一种结构功能一体化超电复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种结构功能一体化的超电复合材料及其制备方法。本发明专利技术所述结构功能一体化的超电复合材料是由纤维增强树脂基复合层、超电功能芯层叠层嵌入复合加工而成；所述超电复合材料中纤维增强树脂基复合层的质量分数为85～95％，所述超电功能芯层的质量分数为5～15％；所述超电复合材料的密度为1.6～3.0g/cm3。本发明专利技术制备的结构功能一体化复合材料的优势在于不仅保持纤维增强复合材料轻质高强的优点，而且具备储能功能，综合性能具有优良的可设计性和可调节性，适用于新能源电动汽车车体、航空航天器舱体及便携电子设备等领域。本发明专利技术所述制备方法工艺简单，生产成本低廉，便于推广应用。便于推广应用。便于推广应用。

【技术实现步骤摘要】
一种结构功能一体化超电复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及复合材料制备
，特别涉及一种结构功能一体化的超电复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着全球能源危机、环境污染等问题日益严重，开发绿色能源，谋求人与环境的和谐发展显得尤为迫切。电动汽车、混合动力汽车或飞行器由于利用电能为车辆提供运行动力，可以避免或者减少对石油资源的使用，也利于减少CO2等汽车尾气排放对环境的危害。这些新能源交通工具顺应环保发展趋势，有广阔市场前景，同时，也为能量存储系统提出了更高要求。新型的能量存储系统不仅需要具备充分高的能量密度和功率密度，其质量和占据体积也应尽可能减小，以满足交通车体轻量化、节能减排的发展要求。将储能元件、车体承载或装饰元件通过合理配置和成形工艺整合为一体化材料，研发承载、储能结构功能一体化的多功能能量存储系统，即结构储能材料，成为储能材料领域发展的一个重要方向。该系统不仅适用于新能源电动汽车，在电动舰船、无人驾驶飞机、便携式电子设备及其它“零排放”电动地面交通运输装备中均有良好的应用前景。
[0003]近年来，学者们在结构电池、结构电容器等方面做了较多探索，而结构超级电容器方面的研究还相对较少。超级电容器具有功率密度高、循环使用寿命长的优点，循环使用性比电池优，能量密度比电容器高。作为一种不可或缺的多功能能量存储系统，结构超电势必在新能源电动汽车领域展现广阔的应用前景。
[0004]到目前为止，学者们实现结构电池或结构电容器的方法主要划分为两种，一种途径是通过研发新型结构电解质入手，如，合成一种新型的电解质聚合物使其既具有离子传输能力又具备诸如环氧等普通树脂聚合物的粘结复合以及承载能力。现有研究表明，如何平衡树脂聚合物的导电性和力学性能至今仍是一个挑战，目前还很难实现真正意义上具有承载力的结构超电；另一种途径是则是将储能元件插片与纤维增强复合材料整合，形成兼具承载能力和储能功能的共形复合体，是一种相对便捷易行的方法。但如何保证储能功能元件在复合成形以及负载受力作用过程中保持稳定的储能功能，如何满足不同使用场景，复合材料承载强度与储能功能的调节，是制约该方法途径进一步推广应用的难点所在。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种结构功能一体化的超电复合材料及其制备方法。本专利技术通过共形复合设计，采用嵌入法，将超级电容器功能芯片经覆膜处理后，与纤维织物层叠放，然后通过灌注树脂粘结固化成型为一体化的复合材料，具有轻质、高强、储能结构功能一体化的特点，且具有优良的可设计性，可根据应用需求选取不用的纤维增强树脂基材，也可调整功能芯层嵌入数量和排布形式，实现对一体化多功能超电复合材料承载强度及其储能功能的调节。
[0006]本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种结构功能一体化的超电复合材料，所述超电复合材料是由纤维增强树脂基复合层、超电功能芯层叠层嵌入复合加工而成；所述超电复合材料中复合层的质量分数为85～95％，所述超电功能芯层的质量分数为5～15％；所述超电复合材料的密度为1.6～3.0g/cm3。
[0008]所述纤维增强树脂基复合层由纤维织物和树脂基体组成，纤维增强树脂复合层中纤维织物的体积分数为40～65％。
[0009]一种所述超电复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0010](1)制备超级电容器；
[0011](2)对步骤(1)制备的超级电容器进行包封得到超电功能芯层；
[0012](3)采用叠层铺放的方法，将步骤(2)制得的超电功能芯层铺放在纤维织物层之间，形成复合铺层体；
[0013](4)采用手糊成型或真空辅助转移方法，向步骤(3)制备的复合铺层体内部浸润树脂，形成复合结构胚体，固化，得到结构功能一体化的超电复合材料。
[0014]进一步地，步骤(2)中，所述包封的具体方法为：利用聚合物流延覆膜法将覆膜材料均匀涂覆在超级电容器的表面，然后静置干燥；所述涂覆的厚度为0.5～1mm。
[0015]进一步地，所述覆膜材料为室温条件下粘度为600～1500cPs的热固性弹性体；所述热固性弹性体为交联聚乙烯醇缩醛、聚二甲基硅氧烷、甲基硅树脂、甲基
‑
苯基有机硅树脂中的一种或多种。
[0016]进一步地，所述干燥的温度为25～40℃，时间为6～24h。
[0017]进一步地，步骤(2)中，所述超电功能芯层的厚度为2.0～4.0mm。
[0018]进一步地，步骤(3)中，所述纤维为高性能纤维，所述高性能纤维为碳纤维、芳纶纤维、高强高模聚乙烯纤维中的一种或多种。
[0019]进一步地，步骤(4)中，所述树脂为热固性树脂；所述热固性树脂为环氧树脂、聚酯树脂、酚醛树脂、三聚氰胺树脂、呋喃树脂中的一种或多种；所述聚酯树脂为不饱和聚酯树脂。
[0020]进一步地，步骤(4)中，所述固化温度为60～80℃，时间为12～24h。
[0021]本专利技术有益的技术效果在于：
[0022](1)本专利技术采用共形设计方案，通过叠层嵌入法研制的一体化结构超电复合材料，具有轻质、储能结构功能一体化的优点。其比能量密度为0.05mWhkg
‑1～1mWhkg
‑1，比功率密度为5～100mWkg
‑1，弯曲强度为20～200MPa，弯曲模量为2～50GPa。本专利技术制备工艺便捷，易于推广应用。
[0023](2)本专利技术提供的结构功能一体化结构超电复合材料具有优良的可设计性，可根据应用需求选取不用的纤维增强树脂作为基材，也可通过调整功能芯层嵌入数量和排布形式，实现对复合材料承载强度及其储能功能的调节。
[0024](3)本专利技术通过合理选择热固性弹性体树脂聚合物覆膜材料，对超级电容器进行覆膜处理，相比于不做包封处理或者使用金属材料进行包封处理，既能做到有效保护功能芯层，又利用覆膜材料优良的弹性恢复能力及其与树脂聚合物间的良好的界面相容性，可以实现储能功能元件在复合成形以及负载受力过程中保持稳定的储能功能。
附图说明
[0025]图1为本专利技术一体化结构超电复合材料的制备示意图。
[0026]图2为本专利技术实施例2制备的超电复合材料进行串并联的示意图。
[0027]图3为本专利技术实施例1的超电复合材料与实施例1制备的超电芯层的性能比较。
[0028]图4为本专利技术不同连接方式对复合材料的储能性能的影响。
[0029]图5为弯曲负载对本专利技术实施例1制备的复合材料的储能性能影响。
[0030]图6为对比例1制备的超电复合材料与对比例1制备的电容器的性能比较。
具体实施方式
[0031]下面结合附图和实施例，对本专利技术进行具体描述。
[0032]实施例1
[0033]一种结构功能一体化的超电复合材料，所述超电复合材料是通过将一个超电功能芯层嵌入复合层内部形成。
[0034]一种结构功能一体化的超电复合材料，其制备方法包括如下步骤：
[0035本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种结构功能一体化的超电复合材料，其特征在于，所述超电复合材料是由纤维增强树脂基复合层、超电功能芯层叠层嵌入复合加工而成；所述超电复合材料中复合层的质量分数为85～95％，所述超电功能芯层的质量分数为5～15％；所述超电复合材料的密度为1.6～3.0g/cm3。2.根据权利要求1所述的超电复合材料，其特征在于，所述纤维增强树脂基复合层由纤维织物和树脂基体组成，纤维增强树脂复合层中纤维织物的体积分数为40～65％。3.一种权利要求1所述的超电复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)制备超级电容器；(2)对步骤(1)制备的超级电容器进行包封得到超电功能芯层；(3)采用叠层铺放的方法，将步骤(2)制得的超电功能芯层铺放在纤维织物层之间，形成复合铺层体；(4)采用手糊成型或真空辅助转移方法，向步骤(3)制备的复合铺层体内部浸润树脂，形成复合结构胚体，固化，得到结构功能一体化的超电复合材料。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述包封的具体方法为：利用聚合物流延覆膜法将覆膜材料均匀涂覆在超级电容器的表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙洁，赵鑫，成丽媛，张典堂，俞科静，郭文文，逄增媛，李文兵，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：