一种基于3D打印的石墨烯-聚二甲基硅氧烷压电储能鞋垫设计方法与流程

一种基于3d打印的石墨烯
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聚二甲基硅氧烷压电储能鞋垫设计方法
技术领域
1.本发明涉及能量转换领域，具体是一种基于3d打印技术制作的石墨烯和pdms压电材料的压电鞋垫设计，实现将人运动过程中足底压力产生的机械能转换为电能的能量转换。


背景技术：

2.人体行走或其他运动时足底与地面接触会产生机械能，如果能将行走产生的机械能转化为电能加以储存和利用，将是一种获取能源的良好选择，可以通过人体运动随时转化。利用压电材料的压电效应，在压力作用下产生变形，进而引起内部的电阻值/电荷量变化产生电势差，实现机械能
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电能的转化。
3.传统的压电鞋垫采用压电陶瓷(pzt)或聚偏氟乙烯(pvdf)材料。由于压电陶瓷重量大，且含有重金属铅，长期使用危害人体健康，而pvdf敏感度受温度影响较大。本发明采用新型压电材料聚二甲基硅氧烷(pdms)，质轻柔软且无毒害，性能稳定，适合长期使用。
4.3d打印技术通过将三维实体的数字模型切片，利用计算机控制逐层打印的方式来制造物体的技术，这种技术的特点在于设计自由度高，几乎可以造出任何形状的物品，实现“个性化”定制。因此，本发明采用一种熔融沉积成型(fdm)的3d打印技术，制作橡胶保护层与g
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pdms压电板，使鞋垫更加贴合足底。
5.结合以上材料特性与制造方法设计一种g
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pdms压电储能鞋垫，使其实现机械能
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电能的转化与能量的储存利用。


技术实现要素：

6.本发明设计了一种基于3d打印技术制作的g
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pdms压电储能鞋垫，可将行走过程中足底产生的机械能转化为电能，作为移动电源装置。
7.根据本发明的3d打印g
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pdms压电鞋垫装置，自上而下依次设置了顶部保护层、压电层、底部支撑层。
8.本发明中的顶部保护层由吸汗除菌层和橡胶保护层组成，吸汗除菌层贴合在橡胶保护层的顶部：
9.上述的吸汗除菌层包括带若干气孔的海绵和竹炭纤维；
10.上述的橡胶保护层采用熔融沉积成型(fdm)的3d打印技术制造，通过扫描采集足底形状数据，再制作三维模型，使用切片软件导入3d打印机中，层层制造得到，其表面贴合人体足底形状。
11.本发明中的压电层包括发电模块和控制模块：
12.上述的发电模块包括g
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pdms压电板、铜导线、橡胶封装，控制模块包括开关、微型锂电池、usb接口。
13.上述的g
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pdms压电板采用3d打印技术制造。将丙烯酸树脂:石墨烯:pdms按照质量
比0.5:1.5:5的比例混合，将悬浮液机械搅拌1小时，得到打印油墨。采用墨水3d打印方法，使用直径2mm的喷嘴挤出，打印速度为3mm/s，内部为蜂窝结构，置于80℃环境中保温90分钟固化。将制好的压电板置于足弓和足跟处，上下顶端连接铜导线。
14.作为优选，每个蜂窝结构单元对角线长度选择为12mm，线条厚度选为2mm。
15.上述的橡胶封装包裹在g
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pdms压电板外，厚度为1mm，靠近控制模块的一端设有小孔。
16.上述的铜导线使用绝缘层包裹，并穿过包裹在g
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pdms外的橡胶封装小孔延伸出来。
17.上述的开关、微型锂电池和usb接口通过导线与g
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pdms压电板串联，组成闭合电路。
18.本发明中的底部支撑层使用橡胶材质，黏附在压电层下方。
19.本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
20.1、压电材料采用新型压电材料g
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pdms，此成分与压电陶瓷和pvdf相比，更质轻柔软、功能稳定且长期使用对身体无毒害。
21.2、顶部保护层和压电层均使用3d打印技术制作而成，其线条极度贴合足底形状，增大了压电材料与足底的接触面积，提高机械能
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电能的能量转化效率。且能够完美地包裹住足底，柔软舒适。
附图说明
22.图1为基于3d打印技术的g
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pdms压电鞋垫装置结构分解示意图；
23.图2为顶部保护层的侧视剖面示意图；
24.图3为压电层的侧视剖面示意图；
25.图4为此压电鞋垫装置的基本电路图；
26.图5为举例中对蜂窝状结构单元的施力示意图，为随时间变化的正弦曲线，压强峰值10kpa，周期2s，施加时间1s；
27.图6为模拟的蜂窝状结构单元上表面受到10kpa压强时产生形变的示意图；
28.图7为蜂窝状结构单元受到如图5所示压强时空腔上下表面产生的电势差随时间变化曲线；
29.图中：1
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吸汗除菌层，2
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橡胶保护层，3
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压电层，4
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橡胶支撑层；
30.31
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g
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pdms压电板，32
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usb接口，33
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开关，34
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微型锂电池，35
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橡胶封层。
具体实施方式
31.为了更加清晰地揭示本发明的目的，原理以及技术方案，下面结合实施例及附图对本发明作进一步的描述。应当理解，本实例只适用于对本发明进行进一步的详细说明，并不用于限定本发明，不能理解为对本发明保护范围的限制。
32.本实施例以图1所示鞋垫装置为例进行说明，人在行走过程中，足跟处受到的压强最大，其次是足弓到脚趾的部分，因此在这两个部位之下安装g
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pdms压电板，将人在行走过程中足底产生的机械能转化为电能，并使用锂电池收集起来，连接usb接口加以利用，添加一个开关可以控制电能的输出，以整个装置实现能量的回收与利用，达到节约能源的目的。
33.如图2所示，本发明的顶部保护层包含吸汗除菌层1和橡胶保护层2，吸汗除菌层1的材质为高密度海绵与竹炭纤维，橡胶保护层2为3d打印制作，贴合足底形状，贴在吸汗除菌层1的足跟和脚掌处，增大足底与压电材料的接触面积，提高能量转化效率。吸汗除菌层1可达到吸汗、吸汗除菌的效果，防止脚汗污染。
34.如图3所示，本发明的g
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pdms压电板31同样位于足跟和脚掌处，两个压电板中间是控制模块，即usb接口32、开关33以及微型锂电池34，依次通过铜导线与g
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pdms压电板串联。g
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pdms压电板31内部蜂窝结构，受到压力产生形变，其孔内部空腔表面的电荷发生转移，进而产生电势差，通过导线收集到微型锂电池34中储存起来，可通过开关33控制电量从usb接口32释放，连接小灯泡、手机等用电器进行使用。此外，蜂窝结构受到压力产生形变后具有很好的恢复性，结构稳定，可长期使用。
35.本发明中底部支撑层4为橡胶材质，与吸汗除菌层1都有缓冲压力的作用。
36.本发明提供的一种基于3d打印的石墨烯
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聚二甲基硅氧烷(g
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pdms)压电板，通过人运动时足底与地面接触产生的机械能，使g
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pdms压电板承受压力向下产生形变，其蜂窝空腔接触并且发生电荷转移，进而上下腔产生电势差，通过导线传输至锂电池收集起来，通过开关控制电能的输出。将科学技术与能量转换、能源保护紧密联系。
37.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。