程學院，應用化學分部
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
大湖能源研究所
電氣工程與計算機科學
10900 Euclid Avenue
Cleveland, OH 44106
美國Jawahr Nerkar
CSIRO 能源技術公司
Normanby Rd
Clayton South
Victoria 3169
澳大利亞
Tony Pandolfo
CSIRO能源技術公司
Normanby Rd
Clayton South
Victoria 3169
美國
Yuki Nagano
東京農工大學
工程學院，應用化學分部
2-24-16 Naka-cho
Koganei
Tokyo 184-8558
日本Rui Qiao
克萊姆森大學
機械工程系
Clemson, SC 29634-0921
美國

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

Seepalakottai Sivakkumar
CSIRO能源技術公司
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、計算機和數(shù)學分部
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
貢獻者列表
第1章電化學基本原理
1.1平衡態(tài)電化學
1.1.1自發(fā)化學反應
1.1.2吉布斯自由能最小化
1.1.3化學平衡和電化學電位間的橋接
1.1.4E與ΔGr間的關系
1.1.5能斯特方程
1.1.6平衡態(tài)的電池
1.1.7標準電位
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
1.2.2玻爾或簡單連續(xù)介質模型
1.2.2.1玻爾方程的證明
1.2.3水的結構
1.2.3.1離子附近水的結構
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誘導偶極子作用
1.2.3.12結果
1.2.3.13質子的水合焓
1.2.4溶劑化數(shù)
1.2.4.1絡合數(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非電解質稀溶液
1.2.5.3活度（α）
1.2.5.4標準態(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
ⅩⅦ超級電容器：材料、系統(tǒng)及應用1.2.9.1離子淌度與遷移數(shù)
1.2.9.2擴散
1.2.9.3菲克第二定律
1.2.9.4擴散統(tǒng)計學
1.3電化學動力學
1.3.1原理綜述
1.3.1.1電位
1.3.1.2良導體中的電勢
1.3.1.3良導體中的電荷
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氧化還原電荷轉移反應
1.3.3.3電荷轉移的行為
1.3.3.4巴特勒-沃爾摩方程
1.3.3.5以標準速率常數(shù)（K0）的形式表示I
1.3.3.6K0和I0間的關系
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機理法則
1.3.4.3I0對濃度的依存關系
1.3.4.4電荷轉移電阻（Rct）
1.3.4.5整個電池的電壓
1.3.5物質傳輸控制
1.3.5.1擴散和遷移
1.3.5.2限定電流密度（IL）
1.3.5.3旋轉圓盤電極
進一步的閱讀材料
ⅩⅧ第2章電化學電容器的概述
2.1引言
2.2電容器的原理
2.3電化學電容器
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雙電層電容器的構造
2.3.2贗電容電化學電容器
2.3.2.1導電聚合物
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
致謝
參考文獻
第3章電化學技術
3.1電化學設備
3.2電化學單元
3.3電化學界面：超級電容器
3.4常用的電化學技術
3.4.1暫態(tài)技術
3.4.1.1循環(huán)伏安技術
3.4.1.2恒電流循環(huán)技術
3.4.2穩(wěn)態(tài)技術
3.4.2.1電化學阻抗譜
3.4.2.2超級電容器阻抗
參考文獻
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：孔徑進入度或孔隙飽和度
4.6.1孔徑進入度的限制
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
參考文獻
第5章碳基電化學電容器的現(xiàn)代理論
5.1引言
5.1.1碳基電化學電容器
5.1.2雙電層電容器的組成
5.2經典理論
5.2.1界面上的緊密層
5.2.2電解液中的擴散層
5.2.3電極上的空間電荷層
5.3近期研究進展
5.3.1表面曲率效應下的后亥姆霍茲模型
5.3.1.1內嵌式電容器模型
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分子動力學模擬
5.3.4.1水溶液中的雙電層
5.3.4.2有機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
致謝
參考文獻
第6章具有贗電容特性的電極材料
6.1引言
6.2導電聚合物在超級電容器中的應用
6.3金屬氧化物/碳復合材料
6.4碳網(wǎng)絡中雜原子的贗電容效應
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電解質溶液-法拉第反應的來源
6.7小結——贗電容效應的優(yōu)點與缺點
參考文獻
第7章有機介質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計
7.5小結
縮寫詞
參考文獻
第8章水系介質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基于活性炭和導電聚合物的水系混合器件
8.3水系非對稱電化學電容器
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
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
離子液體代碼
詞匯表
參考文獻
第10章產業(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粘結劑
10.2.1.6導電添加劑
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
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軟包型單元設計
10.3.2.4單元設計的爭執(zhí)：方形單元和圓柱狀單元
10.3.2.5水系介質單元
10.4模塊設計
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基于非對稱技術的其他模塊
10.5小結與展望
參考文獻
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、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
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)化相關聯(lián)的滑?？刂七M行燃料電池汽車的電源管理
11.6.5小結
參考文獻
第12章電化學電容器的測試
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
參考文獻
第13章電化學電容器的可靠性
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
13.7.6增加冗余
13.8系統(tǒng)設計實例
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
第14章電化學電容器的市場及應用
14.1前言：原理與歷史
14.2商業(yè)化設計：直流電源的應用
14.2.1雙極設計
14.2.2單元設計
14.2.3非對稱設計
14.3能量儲存與能量收集應用
14.3.1運動和能量
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技術與應用的結合
14.4.1電池/電容器結合的應用
14.5電網(wǎng)應用
14.5.1存儲與公用電網(wǎng)
14.6小結