CN114322662A

CN114322662A - 一种能量收集-储存可穿戴防护设备及其制备方法

Info

Publication number: CN114322662A
Application number: CN202111542375.7A
Authority: CN
Inventors: 龚兴龙; 周建宇; 王胜
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2021-12-13
Filing date: 2021-12-13
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2041-12-13
Also published as: CN114322662B

Abstract

本发明涉及一种能量收集‑储存可穿戴防护设备及其制备方法。所述设备包括能量收集模块与能量储存模块；能量收集模块与能量储存模块通过一个商用整流器相连。所述制备方法包括以下步骤：制备导电剪切变硬胶；制备凯夫拉能量收集模块；制备能量储存模块固态电解质；制备带电极的碳纤维能量储存模块；组装防弹的收集‑储存能量可穿戴防护设备。所述的可穿戴系统集防护、传感与收集能量于一体，可以广泛地应用于各类防护设备中。其可以收集来自外界的能量，并且在该可穿戴系统受到冲击时，可以将冲击信号传递到无线设备上，提示使用者受到冲击的区域，对于风险评估起到重要的作用。

Description

一种能量收集-储存可穿戴防护设备及其制备方法

技术领域

本发明涉及多功能防护技术领域，涉及一种能量收集-储存可穿戴防护设备及其制备方法。

背景技术

多功能防护技术是一类基于传统的防护手段，通过添加新材料、设计新结构等方法赋予传统设计以新的功能，从而提升防护性能，拓宽适用范围，使防护设备多功能化的新型技术。柔性防弹衣正变得越来越重要，在过去的几十年里，一系列柔软的材料被开发出来取代传统的盔甲。其中，凯夫拉与超高分子量聚乙烯因为其高模量成为了这一领域中的明星材料。然而，其虽然可以防止子弹的侵彻，但子弹所携带的巨大动能传递到使用者身上所带来的伤害仍然难以避免。另外，目前的防弹衣大多功能单一，基于此，研究人员逐渐开展相关研究，在拓宽防护范围的基础上使防弹衣智能化、多功能化。

对于冲击能量的耗散，剪切增稠效应作为一种与加载速率明显相关的材料性质，为这一难题提供了潜在的解决方案。研究发现，具有明显剪切增稠效应的剪切增稠液在低应变率下体现出类液体的性质，不会影响可穿戴设备的穿着舒适度。然而，当受到冲击时，其迅速向固态转变，吸收大量能量，从而体现出优良的防护效果。公开号为CN110655072B的中国专利公开了一种剪切增稠液复合石墨烯海绵，其具有良好的灵活性、柔韧性，随着外力的增加，材料的强度增加，是一种性能优异的防护材料，为减少人员与设备损伤提供了一种有效的解决策略。公开号为CN113046024A的中国专利公开了一种公开了一种剪切增稠液/碳纳米管泡沫抗冲击吸能材料。最终所得到的复合材料抗冲击吸能材料质量轻、柔韧性好，抗冲击吸能性能好。

此外，传统的防护设备往往功能单一，适用范围狭窄。摩擦发电作为一种普遍的自然现象，为实现防护设备的多功能化提出了潜在的可能。公开号为CN110864827B的中国专利公开了一种基于织物的柔性摩擦发电机。实现对于人体运动能量的收集，并对于不同模态的人体运动做出感知。进一步地，研究者们为了拓宽所收集能量的利用范围，引入电容器将能量储存起来。然而，对于织物基能量收集-储存可穿戴系统的研究目前还较少，且此类可穿戴系统的力学性能往往较差，需要进一步的研究。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种能量收集-储存可穿戴防护设备及其制备方法，所述可穿戴设备具有收集来自外界的能量并储存起来的功能。此外，该设备具有优异的力学性能，在高速冲击下不仅可以阻止子弹的侵彻，还可以有效地耗散冲击能量，为人体提供有效保护，通过将该设备与蓝牙模块连接，可以将冲击过程中产生的电信号无线传输到手机上，从而起到远程报警的作用。本发明的能量收集储存可穿戴防护设备及其制备方法能量收集装置的原理是纳米发电机，能量储存装置的原理是超级电容器，目前的器件少有将两者连接在一起的。最大的创新处在于能量收集模块基于凯夫拉织物与剪切变硬胶制备，凯夫拉织物本身具有防弹性能，浸渍了环氧树脂后提升了防弹性能。剪切变硬胶由于其独特的率效应，对于冲击有明显的缓冲效果。因此，这一模块可以作为一种先进的多功能可穿戴设备，兼具能量收集-储存、防护以及远程报警的功能。

具体来说，本发明通过如下技术方案实现：

一种能量收集-储存可穿戴防护设备及其制备方法，包括如下步骤：

(1)制备导电剪切变硬胶；

(2)制备凯夫拉能量收集模块；

(3)制备能量储存模块固态电解质；

(4)制备带电极的能量储存模块；

(5)组装防弹的收集-储存能量可穿戴防护设备。

进一步地，步骤(1)中，所述制备导电剪切变硬胶包括：将碳纳米管和羟基硅油及硼化物搅拌形成混合物，将所述混合物加热成块状物，接着加入有机酸使块状物软化，然后放入烘箱中继续加热；所述的硼化物为硼酸、氧化硼或硼化盐。

进一步地，步骤(2)中，所述制备凯夫拉能量收集模块包括：将步骤(1)制得的导电剪切变硬胶通过模具模压为2mm～4mm厚的薄片；得到导电剪切变硬胶薄片；将环氧树脂与固化剂的混合物浸渍在防弹织物上，得到浸渍后的防弹织物；然后将浸渍后的防弹织物包覆在导电剪切变硬胶薄片上。

进一步地，步骤(3)中，所述制备能量储存模块固态电解质包括：将离子化合物与聚乙烯醇以质量比1:1至1:5的比例混合，加热。

进一步地，步骤(4)中，所述制备带电极的能量储存模块包括：将活性炭、炭黑和聚四氟乙烯的混合物溶解在N-甲基吡咯烷酮中以配制电解液；将电解液滴涂在导电碳纤维上，然后将其加热处理，制得能量储存模块电极；

接着，将两份所述的能量储存模块电极平行放置，将步骤(3)制得的能量储存模块固态电解质涂覆在所述电极上，从而组成平行结构的带电极的能量储存模块。

进一步地，步骤(5)中，所述组装防弹的收集-储存能量可穿戴防护设备的步骤包括：将步骤(2)所得的凯夫拉能量收集模块与步骤(4)所得的带电极的能量储存模块通过整流器连接。

进一步地，所述防弹织物层选自凯夫拉和超高分子量聚乙烯中的一种或多种。

进一步地，所述能量储存模块由一个或多个电容器组成。优选地所述多个电容器串联或并联。可选地，所述电容器为超级电容器。

进一步地，所述电容器由两个电极与固态电解质组成。电容器的电极由碳纤维组成，整体电容器为线状。

能量收集-储存可穿戴防护设备，所述设备包含凯夫拉能量收集模块与碳纤维能量储存模块所述凯夫拉能量收集模块与碳纤维能量储存模块通过一个整流器相连。

本发明提供一种根据如上任一项所述的方法制备的能量收集-储存可穿戴防护设备，所述设备的结构包含凯夫拉能量收集模块与能量储存模块；所述凯夫拉能量收集模块连接蓝牙模块；两部分之间通过商用整流器连接。

凯夫拉能量收集模块通过静电耦合效应，当其与其他材料接触-分离的过程中，收集模块表面的电荷与大地之间的电势差又到外部电路产生电荷移动。因此可以有效地将机械能转化为电能。

碳纤维能量储存模块基于超级电容器原理，当在两个电极上施加电场后，溶液中的阴、阳离子分别向正、负电极迁移，在电极表面形成双电层；撤消电场后，电极上的正负电荷与溶液中的相反电荷离子相吸引而使双电层稳定，在正负极间产生相对稳定的电位差。

进一步地，所述的凯夫拉能量收集模块包括外防护层和由碳纳米管、羟基硅油及硼化物形成的剪切变硬胶层，所述外防护层任选地部分地或完全地包覆所述导电剪切变硬胶层；优选地，所述硅油与硼化物的质量比为10:1至40:1；优选地，所述剪切变硬胶层在30摄氏度至200摄氏度的温度下形成。所述剪切变硬胶具有明显的率效应，受到冲击时模量迅速上升，从而起到良好的保护作用。

进一步地，所述的外防护层包括防弹织物层和由环氧树脂及固化剂形成的固化环氧树脂层，所述固化环氧树脂层任选地部分地或完全地浸渍所述防弹织物层；优选地，所述环氧树脂与固化剂的质量比为100:0.3至100:1；优选地，所述碳纳米管的质量分数为1％至4％；优选地，所述固化环氧树脂层在30摄氏度至200摄氏度的温度下形成。将环氧树脂浸渍在Kevlar可以显著增大纱线之间的摩擦系数，从而提升Kevlar的防弹性能。

进一步地，所述的防弹织物选自凯夫拉和超高分子量聚乙烯中的一种或多种。

进一步地，所述碳纤维能量储存模块由多个商用电容器或超级电容器串联或并联组成。所述电容器由两个电极与固态电解质组成。

进一步地，所述电极选自导电碳布、导电碳纤维、碳纳米管膜、MXene膜中的一种或多种。

进一步地，所述固态电解质由离子化合物与聚乙烯醇溶解在乙二醇中形成。优选地，所述离子化合物与聚乙烯醇的比例为1:1至1:5。优选地，所述固态电解质在115摄氏度下形成。所述离子化合物选自H₃PO₄、NaOH、LiCl、Na₂SO₄、KCl等化合物中的一种或多种。

特别地，本发明提供一种能量收集-储存可穿戴防护设备制备方法，所述方法包括以下步骤：

a.将硅油与硼化物以30:1的比例混合；

b.在步骤a所得中加入质量分数为3％的碳纳米管；

c.对步骤b中获得的混合物在180℃下热处理；

d.将环氧树脂与固化剂以100:0.3的比例混合，浸渍在凯夫拉织物上。

e.将步骤c所得利用模具模压为6厘米*6厘米*2毫米厚的薄片，将所得完全包覆在步骤d所得中，并放入真空袋进行抽真空处理。

f.将步骤e所得放入80摄氏度烘箱加热12小时，直达环氧树脂完全固化。

g.称量聚乙烯醇2.5克，称量氯化锂1.25克放入锥形瓶，随后加入40毫升乙二醇。将所得放入磁力搅拌油浴锅，温度设置为115摄氏度，转速设置为350转/分钟，磁力搅拌2小时后倒出。

h.将活性炭、炭黑、聚四氟乙烯以8:1:1的质量比溶解在N-甲基吡咯烷酮中以配制电解液；优选地，将所配制的电解液超声1小时使其分散均匀；

i.将电解液滴涂在电极上，在电极之间填充所述电解质，将所得放入冰箱冷藏固化12 小时；

j.将步骤f所得与步骤i所得通过商用整流器连接，即为一种新型的能量收集-储存可穿戴防护设备；

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明所涉及的新型的能量收集-储存可穿戴防护设备在传统的防护设备的基础上，具有收集能量的功能，通过引入超级电容器，将能量有效地储存起来，便于对能量加以利用。此外，防弹织物赋予了这一设备优异的力学性能，在受到冲击时为使用者提供良好的防护。将这一设备与蓝牙模块连接，可以将冲击过程中产生的电信号远程传输到手机上，协助使用者对于冲击来源做出判断。

附图说明

图1为含有不同质量分数碳纳米管的导电剪切变硬胶的流变性能；

图2为碳纳米管质量分数为3％的导电剪切变硬胶在不同加载条件下的循环稳定性；

图3为含有不同质量分数碳纳米管的剪切变硬胶的电学性能；

图4为对于能量收集模块进行能量收集测试过程中所施加的载荷；

图5为能量收集模块在不同外接电阻下的输出电压与电流；

图6为能量收集模块在不同外接电阻下的输出功率；

图7为能量收集模块在长时间加载下稳定的输出电压；

图8为能量收集模块在不同频率加载下的输出电压；

图9为能量收集模块在落锤冲击下的防护性能；

图10为能量收集模块在不同高度落锤冲击下的力信号大小与缓冲时间；

图11为能量收集模块在不同高度落锤冲击下输出的电压信号大小；

图12为能量收集-储存可穿戴防护设备佩戴在使用者身上示意图；

图13为能量收集-储存可穿戴防护设备通过蓝牙模块，将冲击过程产生的信号传输到手机上；

图14为纯凯夫拉与环氧树脂浸渍后凯夫拉纤维的拔出力；

图15为子弹冲击纯凯夫拉与环氧树脂浸渍后凯夫拉纤维的初始速度-剩余速度曲线；

图16为储能模块在电化学工作站下的充电-放电曲线；

图17为在不同充电电流密度下储能模块的比电容；

图18为能量收集模块为不同电容的商用电容器充电过程中的电压变化曲线；

图19为能量收集模块为不同连接方式的储能模块充电过程中的电压变化曲线；

具体实施方式

下面的实施例所制得的样品的性能参数按照如下测试方法进行测试：

A、测量剪切变硬胶储能模量的具体方式如下：(图1、图2)

剪切变硬胶被模具压制成厚度为1毫米、直径为20毫米的圆柱体。使用商用流变仪(Physica MCR 301,Anton Paar Co.，奥地利)对其流变性能进行表征。

B、测试剪切变硬胶电学性能的具体方式如下：(图3)

剪切变硬胶被模具压制成厚度为边长1厘米的立方体。使用商用阻抗仪测试其电学性能。

C、测量样品在弹道冲击下的防护性能的具体方式如下：(图15)

所使用的弹道冲击测试系统包括气枪(厂家、型号无)，激光测速仪(厂家、型号无)，数字示波器(Tektronix DPO 2014B)和高速摄像机(PHANTOM 2701090-1650)。将直径为 8.1毫米、重量为2克的球形子弹放在气枪的枪膛中。初速度由气压和子弹在膛内的深度控制。气枪发射器的枪口上安装了一个激光测速仪，并连接了一个示波器来测量子弹的初速度。实验样品固定在枪口对面的夹具上，枪口和夹具之间的距离是15厘米。

D、样品在低速冲击下的防护性能的具体方式如下：(图9、图10、图11)

所用的落锤冲击测试系统包括电磁驱动落锤(美特斯工业、ZCJ1302-A)、力传感器(扬州科动、KD3005C)、数字示波器(Tektronix DPO 2014B)、电荷放大器(东华测试、YE5853)。将重量为0.5千克的落锤从不同的高度释放以施加冲击力。在样品下放置一个力传感器，通过电荷放大器连接在数字示波器上，通过记录样品下方受到的冲击力来衡量样品对于冲击能量的耗散能力。

E、测试能量收集模块将外界机械能转化为电能性能的具体方式如下：(图4、图5、图 6、图7、图8)

将一个力传感器(扬州科动、KD3005C)固定在激振器(联能电子、JZK-10)推杆的端部，用于记录接触-分离过程中施加在能量储存模块上的载荷力(单位：牛顿)。将能量储存模块安装在激振器推杆的对面，在力传感器上粘贴一个平板，用于在能量储存模块上施加均匀的面力。将能量储存模块与数字万用表(广州致远、DMM6000)的正极连接，将万用表的负极接地，以记录在不同大小、不同频率加载下的电压(单位：伏特)输出。

F、测试纤维拔出力的具体方式如下：(图14)

将样品裁剪为38毫米*60毫米，利用万能试验机拔出中间的纱线并记录试验机夹头力与位移。

G、测试能量储存模块的基础电容性能的具体方式如下：(图16、图17)

将单个/多个能量储存模块以不同的方式(串联/并联)连接起来，将电容器的两个电极分别连接在电化学工作站(上海辰华仪器、CHI700E)的正负极，通过施加不同的电流密度 (单位：安培/克)来测试电容器的比电容(单位：法拉/克)。

H、测试收集储存能量可穿戴防护设备将外部机械能转化为电能性能的具体方式如下： (图18、图19)

将能量收集模块与能量储存模块通过商用整流器(Telesky、KBU810)连接，将数字万用表的正负极连接在电容器的两端，以记录电容器两端的电压(单位：伏特)变化。

I、收集-储存可穿戴防护设备佩戴在人体身上进行蓝牙传感的具体方式：(图12、图13)

将凯夫拉能量收集模块与蓝牙模块相连接并佩戴在人体身上。蓝牙模块可以将电压信号远程传输到手机上。

实施例1：

一种能量收集-储存可穿戴防护设备的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备导电剪切变硬胶(碳纳米管质量分数为3％)

将100g硅油、2.5g硼酸与3.170g碳纳米管混合搅拌，放入温度为180摄氏度的烘箱中加热2小时，待硅油凝结成块后，加入250μL的正辛酸，待正辛酸使结块软化，再次搅拌。放回温度为180℃的烘箱中继续加热15分钟后取出。制得导电剪切变硬胶。

其中：所述的硅油为深圳市千京科技发展有限公司QK-501羟基硅油，在25摄氏度下粘度为15-30，羟基含量8-9。

图1为含有不同质量分数碳纳米管的导电剪切变硬胶的流变性能；从图上可以看出碳纳米管的引入显著增强了剪切变硬胶的力学性能，且随着剪切频率的上升具有明显的率效应。图2为碳纳米管质量分数为3％的导电剪切变硬胶在不同加载条件下的循环加载实验，结果显示在多次循环加载下，材料具有良好的循环稳定性。图3为含有不同质量分数碳纳米管的剪切变硬胶的电学性能，随着碳纳米管质量分数的上升，导电性也随之变好。

(2)制备凯夫拉能量收集模块：

以下所用原料是新阳科技集团有限公司生产的型号为191/1191A邻苯Orthophthalic resin(是双组分套件产品，包括环氧树脂与固化剂)，粘度为0.30-0.60，胶凝时间为6-18min。将所述双组分套件产品中的环氧树脂与所述双组分套件产品中的固化剂质量比例为100:0.3 的混合物浸渍在凯夫拉织物上(Kevlar 129)，将导电剪切变硬胶通过模具模压为6厘米*6 厘米*2毫米厚的薄片。将浸渍后的织物包覆在导电剪切变硬胶上并放入真空袋抽真空。将真空袋在80摄氏度环境下加热12小时，直到环氧树脂完全固化。制得凯夫拉能量收集模块。

图14为纯凯夫拉与环氧树脂浸渍后凯夫拉纤维的拔出力，从图上可以看出浸渍后凯夫拉纤维的拔出力显著提升。图15为子弹冲击纯凯夫拉与环氧树脂浸渍后凯夫拉纤维的初始速度-剩余速度曲线。

其中：所述抽真空机品牌为XINBAOLONG，型号QH-03GY。

图4为对于能量收集模块进行能量收集测试过程中所施加的载荷，载荷大小稳定为75 牛顿。图5为能量收集模块在不同外接电阻下的输出电压与电流，随着外部电阻载荷的上升，电压信号上升而电流信号下降。图6为能量收集模块在不同外接电阻下的输出功率，通过将电压乘以电流可以得到输出功率，在电阻为10⁷欧姆时达到顶峰。图7为能量收集模块在长时间加载下稳定的输出电压。图8为能量收集模块在不同频率加载下的输出电压，随着加载频率的增加，电压峰值信号随之增加。图9为能量收集模块在落锤冲击下的防护性能。图10 为能量收集模块在不同高度落锤冲击下的力信号大小与缓冲时间，峰值力信号的下降和缓冲时间的上升证明了其优异的防护能力。图11为能量收集模块在不同高度落锤冲击下输出的电压信号大小，冲击能量的提升使得响应的电压输出也得到了提升。

(3)制备能量储存模块固态电解质

将2.5克聚乙烯醇、1.25克氯化锂加入40ml到乙二醇中，形成混合溶液。将所得混合溶液放入锥形瓶，再放入油浴锅；在温度为115摄氏度，转速为350转/分钟条件下处理2小时。制得能量储存模块固态电解质。

其中：所述聚乙烯醇为阿拉丁化学试剂，PVA-224，CAS：9002-89-5；所述氯化锂为嘉善巨枫化工厂，分析纯；所述乙二醇为国药集团化学试剂有限公司，分析纯。

(4)制备带电极的能量储存模块：

将活性炭、炭黑、聚四氟乙烯以8:1:1的质量比溶解在6毫升的N-甲基吡咯烷酮中以配制电解液，其中活性炭、炭黑、聚四氟乙烯分别为1克、0.125克与0.125克。将1-2毫升电解液滴涂在5厘米长的导电碳纤维上，然后将其在80摄氏度环境下加热12小时烘干，制得能量储存模块电极。

接着，将两份上述所制备的能量储存模块电极平行放置，将步骤(3)制得的能量储存模块1-2毫升固态电解质涂覆在所述电极上，然后放入冰箱冷藏固化12小时；从而组成平行结构的带电极的能量储存模块。所述平行结构的带电极的能量储存模块为电容器。所述电容器由两个电极与固态电解质组成；电容器的电极由碳纤维组成，整体电容器为线状。

其中：所述活性炭为先丰纳米，超级电容器用活性炭，XFP01，密度为0.38-0.4克/毫升，粒度为5(±1)微米；所述炭黑为美国CABOT导电炭黑，VXC-72；所述聚四氟乙烯为阿拉丁化学试剂，CAS:9002-84-0；所述N-甲基吡咯烷酮为国药集团化学试剂有限公司，分析纯。所述带电极的能量储存模块为碳纤维能量储存模块(简称为储能模块)。

图16为储能模块在电化学工作站下的充电-放电曲线；图17为在不同充电电流密度下储能模块的比电容，随着电流密度的提升，比电容会有轻微的下降。

(5)组装防弹的收集-储存能量可穿戴防护设备

将商用整流器(telesky-KBP310)交流输入端的正极用导线接通步骤(2)所得的凯夫拉能量收集模块，将商用整流器交流输入端的负极用导线接地。然后，将商用整流器其余的两个输出端分别连接步骤(4)所得的带电极的能量储存模块的两个电极；得到所述能量收集模块与所述能量储存模块的集成器件。将数字万用表接在能量储存模块两端，以记录电压的变化。

然后，将所述集成器件中的凯夫拉能量收集模块与蓝牙模块相连接，得到防弹的收集- 储存能量可穿戴防护设备。蓝牙模块可以将电压信号远程传输到手机上。具体来说，能量收集模块与蓝牙模块是直接连接的，蓝牙模块起到传输信号的功能。而能量收集模块所收集的电能本身为交流电，可以通过商用整流器转化为直流电，从而为能量储存模块充电，起到储存能量的功能。

图12为能量收集-储存可穿戴防护设备佩戴在使用者身上示意图。图13为能量收集-储存可穿戴防护设备通过蓝牙模块，将冲击过程产生的信号传输到手机上。如图12-13所示，前置模块佩戴在使用者胸前衣服上，后置模块佩戴在使用者后背衣服上；前置模块与后置模块均分别连接蓝牙模块。其中，前置模块与后置模块均为能量收集模块与能量储存模块的集成器件，收集能量的同时可以通过蓝牙模块将电压信号无线传输到手机上。

图18为能量收集模块为不同电容的商用电容器充电过程中的电压变化曲线；图19为本发明实施例1制备的能量收集模块为不同连接方式的储能模块充电过程中的电压变化曲线；在受到冲击后仍可以为稳定地为储能模块充能。

实施例2：

导电剪切变硬胶的制备方法如下：(碳纳米管质量分数为1％)

将100g硅油、2.5g硼酸与1.035g碳纳米管混合搅拌，放入温度为180摄氏度的烘箱中 2小时，待硅油凝结成块后，加入250μL的正辛酸，待正辛酸使结块软化，再次搅拌。放回温度为180℃的烘箱中继续加热15分钟后取出。

实施例3：

导电剪切变硬胶的制备方法如下：(碳纳米管质量分数为2％)

将100g硅油、2.5g硼酸与2.092g碳纳米管混合搅拌，放入温度为180摄氏度的烘箱中 2小时，待硅油凝结成块后，加入250μL的正辛酸，待正辛酸使结块软化，再次搅拌。放回温度为180℃的烘箱中继续加热15分钟后取出。

实施例4：

导电剪切变硬胶的制备方法如下：(碳纳米管质量分数为4％)

将100g硅油、2.5g硼酸与4.271g硼酸混合搅拌，放入温度为180摄氏度的烘箱中2小时，待硅油凝结成块后，加入250μL的正辛酸，待正辛酸使结块软化，再次搅拌。放回温度为180℃的烘箱中继续加热15分钟后取出。

分别测试实施例1-4中制得的剪切变硬胶的储能模量，测试方法按照前述测试方法中的 C、测量剪切变硬胶储能模量的具体方式进行，测试结果如下：

碳纳米管质量分数	1％	2％	3％	4％
					最小储能模量(Pa)	4781	24690	62010	118900
最大储能模量(Pa)	384700	456900	546100	727700

最小储能模量在剪切频率为0.1赫兹条件下测得，最大储能模量在剪切频率为100赫兹条件下测得。

硼酸是制备剪切变硬胶工艺中最常见的硼化物。类似地，氧化硼、硼化盐、卤化硼等一系列硼化物均可以参与反应，为最终产物中的硼-氧键引入硼元素，此处不再一一列举。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims

1.一种能量收集-储存可穿戴防护设备的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)制备导电剪切变硬胶；

(2)制备凯夫拉能量收集模块；

(3)制备能量储存模块固态电解质；

(4)制备带电极的碳纤维能量储存模块；

(5)组装防弹的收集-储存能量可穿戴防护设备。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述制备导电剪切变硬胶包括：将碳纳米管和羟基硅油及硼化物搅拌形成混合物，将所述混合物加热成块状物，接着加入有机酸使块状物软化，然后放入烘箱中继续加热；所述的硼化物为硼酸、氧化硼或硼化盐。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述制备凯夫拉能量收集模块包括：将步骤(1)制得的导电剪切变硬胶通过模具模压为2mm～4mm厚的薄片；得到导电剪切变硬胶薄片；将环氧树脂与固化剂的混合物浸渍在防弹织物上，得到浸渍后的防弹织物；然后将浸渍后的防弹织物包覆在导电剪切变硬胶薄片上。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述制备能量储存模块固态电解质包括：将离子化合物与聚乙烯醇以质量比1:1至1:5的比例混合，加热。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述制备带电极的能量储存模块包括：将活性炭、炭黑和聚四氟乙烯的混合物溶解在N-甲基吡咯烷酮中以配制电解液；将电解液滴涂在导电碳纤维上，然后将其加热处理，制得能量储存模块电极；

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5)中，所述组装防弹的收集-储存能量可穿戴防护设备的步骤包括：将步骤(2)所得的凯夫拉能量收集模块与步骤(4)所得的带电极的碳纤维能量储存模块通过整流器连接；将凯夫拉能量收集模块与蓝牙模块相连接。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述凯夫拉能量收集模块包括外防护层和导电剪切变硬胶层，所述导电剪切变硬胶层由碳纳米管和羟基硅油及硼化物形成，所述外防护层任选地部分地或完全地包覆所述导电剪切变硬胶层；优选地，所述硅油与硼化物的质量比为10:1-40:1；优选地，所述导电剪切变硬胶层在30摄氏度至200摄氏度的温度下形成。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述外防护层包括防弹织物层和由环氧树脂及固化剂形成的固化环氧树脂层，所述固化环氧树脂层任选地部分地或完全地浸渍所述防弹织物层；优选地，所述环氧树脂与固化剂的质量比为100:0.3至100:1；优选地，所述碳纳米管的质量分数为1％至4％；优选地，所述固化环氧树脂层在30摄氏度至200摄氏度的温度下形成。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述防弹织物层选自凯夫拉和超高分子量聚乙烯中的一种或多种。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述碳纤维能量储存模块由一个或多个电容器组成；优选地所述多个电容器串联或并联；可选地，所述电容器为超级电容器。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：所述电容器由两个电极与固态电解质组成；电容器的电极由碳纤维组成，整体电容器为线状。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所述电极选自导电碳布、导电碳纤维、碳纳米管膜、MXene膜中的一种或多种。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述固态电解质由离子化合物与聚乙烯醇溶解在乙二醇中形成；优选地，所述离子化合物与聚乙烯醇的质量比例为1:1至1:5；优选地，所述固态电解质在115摄氏度下形成。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于：所述离子化合物选自H₃PO₄、NaOH、LiCl、Na₂SO₄、KCl化合物中的一种或多种。

15.一种根据权利要求1-14任一项所述的方法制备的能量收集-储存可穿戴防护设备，其特征在于：所述设备包含两个部分，为凯夫拉能量收集模块与碳纤维能量储存模块；所述凯夫拉能量收集模块连接蓝牙模块；所述凯夫拉能量收集模块与碳纤维能量储存模块通过一个整流器相连。