一種可進(jìn)行蓄電并具有減震效果的多功能結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】一種可進(jìn)行蓄電并具有減震效果的多功能結(jié)構(gòu)，包括一面帶有凹槽的凹槽結(jié)構(gòu)，兩塊凹槽結(jié)構(gòu)的凹槽相對布置，其間設(shè)置有具有減震效果的填充物，在具有減震效果的填充物的頂部和底部與凹槽結(jié)構(gòu)間設(shè)置有蓄電結(jié)構(gòu)，所述凹槽結(jié)構(gòu)由彈性高分子材料制作而成，所述蓄電結(jié)構(gòu)由具有彈性的蓄電材料制作而成，或由彈性高分子材料制作成，然后在其表面涂有蓄電材料；當(dāng)該結(jié)構(gòu)受到振動時，將把機(jī)械振動轉(zhuǎn)換為電能從而實(shí)現(xiàn)蓄電發(fā)電功能,此時該結(jié)構(gòu)類似于一個電池塊；同時在振動過程中，該結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個彈性阻尼器，通過吸收振蕩時的能量，可以起到減震的效果；該多功能結(jié)構(gòu)所用的材料成本可控，且質(zhì)量輕便，適合大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。
【專利說明】一種可進(jìn)行蓄電并具有減震效果的多功能結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多功能結(jié)構(gòu)，具體涉及一種可進(jìn)行蓄電并具有減震效果的多功能結(jié)構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[0002]移動互聯(lián)網(wǎng)時代的到來，使生廠商越來越注重對智能手機(jī)、平板電腦等進(jìn)行交互設(shè)計(jì)，以求滿足用戶更好的人機(jī)體驗(yàn)。但是大量的互聯(lián)網(wǎng)在線活動以及娛樂功能導(dǎo)致電池電量的消耗急劇增加，特別是對于智能手機(jī)用戶而言，可以隨時隨地對手機(jī)進(jìn)行充電成為一個非常迫切的需求。因此各種充電器、移動電源也成為手機(jī)配件市場上的香餑餑，然而用戶不可能整天隨身攜帶配件，同時這些配件也無法真正地滿足用戶隨時隨地希望充電的要求。
[0003]因此科學(xué)家們希望利用人們在行走或運(yùn)動時的振動能，通過某種簡單的裝置將振動能轉(zhuǎn)換為電能儲存起來(如鞋墊、護(hù)膝等簡單生活用品)，從而實(shí)現(xiàn)對手機(jī)等小功率器件的充電功能，于是有科學(xué)家試圖利用壓電材料來進(jìn)行蓄電從而作為手機(jī)的電源實(shí)現(xiàn)發(fā)電。壓電材料的工作原理為:當(dāng)其受到壓力作用是，其兩個斷面之間會形成電壓，利用這種特性可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械振動和交流電之間的轉(zhuǎn)換。然而利用壓電材料制成的蓄電發(fā)電裝置只能在一定高頻率范圍下工作，對于行走或運(yùn)功過程中發(fā)生的這種頻率較低的振動并不能實(shí)現(xiàn)蓄電發(fā)電功能。同時在振動過程中還需要避免由振動帶來的對裝置的破壞，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)結(jié)構(gòu)的安全保護(hù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種可進(jìn)行蓄電并具有減震效果的多功能結(jié)構(gòu)，當(dāng)該結(jié)構(gòu)受到振動時，將把機(jī)械振動轉(zhuǎn)換為電能從而實(shí)現(xiàn)蓄電發(fā)電功能，此時該結(jié)構(gòu)類似于一個電池塊；同時在振動過程中，該結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個彈性阻尼器，通過吸收振蕩時的能量，可以起到減震的效果。該多功能結(jié)構(gòu)所用的材料成本可控，且質(zhì)量輕便，適合大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。
[0005]為了達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0006]一種可進(jìn)行蓄電并具有減震效果的多功能結(jié)構(gòu)，包括一面帶有凹槽的凹槽結(jié)構(gòu)1，兩塊凹槽結(jié)構(gòu)I的凹槽相對布置，其間設(shè)置有具有減震效果的填充物3，在具有減震效果的填充物3的頂部和底部與凹槽結(jié)構(gòu)I間設(shè)置有蓄電結(jié)構(gòu)2，所述凹槽結(jié)構(gòu)I由彈性高分子材料制作而成，所述蓄電結(jié)構(gòu)2由具有彈性的蓄電材料制作而成，或由彈性高分子材料制作成，在其表面涂有蓄電材料。
[0007]所述凹槽結(jié)構(gòu)I的凹槽形狀為長方體、半橢球體或多種形狀組合。
[0008]所述具有彈性的蓄電材料為介電彈性體或有機(jī)壓電材料。
[0009]所述彈性高分子材料為橡膠、塑料或高分子基復(fù)合材料。
[0010]所述具有減震效果的填充物3的材料為粘土、高分子材料或封裝好的納米流體。
[0011]當(dāng)該多功能結(jié)構(gòu)受到振動時，蓄電結(jié)構(gòu)將不斷的變形然后恢復(fù)到初始狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)將機(jī)械振動轉(zhuǎn)換為交流電的過程，從而達(dá)到蓄電發(fā)電的功能。其一個振動循環(huán)即完成一次機(jī)械振動與交流電之間的轉(zhuǎn)換，同時即便在低頻振動情況下，該結(jié)構(gòu)也可完成有效的蓄電發(fā)電。該多功能結(jié)構(gòu)也將充分發(fā)揮減震的效果，其相當(dāng)于一個彈性阻尼器，將通過吸收振動過程中產(chǎn)生的沖擊能量來起到保護(hù)目標(biāo)結(jié)構(gòu)的作用。在振動過程中該結(jié)構(gòu)將不斷把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為凹槽結(jié)構(gòu)與蓄電結(jié)構(gòu)之間的摩擦、填充物內(nèi)部的摩擦以及填充物與蓄電結(jié)構(gòu)及凹槽結(jié)構(gòu)本身的變形能。而進(jìn)行凹槽處理將使該結(jié)構(gòu)在振動過程中能進(jìn)行充分的散熱。同時由于蓄電結(jié)構(gòu)具有的彈性特點(diǎn)以及填充物本身良好的流動性，該多功能結(jié)構(gòu)在振動過程中可以進(jìn)行持續(xù)不間斷的蓄電發(fā)電并起到良好的減震效果。
[0012]和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0013](I)該多功能結(jié)構(gòu)所用的蓄電材料可以在低頻條件下進(jìn)行有效蓄電，真正的做到了隨時隨地可進(jìn)行充電。
[0014](2)通過改變蓄電材料的制作成分，可以有效控制機(jī)械振動和交流電之間轉(zhuǎn)換的頻率，從而調(diào)節(jié)該結(jié)構(gòu)的蓄電發(fā)電能力。
[0015](3)通過改變凹槽結(jié)構(gòu)的制作材料或者凹槽的形狀，或者是改變填充物的材料，可以有效控制該結(jié)構(gòu)的減震效果，使得其可以廣泛應(yīng)用于各類碰撞保護(hù)。
[0016](4)由于凹槽結(jié)構(gòu)是用彈性高分子材料制作而成，因此即一般的大變形情況下，該結(jié)構(gòu)也很難發(fā)生破裂，并且其磨損破壞的過程也將非常緩慢，適合長期使用。
[0017](5)利用蓄電結(jié)構(gòu)具有的彈性特點(diǎn)以及填充物本身良好的流動性，該多功能結(jié)構(gòu)可以持續(xù)不間斷的蓄電發(fā)電并起到良好的減震效果，實(shí)現(xiàn)了蓄電發(fā)電和緩沖減震的功能多樣化。
[0018](6)該凹槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行開槽處理，有助于該結(jié)構(gòu)內(nèi)部的氣流進(jìn)行流通，從而使其能夠充分散熱，并增大了蓄電結(jié)構(gòu)變形時和凹槽結(jié)構(gòu)的接觸面積。
[0019](7)由于填充物良好的流動性以及蓄電材料本身表現(xiàn)出的彈性，提高了使用時的舒適性和體驗(yàn)感。
[0020](8)該多功能結(jié)構(gòu)采用的材料成本可控，且質(zhì)量相對輕便，適合大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明多功能結(jié)構(gòu)的二維示意圖。
[0022]圖2是本發(fā)明多功能結(jié)構(gòu)蓄電發(fā)電的示意圖。
[0023]圖3是本發(fā)明多功能結(jié)構(gòu)單次循環(huán)振動情況下的吸能示意圖。
[0024]圖4是本發(fā)明多功能結(jié)構(gòu)在振動情況下最大作用力和輸出能量之間的實(shí)驗(yàn)曲線圖。
[0025]圖5是本發(fā)明多功能結(jié)構(gòu)在動態(tài)情況下的應(yīng)力一時間響應(yīng)圖。

【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】，對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0027]下面首先對本發(fā)明的原理和工作過程做如下說明:
[0028]當(dāng)該多功能結(jié)構(gòu)受到壓力擠壓時，蓄電材料將發(fā)生彈性變形，而在卸載后蓄電材料將恢復(fù)到初始狀態(tài)，該過程可以視為一個蓄電發(fā)電的過程。因此當(dāng)該結(jié)構(gòu)受到振動時，即為一個反復(fù)加卸載的過程，從而成功地實(shí)現(xiàn)了將機(jī)械振動轉(zhuǎn)換為交流電，達(dá)到蓄電發(fā)電的功能，其具體的工作過程如圖2所示，圖中的電阻絲位置可以用手機(jī)或其它需要充電的裝置進(jìn)行代替，用本發(fā)明結(jié)構(gòu)給手機(jī)或其它需要充電的裝置進(jìn)行充電。
[0029]在不斷的振動過程中，該蓄電材料的電容將發(fā)生變化，其電容量表達(dá)式可以寫成:
[0030]C= ε 0 ε A/t (I)
[0031]其中ε。為真空介電常數(shù)，ε為蓄電材料的介電常數(shù)，A為蓄電材料的表面積(表面涂有電極材料)，t和b分別為蓄電材料的厚度和體積。在振動過程中，蓄電材料的體積b可以視為常數(shù)，即At = b為常量，因此電容表達(dá)式又可以寫成:
[0032]C = ε。ε b/t2 (2)
[0033]又因?yàn)樾铍姴牧蟽啥穗妷簽?
[0034]V = Q/C (3)
[0035]其中電量Q視為常數(shù)。
[0036]則在受到擠壓時，其兩端電壓可以寫成:
[0037]V1 = QZC1 (4)
[0038]其中C1為擠壓狀態(tài)下的電容量。
[0039]而在恢復(fù)到初始狀態(tài)時，其兩端電壓為:
[0040]V2 = Q/C2 (5)
[0041]其中C2為恢復(fù)到初始狀態(tài)下的電容量。
[0042]根據(jù)式⑷和式(5)，可以得到:
[0043]V2 = (C1ZC2)V1 (6)
[0044]由于C2W1，因此在恢復(fù)到初始狀態(tài)時，蓄電材料兩端的電壓將變大，此時可以視為一個蓄電的過程，而在從初始狀態(tài)變化到擠壓狀態(tài)時，其兩端電壓降減小，該過程可以視為發(fā)電的過程。所以在振動情況下時，該蓄電材料將成功地實(shí)現(xiàn)蓄電發(fā)電的功能，其一個振動循環(huán)提供的能量為:
[0045]E = 0.SC1V12 (CVC2-1) (7)
[0046]同時需要注意的是，該能量輸出和振動的頻率并沒有直接的關(guān)系，僅與該蓄電材料的形狀和大小有關(guān)，因此即便在低頻狀態(tài)下，該蓄電材料也能提供穩(wěn)定的電能。
[0047]該結(jié)構(gòu)在減震方面表現(xiàn)出的良好性能主要是通過其良好的吸能特性實(shí)現(xiàn)的。研究該結(jié)構(gòu)在單次循環(huán)振動下的減震吸能情況，其輸入的機(jī)械能需要克服凹槽結(jié)構(gòu)與蓄電結(jié)構(gòu)之間的摩擦力和填充物內(nèi)部發(fā)生的摩擦力以及蓄電材料和填充物以及凹槽結(jié)構(gòu)本身的變形能，可以表示為:
[0048]E = E1+E2+E3 (8)其中E為該結(jié)構(gòu)吸收的總能量，E1為凹槽結(jié)構(gòu)與蓄電結(jié)構(gòu)之間摩擦消耗的能量，E2為填充物內(nèi)部摩擦消耗的能量，E3為填充物和蓄電結(jié)構(gòu)以及凹槽結(jié)構(gòu)吸收的變形能。
[0049]如圖3所示為該結(jié)構(gòu)單次循環(huán)振動情況下的吸能示意圖，從圖中可以看出，該結(jié)構(gòu)吸收的總能量明顯多于填充物內(nèi)部發(fā)生的摩擦耗散E2和蓄電結(jié)構(gòu)、填充物以及凹槽結(jié)構(gòu)的變形能E3之和，S卩:E>E2+E3。這部分多吸收的能量即認(rèn)為是凹槽結(jié)構(gòu)與蓄電結(jié)構(gòu)之間發(fā)生的摩擦耗散。因此該結(jié)構(gòu)通過吸收振動能，可以發(fā)揮良好的減震效果。
[0050]同時在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行開槽處理，主要考慮到在振動過程中，結(jié)構(gòu)將因?yàn)槟Σ炼a(chǎn)生大量的熱量。通過開槽處理使得該結(jié)構(gòu)在受到擠壓時，氣流能得到有效的流通，從而達(dá)到及時散熱的目的。
[0051]實(shí)施例一
[0052]如圖1所示，本實(shí)施例一種可進(jìn)行蓄電并具有減震效果的多功能結(jié)構(gòu)，先利用聚氨酯制作凹槽結(jié)構(gòu)1，然后將介電彈性體材料制作的蓄電結(jié)構(gòu)2以及粘土作為具有減震效果的填充物3填入到兩塊凹槽結(jié)構(gòu)I間。因此在該實(shí)施例中，介電彈性體材料將作為蓄電結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)蓄電發(fā)電的功能。
[0053]如圖4所示為本發(fā)明結(jié)構(gòu)在振動情況下最大作用力和輸出能量之間的實(shí)驗(yàn)曲線圖。利用振動臺對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試，采用周期性循環(huán)加載，總共進(jìn)行100次循環(huán)，通過調(diào)節(jié)振動幅度來控制最大作用力，圖4所示縱坐標(biāo)為單次循環(huán)加載的輸出能量值。通過該圖可以發(fā)現(xiàn)，最大最用力和輸出能量之間幾乎成線性關(guān)系，同時當(dāng)最大作用力在45N的時候，單次循環(huán)加載的輸出能量值就達(dá)到45mJ左右。將該蓄電材料應(yīng)用到鞋墊設(shè)計(jì)上，假定一個成年人的體重在50Kg，其在跑步時候的最大沖擊力約為體重的2?3倍，則單次循環(huán)加載的輸出能量值約為45KJ?67.5KJ，完全可以在跑步的時候?qū)P3、手機(jī)等電子設(shè)備進(jìn)行充電。
[0054]該結(jié)構(gòu)在減震方面也體現(xiàn)出優(yōu)異的性能，如圖5所示為本發(fā)明多功能結(jié)構(gòu)在動態(tài)情況下的應(yīng)力一時間響應(yīng)圖。利用MTS萬能試驗(yàn)機(jī)對該多功能結(jié)構(gòu)的減震效果進(jìn)行測試，先預(yù)壓到應(yīng)變0.4，然后在應(yīng)變0.4的情況下進(jìn)行一定振幅范圍內(nèi)的動態(tài)測試，設(shè)定頻率為
0.25Hz。從圖5的應(yīng)力一時間響應(yīng)圖中可以看到即便在多個振動循環(huán)后，其應(yīng)力峰值仍然很穩(wěn)定，表明該結(jié)構(gòu)能夠在振動情況下發(fā)揮良好的減震效果。
[0055]實(shí)施例二
[0056]如圖1所示，本實(shí)施例一種可進(jìn)行蓄電并具有減震效果的多功能結(jié)構(gòu)，先利用聚乙烯制作凹槽結(jié)構(gòu)1，然后將有機(jī)壓電材料制作的蓄電結(jié)構(gòu)2以及聚酯樹脂作為具有減震效果的填充物3填入到兩塊凹槽結(jié)構(gòu)I間。
[0057]實(shí)施例三
[0058]如圖1所示，本實(shí)施例一種可進(jìn)行蓄電并具有減震效果的多功能結(jié)構(gòu)，先利用天然橡膠制作凹槽結(jié)構(gòu)1，然后利用聚苯乙烯制作蓄電結(jié)構(gòu)2，制作好蓄電結(jié)構(gòu)2后在其表面涂上介電彈性體材料，最后連同將粘土作為具有減震效果的填充物3填入到兩塊凹槽結(jié)構(gòu)I間。
【權(quán)利要求】
1.一種可進(jìn)行蓄電并具有減震效果的多功能結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括一面帶有凹槽的凹槽結(jié)構(gòu)(I)，兩塊凹槽結(jié)構(gòu)(I)的凹槽相對布置，其間設(shè)置有具有減震效果的填充物(3)，在具有減震效果的填充物(3)的頂部和底部與凹槽結(jié)構(gòu)(I)間設(shè)置有蓄電結(jié)構(gòu)(2)，所述凹槽結(jié)構(gòu)(I)由彈性高分子材料制作而成，所述蓄電結(jié)構(gòu)(2)由具有彈性的蓄電材料制作而成，或由彈性高分子材料制作成，在其表面涂有蓄電材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可進(jìn)行蓄電并具有減震效果的多功能結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述凹槽結(jié)構(gòu)(I)的凹槽形狀為長方體、半橢球體或多種形狀組合而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可進(jìn)行蓄電并具有減震效果的多功能結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述具有彈性的蓄電材料為介電彈性體或有機(jī)壓電材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可進(jìn)行蓄電并具有減震效果的多功能結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述彈性高分子材料為橡膠、塑料或高分子基復(fù)合材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可進(jìn)行蓄電并具有減震效果的多功能結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述具有減震效果的填充物(3)的材料為粘土、高分子材料或封裝好的納米流體包。
【文檔編號】F16F9/30GK104393632SQ201410559391
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年10月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月21日
【發(fā)明者】劉益?zhèn)? 鄧曉彬, 陳曦, 周迦律, 閆淵 申請人:西安交通大學(xué)