一种石墨烯海水电池示位灯的制作方法

技术领域：

本实用新型属于海洋救生辅助装备技术领域，具体涉及一种石墨烯海水电池示位灯，安装在救生衣肩部显示佩戴人员的位置。

背景技术：
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示位灯是海上船舶救生衣随配的重要装备，人员落水后通过闪烁的灯光显示其位置点，以便于搜救舰船、飞机或被过往船只及时发现；示位灯是solas公约和ino规范要求的强制性配备设备，要求其光亮强度≥0.75cd、灯光连续闪烁时长≮8h，以有效显示落水人员位置。

中国专利200520140402.8公开的一种救生衣示位灯由固定夹、电池、下灯壳、线路板、上灯壳、浸水开关、手动开关、灯罩、反光碗、灯泡、固定带、灯头座组成，在下灯壳上设有一与之相连的固定夹；所述的下灯壳与上灯壳相配合连接；所述的电池、线路板设置在下灯壳与上灯壳形成的空腔中；所述的浸水开关设置在上灯壳上，并与线路板、电池相连接；在上灯壳上设有灯头座，在灯头座上设有反光碗，在反光碗上设有灯泡；在灯头座上设有灯罩，并在灯罩与上灯壳之间设有手动开关；中国专利201420225104.8公开的一种带定位通信功能的新型救生示位灯包括由不导电材料制成的壳体、设于壳体内的北斗定位芯片、北斗通信芯片、微处理器、发光体和用于供电的充电电池组；设于壳体上的落水开关、电源开关、状态指示灯和连接件；微处理器分别与北斗定位芯片、北斗通信芯片、电源开关、状态指示灯和发光体电连接；所述落水开关包括设于壳体上的两个导电金属片，一个导电金属片接地，另一个导电金属片和微处理器电连接；还包括电量检测电路和电量指示灯；所述电量检测电路和电量指示灯均与微处理器电连接；中国专利201720212495.3公开的一种救生艇频闪示位灯包括壳体、设置于所述壳体上的灯罩、设置于所述灯罩内的灯泡，所述壳体包括管状主体、设置在所述管状主体底部的连接法兰、设置在所述管状主体顶面的连接套，所述连接套内设有沿所述管状主体顶面边缘延伸的环形密封槽，所述环形密封槽内设有密封圈，所述连接套上设有透明灯罩，所述灯罩底部开口且灯罩的开口与所述连接套底面贴合，即所述密封圈与所述灯罩底部开口处贴合，所述壳体内设有安装板，所述安装板外边缘与所述管状主体内壁贴合，所述安装板底部设有灯板，所述安装板顶部设有与所述灯板电连接的灯座，所述灯座上设有灯泡，所述灯泡为led灯，所述连接套外圆柱面螺纹连接有锁紧套，所述灯罩底部外表面设有凸缘，所述锁紧套顶部内壁设有向内延伸的压环，所述压环底面与所述凸缘顶面贴合；中国专利201510829986.8公开的一种用于水下机器人的可升降的示位灯标装置，电机固定于罐体底部，丝杠的一端与电机由连接座连接，并用螺钉锁紧，另一端由固定座支撑于罐体顶部，丝杠与托盘通过托盘的丝母固定；示位灯垂直固定在托盘上，示位灯的灯柱由密封盖固定在罐体顶部，灯罩高出罐体顶部；罐体底部设置油囊，平衡罐体内部油压；在罐体底部油囊外设置充油口；所述丝杠垂直于罐体底边设置，且托盘垂直于丝杠。

上述专利产品及现有技术中救生衣示位灯大多采用锂芯一次性电池，锂芯电池在存放期不可避免产生自放电致使电能降低，不能保证示位灯应有的光亮强度和连续闪烁发光时长，电池完全失效的情况也时有发生；锂芯电池寿命短且须定期保养和更换，一艘客船要配备几十件、几百件乃至上千件救生衣，按一衣配一灯配备示位灯，其劳动强度是非常大的；现有示位灯由于电池寿命短、腐蚀性大，故采用示位灯与救生衣分离设计，通过浮绳与救生衣连接，靠示位灯自身极小的正浮力浮漂在水面，露出水面高度只有2--3cm左右，其灯光照距十分有限，特别是大风浪海况下根本无法显示其存在，完全失去了示位灯的有效性，另一方面，示位灯与救生衣分离配置也极易造成示位灯丢失；更突出的问题是锂芯电池存在易燃易爆和易腐蚀的缺陷，在船舶上大量存放有很大的安全隐患，按现行安全管理规定也是不允许的。有人尝试采用具有相应电位差的金属电极(阳极、阴极)制作的海水电池为示位灯供电，其供电效率极低，体积大到难以容忍，特别是电池透水孔采用手动塞封堵，使用时须落水人员手动拔掉手动塞，才能使海水进入电极腔激活电池供电，看似简单的操作，这是非受训人员难以做到的，特别是在船舶意外失事情况下，在恐慌中落水的大众乘员是难以做到的。

在现有导电材料技术领域中，石墨烯是已知导电性能最好的二维晶体材料，其比表面积可达到2630m²/g，厚度只有0.335nm，电子迁移率为200000cm²/﹙v.s﹚、达到光速的1/300，是铜的1.7×10⁶倍，还具有重量轻、机械强度大、相容性好、结构稳定和制备技术成熟等特点，是制备高效海水电池阴极的最好材料。因此，基于石墨烯突出的电化学性能，寻求设计一种能安装在救生衣肩部提高照距、自动激活海水电池供电、使用便捷和安全可靠的示位灯，具有社会和经济效益。

技术实现要素：
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本实用新型的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种石墨烯海水电池示位灯，采用对水溶解氧还原催化效率倍增的石墨烯空穴阴极和镁合金阳极实现海水电池的轻量化，进而实现示位灯的轻量化。

为了实现上述目的，本实用新型涉及的石墨烯海水电池示位灯的主体结构包括灯座、闪烁灯、灯罩、连接柱、固定盘、输入导线、母水密插头和石墨烯海水电池；灯座的上表面中心设置有闪烁灯，闪烁灯的外部扣设有灯罩，灯座的下表面设置有两个连接柱，连接柱与固定盘连接，输入导线的一端穿过固定盘和灯座后与闪烁灯电连接，输入导线的另一端与母水密插头连接，母水密插头与石墨烯海水电池连接；石墨烯海水电池的主体结构包括壳体、水密隔板、隔墙、电极腔、水密腔、石墨烯空穴阴极、镁合金阳极、接线柱、导线、输出导线、水密盖、公水密插头、透水孔和水溶胶膜；壳体的内部由水密隔板分割为下部空间和上部空间，下部空间由两块隔墙等分为三个电极腔，上部空间为水密腔，电极腔的内部设置有由一块石墨烯空穴阴极和两块镁合金阳极构成的电极单元，石墨烯空穴阴极位于镁合金阳极之间，石墨烯空穴阴极和镁合金阳极的顶端均设置有接线柱，接线柱穿过水密隔板进入水密腔，导线通过接线柱将三个电极单元串联后与输出导线连接，输出导线穿过壳体顶部设置的水密盖后与公水密插头连接；壳体上对应电极腔上部和下部的位置处设置有透水孔，透水孔上覆盖有水溶胶膜；输入导线通过母水密插头和公水密插头与石墨烯海水电池连接；石墨烯空穴阴极的主体结构包括石墨烯空穴体、网套和阴极电极芯；石墨烯空穴体的外部除顶面外均套设有网套，石墨烯空穴体的内部中心设置有阴极电极芯，阴极电极芯与接线柱连接；镁合金阳极的主体结构包括镁合金极板和阳极电极芯；镁合金极板的内部中心设置有阳极电极芯，阳极电极芯与接线柱连接。

本实用新型与现有技术相比，采用石墨烯空穴阴极和az31加惰镁阳极海水电池供电，使得闪烁灯的光亮强度≥0.75cd，实测的连续闪烁发光时长可达12h以上，且无腐蚀性，无刺激性有害物质挥发或泄漏，储能期≥5年，在储能期内无须保养，能有效降低管理使用成本，特别是透水孔采用水溶胶膜封闭，浸泡在海水中1—2min即能自动脱落，海水进入电极腔30s即激活石墨烯海水电池，向闪烁灯供电，克服了手工操作的繁琐或贻误，在应急使用时，能有效保证可靠性和有效性，具有体积小，重量轻，照距远，安全可靠和使用便捷的特点。

附图说明：

图1为本实用新型的主体结构原理示意图。

图2为本实用新型涉及的海水电池的主体结构原理示意图。

图3为本实用新型涉及的石墨烯阴极的主体结构原理示意图。

图4为本实用新型涉及的石墨烯阴极的剖面结构原理示意图。

图5为本实用新型涉及的镁合金阳极的主体结构原理示意图。

图6为本实用新型涉及的镁合金阳极的剖面结构原理示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本实用新型做进一步描述。

实施例1：

本实施例涉及的石墨烯海水电池示位灯的主体结构包括灯座1、闪烁灯2、灯罩3、连接柱4、固定盘5、输入导线6、母水密插头7和石墨烯海水电池8；灯座1的上表面中心设置有闪烁灯2，闪烁灯2的外部扣设有灯罩3，灯座1的下表面设置有两个连接柱4，连接柱4与固定盘5连接，输入导线6的一端穿过固定盘5和灯座1后与闪烁灯2电连接，输入导线6的另一端与母水密插头7连接，母水密插头7与石墨烯海水电池8连接。

本实施例涉及的石墨烯海水电池8的主体结构包括壳体10、水密隔板11、隔墙12、电极腔13、水密腔14、石墨烯空穴阴极15、镁合金阳极16、接线柱17、导线18、输出导线19、水密盖20、公水密插头21、透水孔22和水溶胶膜23；壳体10的内部由水密隔板11分割为下部空间和上部空间，下部空间由两块隔墙12等分为三个电极腔13，上部空间为水密腔14，电极腔13的内部设置有由一块石墨烯空穴阴极15和两块镁合金阳极16构成的电极单元，石墨烯空穴阴极15位于镁合金阳极16之间，石墨烯空穴阴极15和镁合金阳极16的顶端均设置有接线柱17，接线柱17穿过水密隔板11进入水密腔14，导线18通过接线柱17将三个电极单元串联后与输出导线19连接，输出导线19穿过壳体10顶部设置的水密盖20后与公水密插头21连接；壳体10上对应电极腔13上部和下部的位置处设置有透水孔22，透水孔22上覆盖有水溶胶膜23；输入导线6通过母水密插头7和公水密插头21与石墨烯海水电池8连接。

本实施例涉及的石墨烯空穴阴极15的主体结构包括石墨烯空穴体30、网套31和阴极电极芯32；石墨烯空穴体30的外部除顶面外均套设有网套31，石墨烯空穴体30的内部中心设置有阴极电极芯32，阴极电极芯32与接线柱17连接。

本实施例涉及的镁合金阳极16的主体结构包括镁合金极板40和阳极电极芯41；镁合金极板40的内部中心设置有阳极电极芯41，阳极电极芯41与接线柱17连接。

本实施例涉及的闪烁灯2的输入电压为3.7—4.2v，光亮强度≥0.75cd，胶合固定在灯座1的内缘上；灯罩3耐腐蚀抗冲击，扣在闪烁灯2上对其进行保护，灯罩3的下边缘与灯座1水密胶合连接固定；连接柱4设有外螺丝；固定盘5设有内螺丝；输入导线6的长度为10cm，输入导线6在灯座1处与闪烁灯2正负极连接，连接处进行绝缘和水密处理；石墨烯海水电池8是闪烁灯2的电源；壳体10、水密隔板11和水密盖20均采用耐腐蚀和介电性能好的ppc环氧乙烯材料3d打印制成；水密隔板11与壳体10和隔墙12的连接处水密胶合；水密腔14用以保证绝缘部件(接线柱17、导线18和输出导线19)的正常运行；石墨烯空穴阴极15的外形尺寸与镁合金阳极16的外形尺寸一致；接线柱17在水密隔板11以上部分的长度为4mm，接线柱17穿过水密隔板11处的间隙进行水密处理；输出导线19的长度为20cm；水密盖20扣盖在壳体10的顶端上与壳体10水密胶合成一体；透水孔22的作用是使海水进入电极腔13激活石墨烯海水电池8；石墨烯空穴体30的组分包括石墨烯、氯化亚铜和环氧树脂固化剂；网套31是由耐腐蚀、抗氧化和介电性能好的环氧乙烯制成的厚度为1.2mm的50目网状袋，网套31的尺寸与石墨烯空穴体30的尺寸相匹配，网套31用以保护结构强度薄弱的石墨烯空穴体30，同时兼有电极间隔栅的作用，既能导出氯离子又能阻止电极间短路；阴极电极芯32和阳极电极芯40的材质均为紫铜丝；镁合金极板40为满足腐蚀速率和所需供电时长要求的az31加惰镁合金板材。

实施例2：

本实施例涉及石墨烯空穴阴极15的制备方法，其工艺过程包括制备共混物、制备电极芯和接线柱以及制备石墨烯空穴阴极共三个步骤：

一、制备共混物：将52质量份电子迁移率＞1800cm²/(v.s)、粒度为1—20um、ph值为6.5的粉体石墨烯和31质量份粒度为600—700um的氯化亚铜粉末投入粉末混合器，再加入13质量份乙酸乙酯﹙c4h8o2﹚，在常温和密封条件下，以300r/min的速度搅拌12min后，再加入4质量份ph值为6.5环氧树脂固化剂，在常温和密封条件下，以300r/min的速度搅拌5min后得到共混物；

二、制备电极芯：将步骤一制备的共混物装入模压模具内，将直径为1.0mm、长度为40mm的紫铜丝通过模压模具上预制的工艺孔插入共混物中心，紫铜丝插入共混物中心的部分作为阴极电极芯32，阴极电极芯32的长度为35mm，紫铜丝伸出共混物的部分为接线柱17，接线柱17的长度为5mm；

三、制备石墨烯空穴阴极：在共混物上施加0.3—0.5kg/cm²的压力进行模压﹙微压﹚塑型，得到植入阴极电极芯32的共混物塑型体，将共混物塑型体除顶面外装进网套31，在常温下自然风干5—6h，使共混物塑型体充分固化，共混物结构分子团间的乙酸乙酯﹙c4h8o2﹚自然挥发去除，形成石墨烯空穴体30，得到石墨烯空穴阴极15。

本实施例制备的石墨烯空穴阴极15的电流密度为690—700ma/cm²，所述空穴是指材料宏观结构分子团之间人为制造的蚁穴状空间，而非自由电子在在共价键上留下的空位，采用石墨烯/氯化亚铜共混技术制备的石墨烯空穴阴极15，对海水溶解氧具有更突出的还原催化效果，空穴结构的石墨烯阴极具有更好的通透性，能够在海水溶液中获得充足的溶解氧，空穴大幅度提高了阴极有效反应面积，具有倍增的溶解氧还原催化效率，采用一块石墨烯空穴阴极15的海水电池就能满足支持两块与其体积(表面积)相同的加惰az31镁合金阳极的要求，实现最佳的电化反应效率比，使海水电池的体积大幅度缩小，重量大幅度降低。

实施例3：

本实施例涉及镁合金阳极16的制备方法，其工艺过程为：首先，将az31加惰镁合金板材裁剪成若干块长度为40mm、宽度为12mm、厚度为3mm的镁合金极板40，在镁合金极板40上端断面中心处，用电钻在延长度方向打出直径为1.0^+0.1mm、深度为35mm的中心孔；然后，将直径为1.0mm、长度为40mm的紫铜丝插入中心孔，紫铜丝插入中心孔的部分作为阳极电极芯41，阳极电极芯41的长度为35mm，紫铜丝伸出中心孔的部分为接线柱17，接线柱17的长度为5mm；最后，沿镁合金极板40的厚度方向进行冷压，使阳极电极芯41与镁合金极板40牢固连接，将镁合金极板40表面磨光，沿镁合金极板40的厚度四周涂镀防腐漆，以保证镁合金极板40在延长和宽平面方向均匀电化腐蚀，得到镁合金阳极16。

实施例4：

本实施例涉及的石墨烯海水电池示位灯使用时，将石墨烯海水电池8装在救生衣能浸泡海水部位的预制兜袋内，将母水密插头7和公水密插头21连接，实现输入导线6与输出导线19的连接，输入导线6与输出导线19连接后的总长度为30cm，能够保证石墨烯海水电池8整体浸泡在海水中获得电解质，将连接柱4外螺丝与固定盘5内螺丝旋紧，固定盘5把灯座1连同闪烁灯2旋压固定在救生衣肩部的预制孔上；石墨烯海水电池8浸泡在海水中1-2min，水溶胶膜23自动脱落，海水通过透水孔22进入电极腔13为石墨烯空穴阴极15和镁合金阳极16提供电解质，30s内激活石墨烯海水电池8，闪烁灯2连续闪烁发光；在海水溶解氧≥5ppm和氯化钠≥3.5％的条件下，石墨烯海水电池8的输出电压为3.7-4.2v，能够提高和增大闪烁灯2的光亮标高和照距；在石墨烯海水电池8储存待用期，透水孔22采用水溶胶膜23封闭，水溶胶膜23能够防止石墨烯空穴阴极15和镁合金阳极16氧化。

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