一种自驱动可控变形、储能及承载一体化的复合结构

1.本发明涉及多功能复合材料制造的技术领域，具体地，涉及一种可控变形、储能及承载一体化的复合结构。


背景技术：

2.可控变形结构是指可以可控的在一定刺激下进行可恢复的变形并保持稳定，同一结构的形状可以进行不断调整，以适应不同的载荷分布及气动外形要求。鸟类优异的飞行效率及自由的飞行姿态也正源于其高度灵活的可变形翅膀，瞬时的神经电信号刺激使得肌肉细胞可以定向舒张收缩以调整翼面结构控制飞行姿态。而目前在航空航天领域，常规机翼主体往往是刚性不可活动的，受限于材料强度，仅能靠襟翼，副翼，扰流板等局部机构进行偏转实现有限的控制，在强气流或大机动下只能靠过盈的结构强度及更大的动力输出保持飞行稳定，大大降低了燃油效率及结构安全性。同时展开的翼面对飞行和存放空间也有着较为苛刻的要求。所以，包括可变形翼面和卫星吊杆等的可变形结构正被广泛需求，但现阶段传统的基于装配实现的变形机构往往受限于复杂传动系统和材料性能，较为僵硬。因此，如何实现更为灵活的刚柔耦合变形是目前亟待解决的问题。
3.一体化可变形材料结构则正好满足了这一要求，形状记忆合金或聚合物基于热弹性和可逆相实现的形状记忆，可以进行可控的多稳态的连续协同变形，但需要额外的热源，电流等实时外部刺激装置，增加了整体重量及维护成本；利用太阳光等外部能场环境驱动的变形过程则对应用环境和时机有着特定要求，也无法控制变形状态，难以普适。而利用结构内部各相应力平衡实现的多稳态复合材料，虽然只需轻微载荷即可实现不同形态的变换，但也存在着可变形态单一甚至意外失稳的问题，仍无法作为可行的解决方案进行应用。若是可以在无需实时外部刺激的基础上同时满足多稳态可控变形的要求，实现自驱动的可变形材料，将会是理想的智能工程材料，基于此可以设计更为灵活的可变形结构。但目前自驱动材料主要适用于传感器等小功率器件，如cn113037129a的纳米摩擦发电驱动测速仪等，难以适用于需要较大能量的变形过程。因此，本领域需要提出有效的自驱动变形材料设计制造方法以适应更为复杂的应用需求。
4.而轻质高强的锂离子碳纤维结构储能材料，可以进行能量存储，由于锂离子-石墨电化学特性，锂离子碳纤维结构储能材料能量充放时，碳纤维在锂离子脱嵌过程中会发生规律的体积膨胀与收缩，产生结构变形，可以实现可控的自驱动变形过程，作为一种自驱动可控变形，储能及承载一体化的复合结构，是解决上述问题的有效办法。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种自驱动可控变形、储能及承载一体化的复合结构。
6.本发明的目的可以通过以下方案来实现：
7.本发明提供了一种自驱动可控变形、储能及承载一体化的复合结构，所述复合结
构为储能结构经过充放电处理得到的；储能结构包括纤维结构、包裹并浸润纤维结构后并固化的结构电解质；纤维结构包括依次铺叠的碳纤维、绝缘纤维、碳纤维，结构电解质包括电解液和液体树脂。
8.优选地，所述绝缘纤维为陶瓷纤维，包括玻璃纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维中的一种。陶瓷纤维具有高性能承载特点。
9.优选地，所述碳纤维和绝缘纤维的编织为单向织物、平纹织物、斜纹织物、缎纹织物、三维编织织物中的一种。
10.优选地，液体树脂与电解液的体积比在3：7-7：3的范围内。树脂含量大则复合结构刚度高，且离子传导慢，电学性能弱，变形程度低；树脂含量少则复合结构刚度低，且离子传导快，电学性能强，变形程度高，但结构力学性能弱。
11.优选地，所述液体树脂材质为环氧树脂、丙烯酸类树脂、双马来酰胺树脂、聚酰亚胺树脂、聚醚醚酮树脂、酚醛树脂中的一种。所述电解液为litf离子电解液、lipf6电解液、litfsi离子电解液中的一种。
12.优选地，所述充放电处理具体为：按照锂箔、绝缘纤维、储能结构、绝缘纤维、锂箔的顺序铺叠，注入电解液，封装得软包电池；软包电池负极接入储能结构的两极，正极接入两层锂箔，以恒电流充放电若干个周期，保持在40-60％电量时停止；取出储能结构，使用液体树脂对其表面封孔，即得所述自驱动可控变形、储能及承载一体化的复合结构。恒电流充放电具体为：在0到1.5v间进行循环充放，恒电流为0.5-1.5ma，充放循环为10-20次，在电压为0.75v时停止。
13.本发明还提供了一种自驱动可控变形、储能及承载一体化的复合结构的成型方法，包括如下步骤：
14.步骤s1：按照碳纤维、绝缘纤维、碳纤维的顺序铺叠，得预制体；
15.步骤s2：将电解液与液体树脂混合，形成结构电解质前驱体；
16.步骤s3：将步骤s2所述的结构电解质前驱体灌注入步骤s1所述的预制体，固化成型，得储能结构；
17.步骤s4：按照锂箔、绝缘纤维、步骤s3所得储能结构、绝缘纤维、锂箔的顺序铺叠，注入电解液，封装得软包电池；软包电池负极接入步骤s3所得储能结构的两极，正极接入两层锂箔，以恒电流充放电若干个周期，保持在40-60％电量时停止；
18.步骤s5：打开步骤s4所述的软包电池，取出储能结构，使用液体树脂对其表面封孔，获得所述自驱动可控变形、储能及承载一体化的复合结构。
19.优选地，步骤s1中，所述碳纤维需要进行退浆处理，具体为：将碳纤维空气环境下350-550℃中煅烧1-1.5小时，或在50-70℃下浸泡丙酮12-24小时。
20.优选地，步骤s4中，恒电流充放电具体为：在0到1.2-1.5v间，优选0到1.5v间，进行循环充放，恒电流为0.5-1.5ma，充放循环为10-20次，在电压为0.75v时停止。1.5v为上限电压，碳纤维对锂金属的标准电压范围为0.002-1.5v；上限为1.5v时效果最佳，充电电压上限过高，碳纤维无法嵌入更多锂离子，陷入极化状态，电压快速升高，但嵌入锂离子极少；充电电压上限过低，碳纤维锂化程度不够，无法满足锂化目的。多次充放循环使得锂离子充分填充碳纤维的不可逆容量，避免在下一步成型为可变形电容器(电容器结构，充放电依靠双电层效应，充电时正极吸附电解液中阴离子，负极吸附电解液中阳离子；放电时阴阳离子重新
回到电解液中，与本发明机理不同)后，充放电循环变形过程中，锂离子循环被碳纤维困住，成为不可逆容量，影响变形循环性能
21.优选地，步骤s2-s4均在无水无氧下进行。
22.优选地，所述自驱动可控变形，储能及承载一体化的复合结构的使用方法为：选择复合结构的一侧为正极，另一侧为负极，施加0.5-1.5ma的恒电流，使结构进行充放电，结构会向着一侧发生可逆可控的弯曲。
23.本发明通过充放电，使得锂离子嵌入碳纤维内部，碳纤维膨胀，类似于电池领域的预锂化。本发明对复合结构中两层正负极碳纤维进行预锂化，引入预应力，正负极碳纤维均为锂源，可以进行锂离子脱嵌，从而驱动结构变形，本质为电池。从软包电池取出的复合结构两侧碳纤维的锂离子脱嵌状态相同，电势相同，将任一端均可放电或充电，外界无源元件电压源会施加电势差促使离子运动。
24.本发明不需要额外的持续的电流，结构本身已储能，只需通过对自身所储存的能量进行放出与再次充入即可实现可逆可控变形，电流在过程中可以反复利用，无需额外的持续能源供给。
25.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
26.(1)本发明充分利用碳纤维的轻质高强，脱嵌锂离子的储能以及膨胀收缩特性，高力学性能的复合结构可以几乎不消耗能源的驱动自身发生变形，外界充入的电流将会被复合结构存储同时驱动其变形，电流还可以进行释放为其他器件供电又能驱动自身反方向变形，通过控制释放电流或充入量，可以定量控制结构的变形程度；
27.(2)本发明结构简单，易于装配，占用体积与重量小，且用于激活的锂箔可重复利用，成本较低，为复合结构补充了充分的锂离子用于碳纤维储能与变形；
28.(3)本发明得益于纤维的易操控性与树脂的易成型性，可以成型更多复杂几何以适应结构设计要求，包括但不限于弧形，变截面形或折弯形。
附图说明
29.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
30.图1为本发明实施例1中的储能结构示意图；其中，1为碳纤维，2为离子电解液中的锂离子，3为结构电解质，4为绝缘纤维；
31.图2为实施例1中20*60mm复合结构的时间-电压与时间-端点位移曲线及其对应状态图。
具体实施方式
32.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实例在本发明技术方案的前提下进行实施，提供了详细的实施方式和具体的操作过程，将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明。需要指出的是，本发明的保护范围不限于下述实施例，在本发明的构思前提下做出的若干调整和改进，都属于本发明的保护范围。
33.本发明自驱动可控变形，储能及承载一体化的复合结构及其成型方法，包括以下步骤：
34.步骤s1：按照碳纤维，绝缘纤维，碳纤维的顺序铺叠预制体；
35.步骤s2：无水无氧下，按照一定比例混合电解液与液体树脂，形成结构电解质前驱体3；
36.步骤s3：无水无氧下，将步骤s2所述的结构电解质前驱体灌注入步骤s1所述的预制体，固化成型储能结构；
37.步骤s4：无水无氧下，按照锂箔，绝缘纤维，步骤s3所述的储能结构，绝缘纤维，锂箔的顺序铺叠，注入电解液，封装为软包电池；
38.步骤s5：对步骤s4所述的软包电池，负极接入步骤s4所得储能结构的两极，正极接入两层锂箔，以恒电流充放电若干个周期，保持在50％电量时停止；
39.步骤s6：打开步骤s5所述的软包电池，取出储能结构，使用液体树脂对其表面封孔，获得一种自驱动可控变形，储能及承载一体化的复合结构。
40.实施例1
41.本发明提供了一种自驱动可控变形，储能及承载一体化的复合结构，其中储能结构示意图如图1所示，包括依次排列的碳纤维1、绝缘纤维4、碳纤维1，作为一个整体浸润在结构电解质3中并固化，结构电解质3包括环氧树脂(e-51)与litf离子电解液。具体成型步骤如下：
42.t1、在空气中经过400℃煅烧1.5h处理t700碳纤维单向带，获得退浆后的碳纤维；
43.t2、按照厚度0.1mm退浆后的t700碳纤维单向带(18*50mm)，0.05mm高强s玻璃纤维平纹织物(20*60mm)，0.1mm退浆后的t700碳纤维单向带(18*60mm)的顺序铺叠预制体；
44.t3、无水无氧下，将商用常温固化结构环氧树脂(e-51)与litf离子电解液(1m)按照5：5的体积比进行混匀，形成结构电解质前驱体；
45.t4、无水无氧下，将t3所述的结构电解质前驱体灌注入t2所述的预制体，固化成型储能结构；
46.t5、无水无氧下，按照锂箔，高强s玻璃纤维平纹织物，t4所述的储能结构，高强s玻璃纤维平纹织物，锂箔的顺序铺叠，注入litf电解液，封装为软包电池；
47.t6、对t5所述的软包电池，负极接入t5所得储能结构的两极，正极接入两层锂箔，以1.25ma的恒电流充放电10个周期，电压范围为0-1.5v，在电压为0.75v时停止；
48.t7、打开t6所述的软包电池，取出储能结构，使用商用常温固化结构环氧树脂(e-51)对其表面封孔，获得一种自驱动可控变形，储能及承载一体化的复合结构；
49.t8、固定复合结构一端，记录另一端位移，选择一侧为正极，另一侧为负极，使结构以1.25ma恒电流放电时，结构会向着负极侧发生弯曲；施加1.25ma的恒电流，使结构进行充电，结构会向着正极侧发生弯曲；
50.t9、对复合结构进行拉伸力学测试，并记录。
51.所得复合结构拉伸模量为28.90gpa，拉伸强度为412.01mpa，图2为复合结构的时间-电压与时间-端点位移曲线及其对应状态，当不再施加电流时，电压会下降，但形状保持不变。
52.实施例2
53.本发明提供了一种自驱动可控变形，储能及承载一体化的复合结构，其中储能结构包括依次排列的碳纤维、绝缘纤维、碳纤维，作为一个整体浸润在结构电解质中并固化，
结构电解质包括乙氧化双酚a二甲基丙烯酸脂，二异偶氮丁腈与litf离子电解液。具体成型步骤如下：
54.t1、在60℃下浸泡丙酮18小时处理t700碳纤维单向带，获得退浆后的碳纤维；
55.t2、按照厚度0.1mm退浆后的t700碳纤维单向带(18*50mm)，0.05mm氧化铝纤维平纹织物(20*60mm)，0.1mm退浆后的t700碳纤维单向带(18*60mm)的顺序铺叠预制体；
56.t3、无水无氧下，将乙氧化双酚a二甲基丙烯酸脂，二异偶氮丁腈与litf离子电解液(1m)按照4：0.04：6的质量比进行混匀，形成结构电解质前驱体；
57.t4、无水无氧下，将t3所述的结构电解质前驱体灌注入t2所述的预制体，90℃固化成型储能结构；
58.t5、无水无氧下，按照锂箔，氧化铝纤维平纹织物，t4所述的储能结构，氧化铝纤维平纹织物，锂箔的顺序铺叠，注入litf电解液，封装为软包电池；
59.t6、对t5所述的软包电池，负极接入t5所得储能结构的两极，正极接入两层锂箔，以0.75ma的恒电流充放电20个周期，电压范围为0-1.5v，在电压为0.75v时停止；
60.t7、打开t6所述的软包电池，取出储能结构，使用乙氧化双酚a二甲基丙烯酸脂与二异偶氮丁腈(质量比100：1)对其表面封孔，获得一种自驱动可控变形，储能及承载一体化的复合结构；
61.t8、对复合结构进行拉伸力学测试，并记录。
62.所得复合结构拉伸模量为25.1gpa，拉伸强度为467.95mpa。固定复合结构一端，记录另一端位移，选择一侧为正极，另一侧为负极，使结构以1.25ma恒电流放电时，结构会向着负极侧发生弯曲；施加1.25ma的恒电流，使结构进行充电，结构会向着正极侧发生弯曲。当不再施加电流时，电压会下降，但形状保持不变。
63.对比例1
64.本对比例提供了一种储能及承载一体化的复合结构，制备方法与实施例1基本相同，不同之处仅在于：无t5、t6步骤。
65.所得复合结构拉伸模量为29.24gpa，拉伸强度为456.18mpa，拉伸模量相近，拉伸强度较高；固定复合结构一端，记录另一端位移，选择一侧为正极，另一侧为负极，使结构以1.25ma恒电流充放电，但无变形效果。
66.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
67.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

技术特征：
1.一种自驱动可控变形、储能及承载一体化的复合结构，其特征在于，所述复合结构为储能结构经过充放电处理得到的；储能结构包括纤维结构、包裹并浸润纤维结构并固化的结构电解质；纤维结构包括依次铺叠的碳纤维、绝缘纤维、碳纤维，结构电解质包括电解液和液体树脂。2.根据权利要求1所述的复合结构，其特征在于，所述绝缘纤维为陶瓷纤维，具体包括玻璃纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维中的一种。3.根据权利要求1所述的复合结构，其特征在于，所述碳纤维和绝缘纤维的编织为单向织物、平纹织物、斜纹织物、缎纹织物、三维编织织物中的一种。4.根据权利要求1所述的复合结构，其特征在于，所述液体树脂材质为环氧树脂、丙烯酸类树脂、双马来酰胺树脂、聚酰亚胺树脂、聚醚醚酮树脂、酚醛树脂中的一种；所述电解液为litf离子电解液、lipf6电解液、litfsi离子电解液中的一种。5.根据权利要求1所述的复合结构，其特征在于，液体树脂与电解液的体积比为3：7-7：3。6.根据权利要求1所述的复合结构，其特征在于，所述充放电处理具体为：按照锂箔、绝缘纤维、储能结构、绝缘纤维、锂箔的顺序铺叠，注入电解液，封装得软包电池；软包电池负极接入储能结构的两极，正极接入两层锂箔，以恒电流充放电若干个周期，保持在40-60％电量时停止；取出储能结构，使用液体树脂对其表面封孔，即得所述复合结构。7.根据权利要求1所述的复合结构，其特征在于，所述复合结构的使用方法为：选择复合结构的一侧为正极，另一侧为负极，施加0.5-1.5ma的恒电流，使结构进行充放电，结构会向着一侧发生可逆可控的弯曲。8.一种如权利要求1所述的复合结构的成型方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤s1：按照碳纤维、绝缘纤维、碳纤维的顺序铺叠，得预制体；步骤s2：将电解液与液体树脂混合，形成结构电解质前驱体；步骤s3：将步骤s2所述的结构电解质前驱体灌注入步骤s1所述的预制体，固化成型，得储能结构；步骤s4：按照锂箔、绝缘纤维、步骤s3所得储能结构、绝缘纤维、锂箔的顺序铺叠，注入电解液，封装得软包电池；软包电池负极接入步骤s3所得储能结构的两极，正极接入两层锂箔，以恒电流充放电若干个周期，保持在40-60％电量时停止；步骤s5：打开步骤s4所述的软包电池，取出储能结构，使用液体树脂对其表面封孔，获得所述自驱动可控变形、储能及承载一体化的复合结构。9.根据权利要求8所述的成型方法，其特征在于，步骤s1中，所述碳纤维需要进行退浆处理，具体为：将碳纤维空气环境下350-550℃中煅烧1-1.5小时，或在50-70℃下浸泡丙酮12-24小时。10.根据权利要求8所述的成型方法，其特征在于，步骤s4中，恒电流充放电具体为：在0到1.2-1.5v间进行循环充放，恒电流为0.5-1.5ma，充放循环为10-20次。

技术总结
本发明提供了一种自驱动可控变形、储能及承载一体化的复合结构，包括以下步骤：按照碳纤维，绝缘纤维，碳纤维的顺序铺叠预制体；无水无氧下，按照一定比例混合电解液与液体树脂，形成结构电解质前驱体；将结构电解质前驱体灌注入预制体，固化成型储能结构；按照锂箔，绝缘纤维，储能结构，绝缘纤维，锂箔的顺序铺叠，注入电解液，封装为软包电池；对软包电池以恒电流充放电若干个周期，保持在50％电量时停止；打开软包电池，取出储能结构，使用液体树脂对其表面封孔，获得一种自驱动可控变形，储能及承载一体化的复合结构。本发明充分利用碳纤维的轻质高强，脱嵌锂离子的储能以及膨胀收缩特性，驱动自身发生变形。驱动自身发生变形。驱动自身发生变形。


技术研发人员：何霁 江晟达
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/8/1