多功能碳纤维复合材料-1
本文摘要（由ai生成）：
该研究介绍了一种由嵌入纵向模量为 100GPa 的结构电池电解质中的两个碳纤维层组成的结构能量收集复合材料。利用压电-电化学换能器效应，通过机械变形来获取能量。实现了 18nW/g 的比功率输出。在拉伸和压缩过程中观察到锂化碳纤维中的压电-电化学换能器效应，可用于应变传感，从而实现低附加质量的结构健康监测。同样的材料此前已被证明能够变形。这里介绍的两种附加功能导致了一种能够具有四种功能的材料，进一步证明了碳纤维/SBE 复合材料在未来多功能应用中的多种可能性。
摘要：
多功能结构材料能够减少系统级质量并提高承载 结构的效率。能够从周围环境中获取能量的材料对于自 主电力系统是有利的。然而， 大多数能量收集材料是非 结构的， 并且增加了寄生质量， 从而降低了结构效率。 在这里，我们展示了一种结构能量收集复合材料，该材 料由嵌入纵向模量为 100GPa 的结构电池电解质（SBE- structural battery electrolyte）中的两个碳纤维（CF） 层组成─几乎与商业 CF 预浸料不相上下。在锂化 CF 中使用压电- 电化学换能器（PECT- piezo-electrochemical transducer ） 效应通过 机械变形来获取能量。 PECT 效应在两个 CF 层之间产 生电压差， 在变形时驱动电流。实现了 18nW/g 的比功 率输出。在拉伸和压缩过程中观察到锂化 CF 中的 PECT 效应，可用于应变传感，从而实现低附加质量的结构健 康监测。同样的材料此前已被证明能够变形。这里介绍 的两种附加功能导致了一种能够具有四种功能的材料， 进一步证明了 CF/SBE 复合材料在未来多功能应用中的 多种可能性。
1.简介
向材料添加功能已被证明是减少承载结构中系统 级质量的有效方法。 多功能材料有可能实现更轻的组件， 这在航空航天和汽车行业的重量敏感应用以及便携式 消费电子产品中尤其有益。理想情况下， 进一步的功能 不应增加结构的质量， 也不应影响其机械性能。
具有耦合特性的材料允许创建更多的功能。例如， 压电体具有机电耦合， 可用于将机械运动转换为电能。 这使得从周围环境中获取能量，甚至为应变传感等其他 材料功能提供动力成为可能。压电材料以前已经集成到 结构复合材料中以获取机械能。然而，压电元件增加了寄生质量，表现出较差的机械性能，并且在高频下最有 效。
对于低频运动，如人类运动、热膨胀或潮汐流，使 用称为 压电 - 电 化 学 换 能 器 （ PECT- piezo - electrochemical transducer）效应的机械-电化学耦合进行能量收集似乎很有 希望。 PECT 效应是一种耦合， 当受到机械应变时，会 导致电极电势的变化。已经使用石墨/LiCoO2 袋电池、 硅、铝、黑磷、普鲁士蓝、和碳纤维（CF）在非结构材 料中进行了 PECT 能量收集， 显示出有希望的结果。然 而，这些概念都依赖于非结构液体或凝胶电解质， 因此 不能进行负载转移。
为了构思一种不增加寄生质量的结构 PECT 能量采 集器， 电极材料应该是结构化的，并嵌入能够传递负载 的基体中。基质还必须是离子导电的，以便于电流流动。 在这里，我们展示了一种使用新型材料组合的能量收集 结构复合材料，并将其应用于创造新的功能。该复合材 料由嵌入双连续结构电池电解质（SBE）中的陶瓷基隔 膜两侧的两层锂化 CF 组成。所得到的层压板表现出高 的机械刚度，但具有附加的能量收集功能。
这一概念是基于这样一个事实， 即基于聚丙烯腈 （PAN）的 CF 在结构上具有高性能，并已被证明能够 被锂离子充电， 因此起到电极的作用， 因此在这个意义上是一种真正的多功能材料。这里使用的基质表示为 SBE。它是一个双连续系统， 由一个固体和坚硬的、渗 透的、聚合物相和一个液体电解质组成。因此， 它可以 在 CF 之间传递机械负载，并具有离子导电性，允许离 子在电极之间传输，即多功能基质。纤维/基质界面也是 多功能的，提供纤维和聚合物相之间的机械粘合， 同时 仍允许离子通过界面传输。这种材料系统使高性能多功 能结构能够用于能量存储和形状变形。
先前的研究表明，液体电解质中的 PAN 基 CF 在充 入锂、钠和钾时表现出 PECT 效应。在 PAN 基 CF 中， 尽管离子半径较低， 但锂化会产生最大的 PECT 响应。 然而，使用液体电解质，只能研究 PECT 在张力下的响 应， 而不能研究压缩下的响应。这里，SBE 的添加允许 在 CF 中研究压缩应变和拉伸应变。发现压缩 PECT 效 应在大小上与拉伸 PECT 效应相等，但在符号上相反。 这与基于卡尔施泰特（ Carlstedt ） 等人的结果的分析模型 很好地相关，该模型由于荷载情况而被简化，并且可以 表示为闭合形式的解。
为了证明结构能量收集 CF 复合材料的概念验证， 使用了一个简单的弯曲设置。复合材料在一端被夹紧以 形成悬臂，悬臂使用定制的夹紧夹具变形到已知的恒定 曲率。以这种方式， 一个 CF 层被张紧，而另一个同时被压缩。这使得两个 CF 电极之间的机械应变包络能够 有效地加倍，从而产生更大的电压和电流响应。使用外 部锂金属参比电极， 可以独立地获得每个 CF 层中的电 压变化。在悬臂变形期间测量由 PECT 效应和两个 CF 层之间的短路电流（SCC-short-circuit current ）产生的开路电位 （OCP-open-circuit potential） 的变化。研究发现，OCP 和 SCC 均随施加的机械应变线性增加。为了计算可用功率， 将 可变的外部电气负载与复合材料串联，并测量电流的变 化。当外部电负载与复合材料的内部阻抗匹配时，获得 最大功率。
这里演示的材料也能够感应 PECT 效应引起的电压 -应变耦合引起的应变。将能量收集和应变传感功能添 加到结构材料中，之前已经证明其能够改变形状，从而 产生方形功能材料。这些功能性与优异的结构性能相结 合，进一步证明了 CF/SBE 复合材料在未来多功能应用 中的多种可能性。
