多功能碳纤维复合材料-4

7月前浏览2259

本文摘要（由ai生成）：

这篇文章介绍了一种多功能碳纤维复合材料，该材料具有承载、形状改变、能量收集和应变传感四种功能。研究表明，CF/SBE 复合材料在未来多功能应用中具有多种可能性。

5.讨论

这项研究证明了 CF 复合材料层压板的两个额外功能：能量收集和应变传感。实验测量的功率与其他已发表的关于 PECT 能量采集器（如锂化铝和钠化黑磷）的文献相比是有利的。然而，这些研究使用了使用液体电解质的非结构材料，并且需要显著更高的施加应变。

这里展示的 CF 层压板包含 SBE，生产出比刚度显著高于铝的结构材料，并与商业 CF 预浸料一致。由于 PECT 效应产生的电压-应变耦合，OCP 和机械应变之间存在线性关系，因此可以进行应变传感。估计电压-应变耦合的理论框架与实验观察结果非常一致。由于电压信号中的噪声（滤波信号约为 0.1mV，图 3），应变测量的下限约为 0.01%。

电压和电流响应的寿命在这里没有被检查。然而，人们认为 CF 本身在重复弯曲过程中不应遭受显著的结构损伤，因为此处使用的应变非常低。先前已经测试了锂插入对相同 CF 的机械性能的影响，即使在 1000 次循环后也观察到最小的机械降解。先前已经测试了嵌入 SBE 中的单层 CF 的电化学循环后的机械性能，显示出刚度或强度没有退化。考虑到在能量收集实验中施加的应变非常低（0.09%），随着时间的推移，这不太可能影响机械性能。其他 PECT 能量采集器在重复循环中表现出相对良好的长期稳定性，表明响应在重复的机械应变循环中应该是稳定的。在我们的情况下，考虑到少量的电荷转移，电化学系统的日历寿命很可能是限制因素。这将取决于系统与外部环境的隔离程度（例如，与湿气侵入的隔离程度）。

由于这是创建刚性能量收集材料的第一次尝试，因此材料成分或材料组件远未优化。可以做很多事情来提高电流和电压响应的幅度，从而获得更多的能量。通过使应变加倍， OCP 和 SCC 的变化应该可以加倍。这将导致四倍的功率，因为在这里使用的应变包络内，功率与应变的平方成比例。只要不发生机械故障，应变可能会进一步增加。 PECT 响应的差异虽然相当小，但之前已经测量过两种不同 CF 的差异。因此，有可能存在具有更高 PECT 响应的其他 CF，这可以提高感测能力和收获功率。较小直径的 CFs 将导致更快的扩散，提供更高的速率能力并降低过电势。所用的 SBE 尚未优化，进一步的开发工作可能会使离子电导率提高一个数量级。通过调整 SBE 的多孔聚合物结构，可以减少曲折度，提高离子导电性。通过使用不同的溶剂/盐组合，最有可能改善液体电解质的传输特性，从而增加能量采集器的电流响应。这也将在更高的频率下扩展采集器的频率包络，尽管基于 PECT 的能量采集由于离子扩散过程仍然局限于低频，如在其他地方所讨论的。

本文中进行的实验是在干燥的氩气气氛中进行的。通过使用具有适当阻隔性能的薄膜（如超薄玻璃）适当封装 CF 层压板，层压板可以在环境条件下工作。

从周围环境中获取能量的能力是对能量存储的重要补充能力。低至中频结构能量采集器在重量敏感的自主应用中特别有用，如无人机、卫星和医疗应用。为了利用多功能性，结合结构功能和应变传感功能的设备将是理想的。实时感知应变可最大限度地减少结构的尺寸过大，并提高安全性和维护程序。锂化 CF 可用于取代其他增加寄生质量并对机械性能产生不利影响的结构健康监测系统，如光纤（optical fibers）、压电体和压阻材料。相同的结构材料可用于形状变形，并且通过添加正极层，也可以用作结构电池。

电压-应变耦合的分析模型有可能帮助未来 PECT 能量采集器和应变传感器的设计，以及机械应变下各向异性电池电极的设计。