碳纳米管纤维增强仿竹型集能发电复合结构管制造技术

本实用新型专利技术公开了一种碳纳米管纤维增强仿竹型集能发电复合结构管，包括：碳纳米管纤维束复合纱螺旋缠绕叠置层、三维石墨烯过渡层、内支撑筒层、三维石墨烯仿竹节、间隔弹性层、外层、整流电路及蓄电池；所述碳纳米管纤维束复合纱螺旋缠绕叠置层、三维石墨烯过渡层、内支撑筒层及三维石墨烯仿竹节从外至内依次设置，整体呈现复合梯度功能结构的协同效应，具有高强度、高韧性的优良力学特性，同时还具有收集转换冲击力或振动力为电能的功能，因此可以广泛用于各类工程装置承重结构材料领域。

Carbon nanotube fiber reinforced bamboo like composite structure tube for energy collection and power generation

The utility model discloses a carbon nanotube fiber-reinforced bamboo like composite structure tube for energy collection and power generation, which comprises: a spiral winding stack layer of carbon nanotube fiber bundle composite yarn, a three-dimensional graphene transition layer, an inner support cylinder layer, a three-dimensional graphene imitation slub, an interval elastic layer, an outer layer, a rectifier circuit and a battery; a spiral winding stack layer and a three-dimensional carbon nanotube fiber bundle composite yarn Graphene transition layer, inner support tube layer and three-dimensional graphene imitation bamboo joint are set from outside to inside in turn, presenting the synergistic effect of composite gradient function structure as a whole, having excellent mechanical properties of high strength and high toughness, and also having the function of collecting and converting impact force or vibration force into electrical energy, so it can be widely used in the field of bearing structure materials of various engineering devices.

【技术实现步骤摘要】
碳纳米管纤维增强仿竹型集能发电复合结构管
本技术属于复合结构材料
，涉及仿竹型复合结构管，更具体地涉及一种碳纳米管纤维增强仿竹型集能发电复合结构管。
技术介绍
仿生学是当代材料科学发展的重要分支之一，通过研究、学习、模拟来复制和再造某些生物的特性、功能以及仿生材料，以提高人类适应和改造自然的能力。仿生学是在研究生物系统的结构、形状、性状、行为、原理的基础上，为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的技术科学。在自然界，生物体结构要承受自身的质量及生长环境的载荷，许多生物采用了管状结构，如：竹子、芦苇、牛角和秸秆等，并体现出优良的力学性能。如：竹子是自然界存在的一种典型的、具有良好力学性能的天然复合梯度材料，具有从细胞水平、组织水平，到宏观尺度的多级复合结构；其中空、壁薄、离散分布的竹节等外观形态，纤维管束的叠置分布和细胞壁多层结构等造就了竹材强度高、韧性好的优良力学特性，被认为是自然界中效能高的结构材料之一。研究表明，竹材的比强度比钢材高出3～4倍，同时在风载作用下各段抵抗弯曲变形能力基本相同。另外，竹节不仅能够增强竹子的抗弯强度，同时能大大地提高竹子横向的抗挤压和剪切的能力。对竹材的进一步研究发现，竹材的表层竹青的高强度和高韧性主要是由竹纤维结构的优越性所致。竹纤维的精细结构包含多层,每层中的纤维丝以不同升角分布，显示了功能适应性效果，即在一定的生态环境中生存的生物。必然具备对环境最大的适应能力,而这种功能对与生物体特定的内部构造和组成相关联，是自然进化的结果。竹材的空心柱、竹纤维层状排列、不同层面的界面内竹纤维升角逐渐变化的结构恰是功能适应性原理决定的，这对对人们开展复合材料的设计研究具有积极的指导作用，并将在汽车、航天、军工及工程领域具有广阔的应用前景。竹子在结构、载荷和功能上的优异性能，为人们设计制造仿竹复合材料管提供了重要启示。如何设计性能更加优良的仿竹复合结构管，如何将纳米纤维材料应用于仿竹复合结构管来进一步提高强度和韧性，如何将仿竹复合结构管在工程环境中的冲击能量或振动能量收集起来并发电利用，这些技术问题需要进一步得到解决。
技术实现思路
针对当前仿竹复合结构管技术发展存在的系列问题，本技术提供一种碳纳米管纤维增强仿竹型集能发电复合结构管，以达到优化提升仿竹复合结构管的各项性能指标。本技术的一种碳纳米管纤维增强仿竹型集能发电复合结构管的实现具体技术方案包括：碳纳米管纤维束复合纱螺旋缠绕叠置层、三维石墨烯过渡层、内支撑筒层、三维石墨烯仿竹节、外层、整流电路及蓄电池；所述碳纳米管纤维束复合纱螺旋缠绕叠置层、三维石墨烯过渡层处于中部、内支撑筒层及三维石墨烯仿竹节从外至内依次设置，整体呈现复合梯度功能结构的协同效应；所述整流电路及蓄电池装配在内支撑筒层的中空结构中的三维石墨烯仿竹节旁；所述内支撑筒层为薄壁中空结构；所述三维石墨烯仿竹节呈中空环状结构；所述三维石墨烯仿竹节在内支撑筒层的中空结构中呈相隔一定距离排布装配；所述碳纳米管纤维束复合纱螺旋缠绕叠置层包括：碳纳米管纤维束复合纱；所述碳纳米管纤维束复合纱有序螺旋缠绕在三维石墨烯过渡层外表面形成碳纳米管纤维束复合纱螺旋缠绕叠置层；所述碳纳米管纤维束复合纱螺旋缠绕叠置层的外面为外层；所述碳纳米管纤维束复合纱，包括：碳纳米管纤维束、摩擦材料或压电材料；所述碳纳米管纤维束通过碳纳米管纤维呈有序成束排列形成；所述碳纳米管纤维束作为力学增强型的导电电极，其外层包覆摩擦材料层或压电材料层，并呈紧密相接触状态；多个所述碳纳米管纤维束的导电电极采用并联或串联方式与整流电路及蓄电池相连接；所述摩擦材料或压电材料的外表面采用纳米结构化修饰的纳米结构。上述方案中，所述碳纳米管纤维束复合纱螺旋缠绕叠置层，包括：由两股所述碳纳米管纤维束复合纱相互扭绞呈波浪拱形交互结构，然后按一定升角度依次螺旋缠绕在三维石墨烯过渡层外表面，形成螺旋缠绕叠置层结构；所述碳纳米管纤维束复合纱相互扭绞呈波浪拱形交互，构成若干个垂直-分离摩擦纳米发电机结构；所述碳纳米管纤维束复合纱螺旋缠绕叠置层的螺旋缠绕叠置层的每叠置层内，包括：两股相互扭绞碳纳米管纤维束复合纱，两股相互扭绞碳纳米管纤维束复合纱呈单层螺旋缠绕形成单层叠置层、双层螺旋缠绕形成双层叠置层或多层螺旋缠绕叠置形成多层叠置层；在所述每叠置层内的双层叠置层或多层叠置层，能够在每叠置层内的层与层之间形成横向摩擦，并构成若干个横向摩擦纳米发电机结构。上述方案中，所述碳纳米管纤维束复合纱螺旋缠绕叠置层，包括：由两股所述碳纳米管纤维束复合纱形成螺旋缠绕叠置单层结构、螺旋缠绕叠置双层结构或螺旋缠绕叠置多层结构；碳纳米管纤维束复合纱螺旋缠绕叠置层的螺旋缠绕叠置结构的每叠置层之间装配有间隔弹性层；所述间隔弹性层采用具有绝缘弹性的薄膜材料；所述碳纳米管纤维束复合纱螺旋缠绕叠置层，还包括：单股碳纳米管纤维束复合纱与单束金属丝材料导线相互扭绞呈波浪拱形构成的螺旋缠绕层；所述单股碳纳米管纤维束复合纱采用的摩擦材料电负性与单束金属丝材料导线相差较大；所述单束金属丝材料导线具有摩擦材料功能与电极材料功能的双重功能。上述方案中，所述三维石墨烯过渡层和三维石墨烯仿竹节采用的三维石墨烯，所述三维石墨烯包括：三维氧化石墨烯、三维多孔石墨烯海绵、三维多孔石墨烯气凝胶、三维多孔石墨烯泡沫、三维多孔石墨烯水凝胶、三维多孔氧化石墨烯或三维石墨烯组装体复合材料；所述三维石墨烯组装体复合材料，包括：向三维石墨烯中添加石墨烯纳米片、碳纳米管或纳米颗粒材料。上述方案中，所述摩擦材料包括：尼龙、棉布、橡胶、聚合物、各类金属、金属合金、编织的羊毛、编织的蚕丝、木材、人造纤维或复合材料；接触的两类摩擦材料，至少一种是绝缘体材料，以确保摩擦电荷能够维持在绝缘体材料表面；所述摩擦材料的表面采用纳米结构化修饰的纳米结构，包括：纳米纤维、纳米颗粒、纳米棒、纳米丝、纳米沟槽或纳米图案；所述摩擦材料包括：在摩擦材料中添加少量导电性能良好的纳米颗粒，以减小摩擦材料的阻尼。上述方案中，所述压电材料，包括：压电半导体材料、压电聚合物材料、压电陶瓷材料、石英晶体压电材料、聚偏氟乙烯(PVDF)压电材料、六方铅锌矿结构的氮化镓(GaN)压电材料、四方钛酸钡(BaTiO3)压电材料或压电-摩擦电复合发电材料；所述压电-摩擦电复合发电材料包括：氮化镓(GaN)/聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合发电材料或四方钛酸钡(BaTiO3)/聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合发电材料。上述方案中，所述内支撑筒层采用的材料包括：不锈钢材料、纤维材料、金属及合金材料、高分子材料或复合材料中的一种或几种；所述纤维材料包括：植物纤维、动物纤维、矿物纤维、再生纤维、合成纤维、人造纤维。上述方案中，所述碳纳米管纤维的制备方法包括：静电纺丝法、化学气相生长法(CVD)、湿法纺丝法、干法纺丝法、阵列纺丝法或双卷曲法；所述碳纳米管纤维包括：单壁碳纳米管纤维或多壁碳纳米管纤维。上述方案中，所述碳纳米管纤维增强仿竹型集能发电复合结构管中，还能够采用石墨烯纤维或其它纳米纤维来替本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纳米管纤维增强仿竹型集能发电复合结构管，其特征在于，包括：碳纳米管纤维束复合纱螺旋缠绕叠置层、三维石墨烯过渡层、内支撑筒层、三维石墨烯仿竹节、外层、整流电路及蓄电池；所述碳纳米管纤维束复合纱螺旋缠绕叠置层、三维石墨烯过渡层、内支撑筒层及三维石墨烯仿竹节从外至内依次设置；所述内支撑筒层为薄壁中空结构；所述三维石墨烯仿竹节由三维石墨烯材料制造，呈中空环状结构；所述三维石墨烯仿竹节在内支撑筒层的中空结构中呈相隔一定距离排布装配；所述整流电路及蓄电池装配在内支撑筒层的中空结构中的三维石墨烯仿竹节旁；所述碳纳米管纤维束复合纱螺旋缠绕叠置层的外面为外层；所述碳纳米管纤维束复合纱螺旋缠绕叠置层包括：碳纳米管纤维束复合纱，所述碳纳米管纤维束复合纱有序螺旋缠绕在三维石墨烯过渡层外表面形成碳纳米管纤维束复合纱螺旋缠绕叠置层；所述碳纳米管纤维束复合纱，包括：碳纳米管纤维束和摩擦材料层；所述碳纳米管纤维束通过碳纳米管纤维呈有序成束排列形成；所述碳纳米管纤维束为导电电极，其外层包覆摩擦材料层，并呈紧密相接触状态；多个所述碳纳米管纤维束的导电电极采用并联或串联方式与整流电路及蓄电池相连接；所述摩擦材料层的外表面采用纳米结构化修饰的纳米结构。/n...

【技术特征摘要】
1.一种碳纳米管纤维增强仿竹型集能发电复合结构管，其特征在于，包括：碳纳米管纤维束复合纱螺旋缠绕叠置层、三维石墨烯过渡层、内支撑筒层、三维石墨烯仿竹节、外层、整流电路及蓄电池；所述碳纳米管纤维束复合纱螺旋缠绕叠置层、三维石墨烯过渡层、内支撑筒层及三维石墨烯仿竹节从外至内依次设置；所述内支撑筒层为薄壁中空结构；所述三维石墨烯仿竹节由三维石墨烯材料制造，呈中空环状结构；所述三维石墨烯仿竹节在内支撑筒层的中空结构中呈相隔一定距离排布装配；所述整流电路及蓄电池装配在内支撑筒层的中空结构中的三维石墨烯仿竹节旁；所述碳纳米管纤维束复合纱螺旋缠绕叠置层的外面为外层；所述碳纳米管纤维束复合纱螺旋缠绕叠置层包括：碳纳米管纤维束复合纱，所述碳纳米管纤维束复合纱有序螺旋缠绕在三维石墨烯过渡层外表面形成碳纳米管纤维束复合纱螺旋缠绕叠置层；所述碳纳米管纤维束复合纱，包括：碳纳米管纤维束和摩擦材料层；所述碳纳米管纤维束通过碳纳米管纤维呈有序成束排列形成；所述碳纳米管纤维束为导电电极，其外层包覆摩擦材料层，并呈紧密相接触状态；多个所述碳纳米管纤维束的导电电极采用并联或串联方式与整流电路及蓄电池相连接；所述摩擦材料层的外表面采用纳米结构化修饰的纳米结构。


2.根据权利要求1所述的碳纳米管纤维增强仿竹型集能发电复合结构管，其特征在于，所述碳纳米管纤维束复合纱螺旋缠绕叠置层，包括：由两股所述碳纳米管纤维束复合纱相互扭绞呈波浪拱形交互结构，然后按一定升角度依次螺旋缠绕在三维石墨烯过渡层外表面，形成螺旋缠绕叠置层结构；所述碳纳米管纤维束复合纱相互扭绞呈波浪拱形交互，构成若干个垂直-分离摩擦纳米发电机结构；所述碳纳米管纤维束复合纱螺旋缠绕叠置层的螺旋缠绕叠置层的每叠置层内，包括：两股相互扭绞的碳纳米管纤维束复合纱，两股碳纳米管纤维束复合纱单层螺旋缠绕形成单层叠置层、双层螺旋缠绕形成双层叠置层或多层螺旋缠绕形成多层叠置层；在所述每叠置...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁曦明，袁一楠，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：新型
国别省市：湖北;42