[发明专利]一种自驱动可控变形、储能及承载一体化的复合结构

说明书

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。

技术领域

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

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。

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。

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。

发明内容

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。

本发明的目的可以通过以下方案来实现：

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。

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。

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。

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。