邱健蓄电池受龟甲启发的全碳纤维夹层复合结构电池的抗冲击性能与残余抗压强度
2026-04-17 20:56:35 点击：次
嵌入式结构电池存在界面脱粘、集成度低和损伤容限不足等问题。本研究受龟壳多层级能量耗散机制启发，采用铺展纬编织物（STW）作为蒙皮、再生碳纤维毡（rCFF）作为芯材，设计制备了全碳纤维夹层结构电池（ACF-SCSBs）。通过系统研究低速冲击（LVI）、冲击后压缩（CAI）性能及机电耦合行为，发现该结构具有优异的抗冲击性能和能量吸收特性。结果表明，低纤维体积分数（FVF，SFS10）的芯材表现出优异的容量保持率（低速冲击后>99%，压缩冲击后>97%）。相比之下，高FVF芯材（SFS50）虽然具有更优异的冲击刚度（在13.4 J冲击能量下达到5.21 kN），但其容量保持率显著降低。本研究首次揭示了结构弹性能量吸收与电池容量衰减速率之间存在显著正相关性，证实芯材FVF是调控抗冲击性能与电化学稳定性的关键参数。微观结构表征表明，CAI过程中隔膜塌缩与离子通道堵塞是容量急剧衰减的主要原因。此外，本研究首次采用红外热成像技术表征CAI失效过程，揭示了损伤演化与温度响应的关联性。该结果为高安全、高可靠性结构能量一体化系统的开发提供了实验依据与设计指导。
为满足航空航天及新能源汽车领域对轻量化的迫切需求，将碳纤维增强聚合物（CFRP）结构与锂离子电池集成以构建多功能结构电池，已成为实现结构功能一体化的关键技术路径[1][2][3]。通过替代传统电池模块，结构电池不仅承担机械载荷，还能减轻系统重量，从而延长续航里程[4]多功能结构电池已在航空航天和汽车领域得到应用，例如CubeSat卫星[5]和特斯拉Model Y车型[3]。结构电池在实际服役中的可靠性与耐久性，特别是在复杂载荷条件下的结构完整性与电化学稳定性，仍是限制其工程化应用的关键挑战[6]。因此系统研究结构电池在不同载荷条件下的力学性能与电化学特性具有重要意义。
目前，结构电池在静态或准静态载荷条件下的机电耦合行为已得到广泛研究，包括拉伸[1]、压缩[7]、振动[8]和弯曲载荷[9]。研究结果普遍表明，电池集成会改变结构的力学性能，而电池的电化学性能通常能保持稳定直至结构达到静态失效应力。Pattarakunnan等人[1]研究了嵌入LiPo电池的复合材料层合板在拉伸载荷下的机电响应特性。结果表明：当复合材料承受递增拉伸载荷直至最终失效时，LiPo电池的能量存储容量与电学性能均未发生改变。Attar等[7]研究发现，锂聚合物电池的集成会降低层压复合材料的压缩刚度和失效应力。值得注意的是，当复合材料承受的载荷达到静态失效应力时，其内阻、容量和充放电电压曲线均保持不变。这些研究表明，电池集成主要影响结构的力学性能，而在准静态载荷条件下对电化学性能的影响相对有限。
实际使用中常见的低速冲击（LVI）事件（如掉落、击打或碰撞）所引发的失效模式与准静态载荷下的失效模式存在本质差异[10]冲击会在结构电池内部产生高度局部化的应力及复杂的损伤模式[11]当冲击能量超过临界阈值时，蒙皮的局部塑性变形可能扳机电池内部短路[12]。此外，冲击后容量衰减通常与电极活性材料剥离及界面损伤相关，且随冲击能量增加而加剧[13]。冲击后压缩（CAI）性能是评估结构损伤容限的关键指标[10]。即使在冲击时未发生即时灾难性失效，电池在后续压缩过程中的残余读档能力及电化学性能演变对其长期可靠服役具有决定性影响[14]然而，关于结构电池在冲击和压缩后冲击（CAI）过程中机电耦合行为的研究仍然十分有限。
从结构设计视角来看，现有嵌入式结构电池可分为层压结构[12]与泡沫夹芯结构[15]两大类。泡沫夹芯结构虽以轻质和能量吸收能力见长，但仍存在若干固有缺陷。泡沫材料与电池之间的显著模量失配会导致界面结合力薄弱，存在较高脱粘风险[10]此外，泡沫材料的变形行为与电池的变形协调性较差，阻碍了冲击能量向可控耗散路径的有效传导。全碳纤维设计方案可解决这些界面问题，但会带来刚度和能量耗散之间的交易。增加纤维体积分数（FVF）虽能提升刚度，却会牺牲芯层的能量吸收能力，从而促使能量向电池转移[12]因此，嵌入式结构电池设计的核心挑战在于实现受控的冲击能量分配与耗散，同时保持LVI和CAI测试中的结构完整性与电化学稳定性。
自然界中发现的生物防具材料为解决这一挑战提供了重要启示[16]作为一种典型的生物防具，龟壳由背甲、腹甲及连接二者的跨链桥组成（图1(a)）。其卓越的抗冲击性能源于背甲内部由皮质骨与松质骨构成的分层夹心结构（图1(b)）。作为致密的胶原纤维-矿物复合材料层，背侧皮质通过高模量实现的读档分布和纤维桥接实现的裂纹阻滞[17][18]，实现了外层的抗冲击性能。中间的松质内层由排列整齐的胶原纤维小梁构成三维网络结构，该结构通过纤维的弹性弯曲、塑性屈曲和渐进断裂吸收大量冲击能量[19]最内侧腹侧皮层呈现正交胶合板状排列结构，提供双轴力学支撑[17]通过这种层级机制，冲击读档在传递过程中被逐步重分配和耗散，显著降低局部应力集中，同时确保整体结构稳定性。该结构范式为工程防护结构提供了理想的仿生模板，兼具增强的抗冲击性与冲击后压缩耐受性。
受此机理启发，本研究提出一种基于密度差的全碳纤维夹芯结构电池（ACF-SCSB）。具体而言，采用展纤机织织物（STW）构建致密外层与支撑层，提供主要结构刚性和抗损伤性能，其作用原理类似龟甲中的皮质骨结构；同时利用再生碳纤维毡（rCFF）形成低密度芯层，对应于松质骨结构。STW织物通过将纤维束展开成薄而宽的扁平纤维层进行制备，如图1(c)所示。与易在较大尺度上产生缺陷积累和性能退化的传统织物不同，STW织物随着尺寸增大表现出显著的强度提升与损伤耐受性增强[20][21][22][23]。.STW织物不仅展现出优异的层间剪切性能和更强的纤维-基体粘附力，还具有交错点少、纱线屈曲度低的结构优势，从而最大限度减少树脂富集现象[24]%%其单层厚度仅为传统织物的1/2至1/3，因此在相同复合材料厚度下，STW可实现2至3倍的铺层数量[25]这种多性向薄层结构特征使材料能够在冲击载荷下通过更多界面的有序分层实现能量耗散，从而提升整体抗冲击损伤能力。rCFFs由随机分布或定向排列的短切再生碳纤维构成，其低堆积密度特性有助于实现结构轻量化（图1(c)）。图1(d, e)展示了所提出的ACF-SCSB整体构型，该设计集成了STW蒙皮、rCFF芯层及嵌入式电池单元。在冲击过程中，这种密度差异促进了载荷向核心区域的重新分配，通过纤维滑移、界面剪切变形和渐进损伤等机制实现能量耗散，从而缓解局部应力集中并延缓损伤向电池方向的扩展。[26]通过设计具有不同FVF（填充分数）的芯层材料，并系统开展LVI（低速冲击）与CAI（压缩后冲击）实验，本研究揭示了结构弹性吸能与电池容量衰减之间的定量关联。实验结果证实，芯层FVF是调控结构抗冲击性能与电化学稳定性的关键设计参数。该发现为高安全性结构储能系统的设计提供了新的理论依据。
图形摘要
引言
目前，结构电池在静态或准静态载荷条件下的机电耦合行为已得到广泛研究，包括拉伸[1]、压缩[7]、振动[8]和弯曲载荷[9]。研究结果普遍表明，电池集成会改变结构的力学性能，而电池的电化学性能通常能保持稳定直至结构达到静态失效应力。Pattarakunnan等人[1]研究了嵌入LiPo电池的复合材料层合板在拉伸载荷下的机电响应特性。结果表明：当复合材料承受递增拉伸载荷直至最终失效时，LiPo电池的能量存储容量与电学性能均未发生改变。Attar等[7]研究发现，锂聚合物电池的集成会降低层压复合材料的压缩刚度和失效应力。值得注意的是，当复合材料承受的载荷达到静态失效应力时，其内阻、容量和充放电电压曲线均保持不变。这些研究表明，电池集成主要影响结构的力学性能，而在准静态载荷条件下对电化学性能的影响相对有限。
实际使用中常见的低速冲击（LVI）事件（如掉落、击打或碰撞）所引发的失效模式与准静态载荷下的失效模式存在本质差异[10]冲击会在结构电池内部产生高度局部化的应力及复杂的损伤模式[11]当冲击能量超过临界阈值时，蒙皮的局部塑性变形可能扳机电池内部短路[12]。此外，冲击后容量衰减通常与电极活性材料剥离及界面损伤相关，且随冲击能量增加而加剧[13]。冲击后压缩（CAI）性能是评估结构损伤容限的关键指标[10]。即使在冲击时未发生即时灾难性失效，电池在后续压缩过程中的残余读档能力及电化学性能演变对其长期可靠服役具有决定性影响[14]然而，关于结构电池在冲击和压缩后冲击（CAI）过程中机电耦合行为的研究仍然十分有限。
从结构设计视角来看，现有嵌入式结构电池可分为层压结构[12]与泡沫夹芯结构[15]两大类。泡沫夹芯结构虽以轻质和能量吸收能力见长，但仍存在若干固有缺陷。泡沫材料与电池之间的显著模量失配会导致界面结合力薄弱，存在较高脱粘风险[10]此外，泡沫材料的变形行为与电池的变形协调性较差，阻碍了冲击能量向可控耗散路径的有效传导。全碳纤维设计方案可解决这些界面问题，但会带来刚度和能量耗散之间的交易。增加纤维体积分数（FVF）虽能提升刚度，却会牺牲芯层的能量吸收能力，从而促使能量向电池转移[12]因此，嵌入式结构电池设计的核心挑战在于实现受控的冲击能量分配与耗散，同时保持LVI和CAI测试中的结构完整性与电化学稳定性。
自然界中发现的生物防具材料为解决这一挑战提供了重要启示[16]作为一种典型的生物防具，龟壳由背甲、腹甲及连接二者的跨链桥组成（图1(a)）。其卓越的抗冲击性能源于背甲内部由皮质骨与松质骨构成的分层夹心结构（图1(b)）。作为致密的胶原纤维-矿物复合材料层，背侧皮质通过高模量实现的读档分布和纤维桥接实现的裂纹阻滞[17][18]，实现了外层的抗冲击性能。中间的松质内层由排列整齐的胶原纤维小梁构成三维网络结构，该结构通过纤维的弹性弯曲、塑性屈曲和渐进断裂吸收大量冲击能量[19]最内侧腹侧皮层呈现正交胶合板状排列结构，提供双轴力学支撑[17]通过这种层级机制，冲击读档在传递过程中被逐步重分配和耗散，显著降低局部应力集中，同时确保整体结构稳定性。该结构范式为工程防护结构提供了理想的仿生模板，兼具增强的抗冲击性与冲击后压缩耐受性。
受此机理启发，本研究提出一种基于密度差的全碳纤维夹芯结构电池（ACF-SCSB）。具体而言，采用展纤机织织物（STW）构建致密外层与支撑层，提供主要结构刚性和抗损伤性能，其作用原理类似龟甲中的皮质骨结构；同时利用再生碳纤维毡（rCFF）形成低密度芯层，对应于松质骨结构。STW织物通过将纤维束展开成薄而宽的扁平纤维层进行制备，如图1(c)所示。与易在较大尺度上产生缺陷积累和性能退化的传统织物不同，STW织物随着尺寸增大表现出显著的强度提升与损伤耐受性增强[20][21][22][23]。.STW织物不仅展现出优异的层间剪切性能和更强的纤维-基体粘附力，还具有交错点少、纱线屈曲度低的结构优势，从而最大限度减少树脂富集现象[24]%%其单层厚度仅为传统织物的1/2至1/3，因此在相同复合材料厚度下，STW可实现2至3倍的铺层数量[25]这种多性向薄层结构特征使材料能够在冲击载荷下通过更多界面的有序分层实现能量耗散，从而提升整体抗冲击损伤能力。rCFFs由随机分布或定向排列的短切再生碳纤维构成，其低堆积密度特性有助于实现结构轻量化（图1(c)）。图1(d, e)展示了所提出的ACF-SCSB整体构型，该设计集成了STW蒙皮、rCFF芯层及嵌入式电池单元。在冲击过程中，这种密度差异促进了载荷向核心区域的重新分配，通过纤维滑移、界面剪切变形和渐进损伤等机制实现能量耗散，从而缓解局部应力集中并延缓损伤向电池方向的扩展。[26]通过设计具有不同FVF（填充分数）的芯层材料，并系统开展LVI（低速冲击）与CAI（压缩后冲击）实验，本研究揭示了结构弹性吸能与电池容量衰减之间的定量关联。实验结果证实，芯层FVF是调控结构抗冲击性能与电化学稳定性的关键设计参数。该发现为高安全性结构储能系统的设计提供了新的理论依据。
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