CN104393632B - 一种可进行蓄电并具有减震效果的多功能结构 - Google Patents
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Abstract
一种可进行蓄电并具有减震效果的多功能结构，包括一面带有凹槽的凹槽结构，两块凹槽结构的凹槽相对布置，其间设置有具有减震效果的填充物，在具有减震效果的填充物的顶部和底部与凹槽结构间设置有蓄电结构，所述凹槽结构由弹性高分子材料制作而成，所述蓄电结构由具有弹性的蓄电材料制作而成，或由弹性高分子材料制作成，然后在其表面涂有蓄电材料；当该结构受到振动时，将把机械振动转换为电能从而实现蓄电发电功能,此时该结构类似于一个电池块；同时在振动过程中，该结构相当于一个弹性阻尼器，通过吸收振荡时的能量，可以起到减震的效果；该多功能结构所用的材料成本可控，且质量轻便，适合大规模生产和应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种多功能结构，具体涉及一种可进行蓄电并具有减震效果的多功能结构。
背景技术
移动互联网时代的到来，使生厂商越来越注重对智能手机、平板电脑等进行交互设计，以求满足用户更好的人机体验。但是大量的互联网在线活动以及娱乐功能导致电池电量的消耗急剧增加，特别是对于智能手机用户而言，可以随时随地对手机进行充电成为一个非常迫切的需求。因此各种充电器、移动电源也成为手机配件市场上的香饽饽，然而用户不可能整天随身携带配件，同时这些配件也无法真正地满足用户随时随地希望充电的要求。
因此科学家们希望利用人们在行走或运动时的振动能，通过某种简单的装置将振动能转换为电能储存起来(如鞋垫、护膝等简单生活用品)，从而实现对手机等小功率器件的充电功能，于是有科学家试图利用压电材料来进行蓄电从而作为手机的电源实现发电。压电材料的工作原理为：当其受到压力作用是，其两个断面之间会形成电压，利用这种特性可以实现机械振动和交流电之间的转换。然而利用压电材料制成的蓄电发电装置只能在一定高频率范围下工作，对于行走或运功过程中发生的这种频率较低的振动并不能实现蓄电发电功能。同时在振动过程中还需要避免由振动带来的对装置的破坏，实现对目标结构的安全保护。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种可进行蓄电并具有减震效果的多功能结构，当该结构受到振动时，将把机械振动转换为电能从而实现蓄电发电功能，此时该结构类似于一个电池块；同时在振动过程中，该结构相当于一个弹性阻尼器，通过吸收振荡时的能量，可以起到减震的效果。该多功能结构所用的材料成本可控，且质量轻便，适合大规模生产和应用。
为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种可进行蓄电并具有减震效果的多功能结构，包括一面带有凹槽的凹槽结构1，两块凹槽结构1的凹槽相对布置，其间设置有具有减震效果的填充物3，在具有减震效果的填充物3的顶部和底部与凹槽结构1间设置有蓄电结构2，所述凹槽结构1由弹性高分子材料制作而成，所述蓄电结构2由具有弹性的蓄电材料制作而成，或由弹性高分子材料制作成，在其表面涂有蓄电材料。
所述凹槽结构1的凹槽形状为长方体、半椭球体或多种形状组合。
所述具有弹性的蓄电材料为介电弹性体或有机压电材料。
所述弹性高分子材料为橡胶、塑料或高分子基复合材料。
所述具有减震效果的填充物3的材料为粘土、高分子材料或封装好的纳米流体。
当该多功能结构受到振动时，蓄电结构将不断的变形然后恢复到初始状态，实现将机械振动转换为交流电的过程，从而达到蓄电发电的功能。其一个振动循环即完成一次机械振动与交流电之间的转换，同时即便在低频振动情况下，该结构也可完成有效的蓄电发电。该多功能结构也将充分发挥减震的效果，其相当于一个弹性阻尼器，将通过吸收振动过程中产生的冲击能量来起到保护目标结构的作用。在振动过程中该结构将不断把机械能转化为凹槽结构与蓄电结构之间的摩擦、填充物内部的摩擦以及填充物与蓄电结构及凹槽结构本身的变形能。而进行凹槽处理将使该结构在振动过程中能进行充分的散热。同时由于蓄电结构具有的弹性特点以及填充物本身良好的流动性，该多功能结构在振动过程中可以进行持续不间断的蓄电发电并起到良好的减震效果。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)该多功能结构所用的蓄电材料可以在低频条件下进行有效蓄电，真正的做到了随时随地可进行充电。
(2)通过改变蓄电材料的制作成分，可以有效控制机械振动和交流电之间转换的频率，从而调节该结构的蓄电发电能力。
(3)通过改变凹槽结构的制作材料或者凹槽的形状，或者是改变填充物的材料，可以有效控制该结构的减震效果，使得其可以广泛应用于各类碰撞保护。
(4)由于凹槽结构是用弹性高分子材料制作而成，因此即一般的大变形情况下，该结构也很难发生破裂，并且其磨损破坏的过程也将非常缓慢，适合长期使用。
(5)利用蓄电结构具有的弹性特点以及填充物本身良好的流动性，该多功能结构可以持续不间断的蓄电发电并起到良好的减震效果，实现了蓄电发电和缓冲减震的功能多样化。
(6)该凹槽结构进行开槽处理，有助于该结构内部的气流进行流通，从而使其能够充分散热，并增大了蓄电结构变形时和凹槽结构的接触面积。
(7)由于填充物良好的流动性以及蓄电材料本身表现出的弹性，提高了使用时的舒适性和体验感。
(8)该多功能结构采用的材料成本可控，且质量相对轻便，适合大规模生产和应用。
附图说明
图1是本发明多功能结构的二维示意图。
图2是本发明多功能结构蓄电发电的示意图。
图3是本发明多功能结构单次循环振动情况下的吸能示意图。
图4是本发明多功能结构在振动情况下最大作用力和输出能量之间的实验曲线图。
图5是本发明多功能结构在动态情况下的应力—时间响应图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步详细说明。
下面首先对本发明的原理和工作过程做如下说明：
当该多功能结构受到压力挤压时，蓄电材料将发生弹性变形，而在卸载后蓄电材料将恢复到初始状态，该过程可以视为一个蓄电发电的过程。因此当该结构受到振动时，即为一个反复加卸载的过程，从而成功地实现了将机械振动转换为交流电，达到蓄电发电的功能，其具体的工作过程如图2所示，图中的电阻丝位置可以用手机或其它需要充电的装置进行代替，用本发明结构给手机或其它需要充电的装置进行充电。
在不断的振动过程中，该蓄电材料的电容将发生变化，其电容量表达式可以写成：
C＝εoεA/t (1)
其中εo为真空介电常数，ε为蓄电材料的介电常数，A为蓄电材料的表面积(表面涂有电极材料)，t和b分别为蓄电材料的厚度和体积。在振动过程中，蓄电材料的体积b可以视为常数，即At＝b为常量，因此电容表达式又可以写成：
C＝εoεb/t2 (2)
又因为蓄电材料两端电压为：
V＝Q/C (3)
其中电量Q视为常数。
则在受到挤压时，其两端电压可以写成：
V1＝Q/C1 (4)
其中C1为挤压状态下的电容量。
而在恢复到初始状态时，其两端电压为：
V2＝Q/C2 (5)
其中C2为恢复到初始状态下的电容量。
根据式(4)和式(5)，可以得到：
V2＝(C1/C2)V1 (6)
由于C2<C1，因此在恢复到初始状态时，蓄电材料两端的电压将变大，此时可以视为一个蓄电的过程，而在从初始状态变化到挤压状态时，其两端电压降减小，该过程可以视为发电的过程。所以在振动情况下时，该蓄电材料将成功地实现蓄电发电的功能，其一个振动循环提供的能量为:
E＝0.5C1V1 2(C1/C2-1) (7)
同时需要注意的是，该能量输出和振动的频率并没有直接的关系，仅与该蓄电材料的形状和大小有关，因此即便在低频状态下，该蓄电材料也能提供稳定的电能。
该结构在减震方面表现出的良好性能主要是通过其良好的吸能特性实现的。研究该结构在单次循环振动下的减震吸能情况，其输入的机械能需要克服凹槽结构与蓄电结构之间的摩擦力和填充物内部发生的摩擦力以及蓄电材料和填充物以及凹槽结构本身的变形能，可以表示为：
E＝E1+E2+E3 (8)
其中E为该结构吸收的总能量，E1为凹槽结构与蓄电结构之间摩擦消耗的能量，E2为填充物内部摩擦消耗的能量，E3为填充物和蓄电结构以及凹槽结构吸收的变形能。
如图3所示为该结构单次循环振动情况下的吸能示意图，从图中可以看出，该结构吸收的总能量明显多于填充物内部发生的摩擦耗散E2和蓄电结构、填充物以及凹槽结构的变形能E3之和，即：E>E2+E3。这部分多吸收的能量即认为是凹槽结构与蓄电结构之间发生的摩擦耗散。因此该结构通过吸收振动能，可以发挥良好的减震效果。
同时在结构上进行开槽处理，主要考虑到在振动过程中，结构将因为摩擦而产生大量的热量。通过开槽处理使得该结构在受到挤压时，气流能得到有效的流通，从而达到及时散热的目的。
实施例一
如图1所示，本实施例一种可进行蓄电并具有减震效果的多功能结构，先利用聚氨酯制作凹槽结构1，然后将介电弹性体材料制作的蓄电结构2以及粘土作为具有减震效果的填充物3填入到两块凹槽结构1间。因此在该实施例中，介电弹性体材料将作为蓄电结构来实现蓄电发电的功能。
如图4所示为本发明结构在振动情况下最大作用力和输出能量之间的实验曲线图。利用振动台对该结构进行测试，采用周期性循环加载，总共进行100次循环，通过调节振动幅度来控制最大作用力，图4所示纵坐标为单次循环加载的输出能量值。通过该图可以发现，最大最用力和输出能量之间几乎成线性关系，同时当最大作用力在45N的时候，单次循环加载的输出能量值就达到45mJ左右。将该蓄电材料应用到鞋垫设计上，假定一个成年人的体重在50Kg，其在跑步时候的最大冲击力约为体重的2～3倍，则单次循环加载的输出能量值约为45KJ～67.5KJ，完全可以在跑步的时候对MP3、手机等电子设备进行充电。
该结构在减震方面也体现出优异的性能，如图5所示为本发明多功能结构在动态情况下的应力—时间响应图。利用MTS万能试验机对该多功能结构的减震效果进行测试，先预压到应变0.4，然后在应变0.4的情况下进行一定振幅范围内的动态测试，设定频率为0.25Hz。从图5的应力—时间响应图中可以看到即便在多个振动循环后，其应力峰值仍然很稳定，表明该结构能够在振动情况下发挥良好的减震效果。
实施例二
如图1所示，本实施例一种可进行蓄电并具有减震效果的多功能结构，先利用聚乙烯制作凹槽结构1，然后将有机压电材料制作的蓄电结构2以及聚酯树脂作为具有减震效果的填充物3填入到两块凹槽结构1间。
实施例三
如图1所示，本实施例一种可进行蓄电并具有减震效果的多功能结构，先利用天然橡胶制作凹槽结构1，然后利用聚苯乙烯制作蓄电结构2，制作好蓄电结构2后在其表面涂上介电弹性体材料，最后连同将粘土作为具有减震效果的填充物3填入到两块凹槽结构1间。
Claims (5)
1.一种可进行蓄电并具有减震效果的多功能结构，其特征在于：包括一面带有凹槽的凹槽结构(1)，两块凹槽结构(1)的凹槽相对布置，其间设置有具有减震效果的填充物(3)，在具有减震效果的填充物(3)的顶部和底部与凹槽结构(1)间设置有蓄电结构(2)，所述凹槽结构(1)由弹性高分子材料制作而成，所述蓄电结构(2)由具有弹性的蓄电材料制作而成，或由弹性高分子材料制作成，在其表面涂有蓄电材料。
2.根据权利要求1所述的一种可进行蓄电并具有减震效果的多功能结构，其特征在于：所述凹槽结构(1)的凹槽形状为长方体、半椭球体或多种形状组合而成。
3.根据权利要求1所述的一种可进行蓄电并具有减震效果的多功能结构，其特征在于：所述具有弹性的蓄电材料为介电弹性体或有机压电材料。
4.根据权利要求1所述的一种可进行蓄电并具有减震效果的多功能结构，其特征在于：所述弹性高分子材料为橡胶、塑料或高分子基复合材料。
5.根据权利要求1所述的一种可进行蓄电并具有减震效果的多功能结构，其特征在于：所述具有减震效果的填充物(3)的材料为粘土、高分子材料或封装好的纳米流体包。
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