一种水下粘附能量回收功能一体化材料及其制备方法与应用

本发明属于机械能量回收，具体涉及一种水下粘附能量回收功能一体化材料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、随着海洋资源的不断开发，以及水下环境恶劣、人类的潜水深度有限等客观问题，水下机器人成为海洋开发的重要工具。水下机器人在进行爬行、抓取等作业时需要能稳定粘附且具备循环性能的水下粘附材料。然而目前兼具高粘附强度以及高循环性能水下粘附材料的实现尚存在困难。此外，水下机器人还面临着电池续航时间有限的问题，电池续航问题严重限制了水下机器人进行长时间任务的可能性。综上，水下粘附材料以及水下机器人的供电是目前水下机器人领域亟需解决的两大问题。

2、水下机器人作为能耗设备需要定期充电，而水下环境增加了配备电力系统的复杂性。且水下机器人作业时涉及的爬行、抓取等物理运动能够产生机械能，而这些机械能通常被浪费掉。近年来，利用自供电的能量收集技术已成为能耗设备充电的一种替代方法受到广泛研究。研究者们开发了基于压电、铁电、摩擦电以及电化学这四种机制的能量收集装置。如果水下机器人物理运动所产生的机械能被转化为电能被收集起来为机器人充电，这将是水下机器人领域一个新的突破。这种技术可以让水下机器人在执行任务时在出现能量储备不足的情况能及时获得电能供应。

3、综上，粘附材料的使用以及能量回收材料的使用是水下机器人多功能发展的需求，而多功能集成可减少机器人系统的复杂性。因此，本发明拟开发一种水下循环粘附-能量回收功能一体化材料。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种水下循环粘附-能量回收功能一体化材料。本发明通过具有垂直定向的三维碳材料骨架与高分子溶液的特殊制备得到具有分层结构的水下循环粘附-能量回收多功能材料。其中分层结构中具有垂直孔通道和表面孔结构部分提供水下循环粘附性能，三维碳材料骨架部分提供能量回收性能。所制备得到的材料应用于水下机器人可在保证其稳定工作的同时，回收机器人作业中产生的机械能将其转化为电能，减小能量的浪费和消耗。

2、作为本发明其中一个方面，本发明提供一种水下粘附能量回收功能一体化材料，其中：所述水下循环粘附-能量回收功能一体化材料具有上下层结构不一致的分层结构，上层为三维碳材料骨架结构，下层具有垂直定向孔通道和表面孔结构；其中所述三维碳材料骨架结构是由碳材料所形成的垂直定向三维结构。

3、作为本发明所述的水下粘附能量回收功能一体化材料的一种优选方案：所述上层结构高度与下层结构高度比为0.1-10。

4、作为本发明所述的水下粘附能量回收功能一体化材料的一种优选方案：所述碳材料，包括碳纳米管、石墨烯、活性炭中的一种或几种。

5、作为本发明所述的水下粘附能量回收功能一体化材料的一种优选方案：所述高分子材料包括明胶、聚乙烯醇、导电高分子中的一种或几种，其中，所述导电高分子包括聚苯胺、聚吡咯。

6、作为本发明的另一个方面，本发明提供所述的水下粘附能量回收功能一体化材料的制备方法，其包括以下步骤：

7、(1)制备垂直定向的三维碳材料骨架，将其作为模板材料；

8、(2)将模板材料一部分浸没在高分子溶液中，另一部分暴露在空气中；

9、(3)通过物理作用和/或化学作用将浸没在高分子溶液中的模板材料密封，最终形成具有分层结构的水下粘附能量回收功能一体化材料。

10、作为本发明所述的水下粘附能量回收功能一体化材料的制备方法的一种优选方案：所述高分子溶液的粘度范围为1cs-3000cs。

11、作为本发明所述的水下粘附能量回收功能一体化材料的制备方法的一种优选方案：所述物理作用为物理交联法以及固化，化学作用为化学交联法。

12、作为本发明的另一个方面，本发明提供所述的材料的在制备具有水下循环粘附和/或能量回收功能的材料中的应用。

13、其中，所述三维碳材料骨架结构提供能量回收功能，所述垂直定向孔通道和表面孔结构提供水下循环粘附功能，所述水下粘附能量回收功能一体化材料可作为多功能材料使用，也可单独作为水下循环粘附材料或能量回收材料使用；所述能量回收功能是将机械能转化为电能。

14、其中，所述水下粘附能量回收功能一体化材料能够与集流体、导线以及对电极装配成水下循环粘附-能量回收功能一体化器件，所述器件实现能量回收功能时，电解质环境包括海水、湖水、nacl水溶液、koh水溶液。

15、本发明的有益效果：

16、(1)本发明所述的一种水下循环粘附-能量回收功能一体化材料，通过特殊的分层结构设计实现水下循环粘附与能量回收功能一体化。此外，该材料不仅可作为多功能材料使用，且可单独作为水下循环粘附材料或者能量回收材料使用，适用性较强。

17、(2)本发明所述的一种水下循环粘附-能量回收功能一体化材料，可在辅助水下机器人作业的同时，将机器人作业产生的机械能转化为电能。提供了一种方便、绿色的充电方式，减小能源消耗。

技术特征：

1.一种水下粘附能量回收功能一体化材料，其特征在于：所述水下循环粘附-能量回收功能一体化材料具有分层结构，上层为三维碳材料骨架结构，下层具有垂直定向孔通道和表面孔结构；其中所述三维碳材料骨架结构是由碳材料所形成的垂直定向三维结构。

2.根据权利要求1所述的水下粘附能量回收功能一体化材料，其特征在于：所述上层结构高度与下层结构高度比为0.1-10。

3.根据权利要求1或2所述的水下粘附能量回收功能一体化材料，其特征在于：所述碳材料，包括碳纳米管、石墨烯、活性炭中的一种或几种。

4.根据权利要求1或2所述的水下粘附能量回收功能一体化材料，其特征在于：所述高分子材料包括明胶、聚乙烯醇、导电高分子中的一种或几种，其中，所述导电高分子包括聚苯胺、聚吡咯。

5.权利要求1所述的水下粘附能量回收功能一体化材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的水下粘附能量回收功能一体化材料的制备方法，其特征在于：所述高分子溶液的粘度范围为1cs-3000cs。

7.根据权利要求5或6所述的水下粘附能量回收功能一体化材料的制备方法，其特征在于：所述物理作用为物理交联法以及固化，化学作用为化学交联法。

8.权利要求1所述的材料的在制备具有水下循环粘附和/或能量回收功能的材料中的应用。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：所述三维碳材料骨架结构提供能量回收功能，所述垂直定向孔通道和表面孔结构提供水下循环粘附功能，所述水下粘附能量回收功能一体化材料可作为多功能材料使用，也可单独作为水下循环粘附材料或能量回收材料使用；所述能量回收功能是将机械能转化为电能。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：所述水下粘附能量回收功能一体化材料能够与集流体、导线以及对电极装配成水下循环粘附-能量回收功能一体化器件，所述器件实现能量回收功能时，电解质环境包括海水、湖水、nacl水溶液、koh水溶液。

技术总结
本发明公开了一种水下粘附能量回收功能一体化材料及其制备方法与应用，所述水下循环粘附‑能量回收功能一体化材料具有上下层结构不一致的分层结构，上层为三维碳材料骨架结构，下层具有垂直定向孔通道和表面孔结构；其中所述三维碳材料骨架结构是由碳材料所形成的垂直定向三维结构。本发明，通过特殊的分层结构设计实现水下循环粘附与能量回收功能一体化。此外，该材料不仅可作为多功能材料使用，且可单独作为水下循环粘附材料或者能量回收材料使用，适用性较强。本发明还可在辅助水下机器人作业的同时，将机器人作业产生的机械能转化为电能。提供了一种方便、绿色的充电方式，减小能源消耗。

技术研发人员：徐鸣,夏侯幸子,吴思佳
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13