CN112693618A - 一种储能-承载一体化的仿生普通翼肋及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于飞机结构设计及仿生结构、蓄电池领域，提供一种储能‑承载一体化的仿生普通翼肋及其制造方法，翼肋具体为：蓄电池单体(4)与含有纤维支撑体的固态电解质(5)依照贝壳层状结构进行排布而形成的蓄电池组块(1)，蓄电池组块(1)形状制备为机翼非主承载组件，蓄电池组块(1)的外表面涂覆绝缘涂层(2)；每个蓄电池单体(4)利用喷涂的导电线路(3)进行串并联导通，并将电信号通过喷涂的导电线路(3)输出至电子设备。本发明不仅蓄电池的单元和单体具有一定的力学性能，同时蓄电池单体依照高强度的贝壳层状结构排布而形成的机翼非主承载翼肋，既具有储能功能，也能够满足实际使用的承载需求。

Description

一种储能-承载一体化的仿生普通翼肋及其制造方法
技术领域
本发明属于飞机结构设计及仿生结构、蓄电池领域，具体涉及基于高强度的仿生结构设计储能-承载一体化的多功能普通翼肋的方法。
背景技术
针对电推进飞机或多电飞机，大量的蓄电池组块安置于飞机内部，占用了飞机上大量的可使用空间。由于飞机对能源的需求较大，因此对蓄电池的需求量也较大，使得蓄电池重量在飞机总重量上具有较大占比。目前，国内外很多学者为了使得飞机结构轻量化，将目光投向多功能的飞机组件研发。但将储能与飞机组件进行一体化的研究，现仍处于起步研发阶段。目前已研发出将储能与小型太阳能无人机的机翼、航空器的蒙皮一体化的设计方法，但由于储能层较薄，该储能的飞机部件可提供的能源供给较少。同时该储能的飞机部件中储能层的承载较小，因此未考虑可承载的储能层结构设计。
发明内容
发明目的
提出一种储能-承载一体化的仿生普通翼肋及其制造方法，设计出既可承载又可储能的多功能机翼非主承载组件，可有效地降低系统重量，节约系统内部空间，增加空间利用率，实现结构轻量化。
技术方案
一种储能-承载一体化的仿生普通翼肋，
蓄电池单体4与含有纤维支撑体的固态电解质5依照贝壳层状结构进行排布而形成的蓄电池组块1，蓄电池组块1形状制备为机翼非主承载组件，蓄电池组块1的外表面涂覆绝缘涂层2；每个蓄电池单体4利用喷涂的导电线路3进行串并联导通，并将电信号通过喷涂的导电线路3输出至电子设备。
蓄电池单体4是由各个电池单元以三明治结构组装而成。
电池单元包括：以碳纤维作为基底材料和集流体的正极6、负极7和含有纤维支撑体的固态电解质5。
机翼非主承载组件包括：普通翼肋。
纤维支撑体包括：玻璃纤维、环氧树脂纤维、陶瓷纤维。
绝缘涂层2如绝缘硅橡胶。
导电线路3是将导电银胶喷涂至翼肋结构上形成的。
一种储能-承载一体化的仿生普通翼肋制造方法，包括：
采用浸泡法将活性物质负载于碳纤维布基底/集流体材料上得到蓄电池正负极材料，并将不导电的纤维支撑体混入到固态电解质的前驱体电解质溶液中；
将负极材料放置于电池单体的模具底部，再倒入含有纤维支撑体的前躯体电解质溶液，待电解质溶液浸入负极材料后进行固化；等电解质没有完全固化时放入正极材料，再次倒入前躯体电解质溶液，待电解质溶液完全浸入正极材料后进行固化；待固化完成后脱掉模具，便得到由正极、含有纤维基底材料的固态电解质和负极以三明治结构组成的电池单体；
利用前期准备好的普通翼肋模具，将电池单体依照贝壳层状结构进行排布，放置于普通翼肋模具中，再向其倒入混有不导电纤维支撑体的固态电解质的前躯体电解质溶液，随后进行固化脱模，便得到具有普通翼肋形状的蓄电池组块；
将导电银胶喷涂至翼肋结构需要导电的地方形成导电线路，从而使得蓄电池单体之间形成串联、并联的线路，并输出有效的电信号；
在翼肋的外表面涂覆上一层绝缘涂层。
有益效果
本发明将储能电池与机翼的非主承载组件进行一体化设计，如普通翼肋，可有效地提高飞机的空间利用率，并可降低飞机的结构重量，从而实现飞机结构轻量化。其次，本发明的电池单体采用碳纤维作为蓄电池电极材料的基底材料和集流体，同时采用含有纤维支撑体的固态电解质作为电解质和隔膜，可提高蓄电池单元的力学性能和电池单体的力学性能；同时，本发明在设计多功能普通翼肋时，引入高强度的仿生结构，将蓄电池的单体按照贝壳层状结构进行排布，可有效地提高多功能普通翼肋的力学性能。
本发明从普通翼肋的储能和承载两种功能出发，不仅蓄电池的单元和单体具有一定的力学性能，同时蓄电池单体依照高强度的贝壳层状结构排布而形成的机翼非主承载翼肋，既具有储能功能，也能够满足实际使用的承载需求。
附图说明
图1是本发明储能-承载一体化的仿生普通翼肋示意图。
图2是本发明多功能普通翼肋的剖面图。
图3是本发明多功能普通翼肋内部的蓄电池单体排布形式示意图。
图4是本发明蓄电池各个单元的组装示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
一种储能-承载一体化的仿生普通翼肋，包括蓄电池单体4与含有纤维支撑体的固态电解质5，依照高强度的贝壳层状结构进行排布而形成的蓄电池组块1，其形状可制备为机翼非主承载组件，如普通翼肋；在以普通翼肋为形状的蓄电池组块1的外表面涂覆有绝缘涂层2；且每个蓄电池单体4利用喷涂的导电线路3进行串并联导通，并将电信号通过喷涂的导电线路3输出至电子设备；其中蓄电池单体4是由各个电池单元(以高强度的碳纤维作为基底材料和集流体的正极6、负极7和含有纤维支撑体的固态电解质5)以三明治结构组装而成。
该翼肋既具有储能功能且具有一定的承载能力。蓄电池组块1是基于高强度的贝壳层状结构将蓄电池单体4和含有纤维支撑体的固态电解质5进行排布而形成的层状复合结构，具有良好的力学性能。
含有纤维支撑体的固态电解质5选择不导电的纤维作为支撑体材料，如玻璃纤维、环氧树脂纤维、陶瓷纤维等；同时该固态电解质5在电池单体和电池组块中也具有隔膜的作用。
绝缘涂层2选择可避免发生变形破坏的柔性绝缘涂层，如绝缘硅橡胶。
蓄电池单体4是将采用高强度的碳纤维作为电极基底材料和集流体的正极6、负极7和采用含有纤维支撑体的固态电解质5，以三明治结构排布形成的电池单体层状复合结构，具有一定的承载能力。
正极6和负极7采用浸泡法将高强度的碳纤维作为基底材料和集流体制备电极材料，使得电极材料具有一定的力学性能，提高了电极材料的抗破坏能力；同时由于碳纤维的比表面积较大，也可提高正、负极材料的活性物质负载量。
将导电银胶喷涂至翼肋结构上作为导电线路3，可降低结构的复杂度，且保证电池的正常使用。
一种储能-承载一体化的仿生普通翼肋的制造方法，该多功能翼肋是由蓄电池组块1及其外表面涂覆的绝缘涂层2、导电线路3而组成。首先，采用浸泡法将活性物质负载于碳纤维布基底/集流体材料上得到蓄电池正极6和负极7材料，并将不导电的纤维支撑体混入到固态电解质5的前驱体电解质溶液中。其次，将负极材料7放置于电池单体的模具底部，再倒入含有纤维支撑体的前躯体电解质溶液，待电解质溶液浸入负极材料7后进行固化；等电解质没有完全固化时放入正极材料6，再次倒入前躯体电解质溶液，待电解质溶液完全浸入正极材料6后进行固化；待固化完成后脱掉模具，便得到由正极6、含有纤维基底材料的固态电解质5和负极7以三明治结构组成的电池单体4(见图4)。其次，利用前期准备好的普通翼肋模具，将电池单体4依照贝壳层状结构进行排布，放置于普通翼肋模具中，再向其倒入混有不导电的纤维支撑体的固态电解质5的前躯体电解质溶液，随后进行固化脱模，便得到具有普通翼肋形状的蓄电池组块1(见图2和3)。利用导电银胶喷涂至翼肋结构需要导电的地方形成导电线路3，从而使得蓄电池单体4之间形成串联、并联的线路，并输出有效的电信号(见图1)。最后，由于飞机机翼的其他组件多采用金属材料，因此为了保证储能-承载一体化的仿生普通翼肋与外部绝缘，在翼肋的外表面涂覆上一层绝缘涂层。本发明的多功能普通翼肋安装于机翼内部使用时，既可作为储能部件提供电能，又具有一定的承载能力，满足普通翼肋的力学性能使用需求，实现降低系统重量、节约系统内部空间、增加空间利用率、实现结构轻量化的目的。

Claims (8)

1.一种储能-承载一体化的仿生普通翼肋，其特征在于，
蓄电池单体(4)与含有纤维支撑体的固态电解质(5)依照贝壳层状结构进行排布而形成的蓄电池组块(1)，蓄电池组块(1)形状制备为机翼非主承载组件，蓄电池组块(1)的外表面涂覆绝缘涂层(2)；每个蓄电池单体(4)利用喷涂的导电线路(3)进行串并联导通，并将电信号通过喷涂的导电线路(3)输出至电子设备。
2.如权利要求1所述的一种储能-承载一体化的仿生普通翼肋，其特征在于，
蓄电池单体(4)是由各个电池单元以三明治结构组装而成。
3.如权利要求2所述的一种储能-承载一体化的仿生普通翼肋，其特征在于，
电池单元包括：以碳纤维作为基底材料和集流体的正极(6)、负极(7)和含有纤维支撑体的固态电解质(5)。
4.如权利要求1所述的一种储能-承载一体化的仿生普通翼肋，其特征在于，
机翼非主承载组件包括：普通翼肋。
5.如权利要求3所述的一种储能-承载一体化的仿生普通翼肋，其特征在于，
纤维支撑体包括：玻璃纤维、环氧树脂纤维、陶瓷纤维。
6.如权利要求1所述的一种储能-承载一体化的仿生普通翼肋，其特征在于，
绝缘涂层(2)如绝缘硅橡胶。
7.如权利要求1所述的一种储能-承载一体化的仿生普通翼肋，其特征在于，
导电线路(3)是将导电银胶喷涂至翼肋结构上形成的。
8.一种储能-承载一体化的仿生普通翼肋制造方法，其特征在于，包括：
采用浸泡法将活性物质负载于碳纤维布基底/集流体材料上得到蓄电池正负极材料，并将不导电的纤维支撑体混入到固态电解质的前驱体电解质溶液中；
将负极材料放置于电池单体的模具底部，再倒入含有纤维支撑体的前躯体电解质溶液，待电解质溶液浸入负极材料后进行固化；等电解质没有完全固化时放入正极材料，再次倒入前躯体电解质溶液，待电解质溶液完全浸入正极材料后进行固化；待固化完成后脱掉模具，便得到由正极、含有纤维基底材料的固态电解质和负极以三明治结构组成的电池单体；
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将导电银胶喷涂至翼肋结构需要导电的地方形成导电线路，从而使得蓄电池单体之间形成串联、并联的线路，并输出有效的电信号；
在翼肋的外表面涂覆上一层绝缘涂层。
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