仿生智能柔性材料设计与制备及其自驱动机理研究

发布时间：2020-08-27 09:51

【摘要】：《中国制造2025》纲要明确提出,智能化是当前新材料与器件发展的战略重点领域,己经成为当前工程科学发展的国际热门前沿。智能柔性材料是指集“感知”、“反馈”、“响应”一体化,能接收驱动信息(如光、热、电、磁、湿度、PH值等),并输出控制作用或机械运动的材料。与传统刚性材料相比,智能柔性材料可根据外界环境变化实现“小激励大响应”,可以适时、动态、精准感知变化,现已广泛应用于各种智能驱动器件与设备。智能柔性材料的设计与制备成为智能化领域一个新兴的、重要的发展方向。作为一种典型的智能柔性材料,智能水凝胶具有丰富的刺激响应模式、线性的驱动力输出特性以及优良的生物相容性,被广泛应用于柔性驱动器、人工肌肉、电子器件、医药器材等领域。然而,在实际应用中,智能水凝胶往往面临包括高负载和多样化刺激源等在内的复杂应用环境要求,这使得智能水凝胶应当具备高力学强度、高响应速率、多重响应模式、多样化自驱动功能等特性。因此,如何兼顾力学特性、智能特性和功能特性,成为智能水凝胶材料设计与制备亟待解决的瓶颈问题。自然界中的野生小麦芒,在具备良好力学强度的同时,通过自身层状结构形式、梯度微孔结构形式和纤维排布形式的相互能融合,根据外界湿度变化进行自驱动变形与运动,为智能柔性材料的研究提供了重要的仿生学启示。本论文以野生小麦芒为生物模本,基于其微观结构特点分别构建了仿生层状微孔结构模型、仿生90°/0°双层网络结构模型和仿生层状梯度微孔结构模型,指导仿生智能柔性材料的设计。基于三种仿生结构模型,以纳米木浆纤维素为增强相,氧化石墨烯为光热转化剂,聚N-异丙基丙烯酰胺温度响应型智能水凝胶为基础材料体系,分别通过模具成型技术、3D打印技术和水热合成技术,成功制备了具备高力学强度、多形式智能响应、高响应速率、多样化形变模式和高效自驱动变形与运动的仿生智能柔性材料,并设计制备出了多个系列的仿生智能自驱动样件。通过力学分析揭示了仿生智能柔性材料静态变形和动态运动的自驱动机理,实现了结构—材料—感知—驱动—功能的一体化融合,为解决智能柔性材料兼顾力学特性、智能特性和功能特性的瓶颈难题,提供了一种行之有效的仿生学新方法。具体研究内容和主要结论如下:(1)以野生小麦芒变形部位分层多孔结构所具有的差异性膨胀变形机理为基础,设计出了具有分层多孔结构特征的仿生层状微孔结构模型。采用模具成型技术成功制备了聚N-异丙基丙烯酰胺温度响应型智能水凝胶。纳米木浆纤维素含量与氧化石墨烯含量的增加,均能提高该型智能水凝胶的交联密度,使其在具有智能感知与自驱动变形的基础上,展现出良好力学强度。通过“一步法”模具成型技术制备的双层结构仿生智能柔性材料,以不同层间溶胀/消溶胀的各向异性为自驱动机理。纳米木浆纤维素与氧化石墨烯含量以及样品尺寸,是影响双层结构仿生智能柔性材料智能特性和功能特性的重要条件。小尺寸样品(即较小的厚度值)具有较高的响应速率和变形度。氧化石墨烯使得双层结构仿生智能柔性材料具备温度和近红外激光双重响应,并在相应刺激下实现了“抓取”与“运输”等简单的功能化应用。(2)以野生小麦芒盖部与脊部纤维排布形式为基础,建立了仿生90°/0°双层网络结构模型。创新性地采用3D打印与真空原位自由基聚合相结合的方法,解决了在含有氧化石墨烯条件下,聚N-异丙基丙烯酰胺温度响应型智能水凝胶反应液的固化成型问题,实现了3D打印仿生智能水凝胶材料的精准成型。纳米木浆纤维素含量是有效控制3D打印仿生智能柔性材料表观粘度、储能模量和损耗模量的重要参数,直接影响可打印特性与结构保持能力。10 mg/mL是仿生智能柔性材料3D打印的最佳纳米木浆纤维素浓度。3D打印制备技术所形成的较小的厚度值以及精密的双层网络结构,可以实现温度/近红外激光刺激下的高响应速率。与模具成型技术相比,3D打印仿生智能水凝胶材料以同种材料精密层状结构间溶胀/消溶胀的各向异性为自驱动机理。不同的3D打印结构模式可以实现不同的自驱动智能变形特性。(3)基于野生小麦芒层状结构形式与梯度微孔结构形式,建立了仿生层状梯度微孔结构模型,弱化了各层结构间因孔径变化过大对响应速率和变形度的不利影响。以N-异丙基丙烯酰胺为单体,4-羟基丁基丙烯酸酯为交联剂,通过水热合成技术成功制备了具有完整梯度结构的聚N-异丙基丙烯酰胺温度响应型智能水凝胶。创新性的采用了包括整体浸渗和局部浸渗在内的氧化石墨烯浸渗法,实现了氧化石墨烯在梯度结构仿生智能柔性材料中的可控分布,有效地控制了热量传递模式及变形区域的范围。以高响应速率为基础,结合结构设计实现了包括仿生“纸盒”、仿生“手掌”、仿生“菊花”和仿生“尺蠖”在内的静态变形和动态运动。(4)纳米木浆纤维素能够提高梯度结构智能水凝胶的交联密度,弱化梯度结构形式,并且未改变相应的氧化石墨烯浸渗能力。纳米木浆纤维素增强梯度结构智能水凝胶在具有良好力学强度条件下,仍具有较高的溶胀/消溶胀速率。随着纳米木浆纤维素含量的增加,各型梯度结构智能水凝胶的杨氏模量值范围先增加后减小,成为影响梯度结构仿生智能柔性材料响应速率的重要材料参数。纳米木浆纤维素含量为2mg/mL时,其力学强度增强效果最大,智能响应过程最稳定。增加近红外激光的功率密度,能够在一定范围内,有效地提升各型梯度结构仿生智能柔性材料的响应速率。(5)梯度结构智能水凝胶在通过纳米木浆纤维素提高力学特性的同时,实现了对智能特性和功能特性的兼顾,以及近红外激光刺激下的多种典型静态变形和动态运动,包括:弯曲变形、卷曲变形、折叠运动、翻转运动和前进/转向运动。通过调控纳米木浆纤维素含量、近红外激光功率密度以及照射方式,仿生智能柔性材料样件实现了“Polymer”静态变形、仿茅蒿菜静态变形、仿章鱼“游泳”动态运动、低功率密度条件下的90°循环翻转、高功率密度条件下的同向循环翻转以及“8”字形避障运动等。通过力学分析构建了曲率变化与变形角度、变形位移、材料属性及激励强度间的对应关系,有效地揭示了仿生智能柔性材料典型静态变形与动态运动的自驱动机理。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB381
【图文】：

电流变液通常是由绝缘油中的介电粒子悬浮液组成的非均匀流体[22]。如图1.2 所示，当施加电场时，液体和颗粒的介电常数之间的差异导致极化并形成偶极矩，引起沿场方向的链中的颗粒团聚以及随后的流体粘度的增加[23]，在无电场条件下呈现牛顿流体特性，在有电场条件且电场强度足够大的条件下呈现宾汉流体特性，其流变性会随着电场强度的增加而增大[24]。图 1.2 电流变液在电场作用下的变化过程[23]Figure 1.2 The variation process of electrorheological fluid under electric field[23]按照操作模式的不同，电流变液通常被划分为挤压、剪切和流动三种模式[25]。在挤压模式下，电流变液在两个电极之间被压缩。在剪切模式中，电流变液用于调节两个彼此滑动表面之间的摩擦。在流动模式中，电场激活的电流变液可以充当微型阀。例如，当电流变液在通道中被激活时，通过该通道的流体速度可被减慢甚至停止[26-28]。以此为基础，电流变液可以用作触觉显示器[29, 30]、微型阀门和驱动器[31](如图 1.3 所示)、电流变减震器[32]等，具有较为广泛的应用领域。图 1.3 使用电流变液阀门引导流体偏转的弯曲悬臂[31]Figure 1. 3 Bending cantilever that is

图 1.2 电流变液在电场作用下的变化过程[23]gure 1.2 The variation process of electrorheological fluid under electric fie照操作模式的不同，电流变液通常被划分为挤压、剪切和流动三种模模式下，电流变液在两个电极之间被压缩。在剪切模式中，电流变液彼此滑动表面之间的摩擦。在流动模式中，电场激活的电流变液可以例如，当电流变液在通道中被激活时，通过该通道的流体速度可被减6-28]。以此为基础，电流变液可以用作触觉显示器[29, 30]、微型阀门和驱动器 所示)、电流变减震器[32]等，具有较为广泛的应用领域。

吉林大学博士学位论文agnetorheological Fluid)是指由微米或纳米级的磁液体悬浮液[2, 33]，是一种可控的流体，如图 1.4 所性颗粒将形成偶极凝胶，在沿着磁场的方向排牛顿流体状态转变为低流动性、高黏度的宾汉流液转化速度快，能在毫秒级时间内完成连续、可场之后，磁流变液会恢复良好的流动性。磁流变强度以及磁性颗粒的浓度、尺寸和类型等。

本文编号：2805944