碳纳米管人工肌肉纤维的制备与驱动性能研究

发布时间：2020-09-21 08:15

　　与生物体肌肉类似,人工肌肉是一种在受到外界刺激(热、光、电、湿度等)时可以产生收缩、弯曲、扭动等形式运动的智能材料,在柔性外骨骼、假体、仿真机器人、变翼飞行器、传感器等领域有广阔的应用前景。碳纳米管纤维集合良好的柔韧性、质轻高强、高导电和高导热等优异的性能于一身,是制备人工肌肉的理想材料之一。然而,目前文献报道过的碳纳米管纤维人工肌肉仍存在结构稳定性差、驱动量小、响应慢、循环性能差等问题,严重限制了此类人工肌肉在实际工程中的应用。本论文基于碳纳米管纤维的多级组装结构,通过电加热和自捻合两种方法制备了结构稳定的人工肌肉纤维,并对其有机溶剂吸附的驱动行为进行了研究。本文的主要内容和结果如下:1.螺旋结构与碳纳米管纤维力学性能的关系:加捻密度改变纤维的直径和捻角,加捻密度越大,纤维的直径越小、捻角越大。牵伸应力主要影响螺旋状纤维的弹簧指数及纤维内部的取向,牵伸应力越大,弹簧指数小,纤维取向度越高,力学强度高,同时断裂延伸率降低,在动态拉伸过程中,螺旋纤维会产生塑性形变,造成弹性模量损耗,循环稳定性差,以上结果对选取最优人工肌肉的结构具有重要意义。2.溶剂吸附型螺旋碳纳米管纤维人工肌肉的驱动行为:比较了不同溶剂驱动纤维的吸附和脱附时间、收缩率,因为丙酮具有低粘度、高极性、低表面张力、以及低沸点,并且在纤维中吸附的体积最大,故吸附丙酮的人工肌肉具有最大收缩率和最高驱动频率。碳纳米管纤维经过浓硝酸和浓硫酸处理后,提高了其对丙酮的浸润和吸附能力,从而提高了人工肌肉的驱动输出性能,纤维人工肌肉的收缩率分别提高了1.4和1.6倍,能量密度从296.65 J/kg分别增加至340.52 J/kg、490.73 J/kg。3.电加热固化碳纳米管纤维螺旋结构:经过1500℃快速电加热处理后,螺旋纤维发生固化,得到了一种稳定的螺旋结构。在10%的应变下,循环拉伸100次后,螺旋纤维仍可以保持很好的循环稳定性,解决了螺旋人工肌肉纤维结构不稳定的弊端。4.自捻合的稳定、高性能的解耦合收缩型人工肌肉:经过自捻合后形成了一种稳定不退捻、不卷曲的双螺旋结构,双螺旋结构的两股纤维扭矩相互平衡,其转动几乎为0°/mm。另外,人工肌肉纤维的收缩率也有所提高,在4.8 MPa的应力下,收缩率可以达到13.3%,能量密度可以达到847.2 J/kg,是哺乳类生物肌肉的22倍,经过400圈循环,收缩率的保留率为84%。5.人工肌肉纤维在电-热-溶剂吸附耦合作用下的驱动行为研究:利用焦耳热可以有效地缩短丙酮蒸发的时间,提高肌肉纤维的频率,当电流为60m A时,脱附时间只需要室温下的58%。调控电流可以实现驱动模式的调节,电流小于80 m A时,是溶剂吸附型人工肌肉;电流为80 m A时,基本没有驱动行为;超过80 m A时,驱动方式转变为电热驱动。结果表明碳纳米管纤维在电流下的驱动主要是由于温度的变化引起的。
【学位单位】：上海大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ127.11;TB383.1
【部分图文】：

Ni-Ti合金,人工肌肉,驱动机制

irvakili 等利用镍钛合金纤维制备了转动的人工肌肉，纤维的上面一段加端不加捻，可以作为一个偏转弹簧，并且在下端表面涂覆一层金增加整个器的导电率，当向纤维施加焦耳热，最大转速可以达到 10500 rpm，此时的量可以达到 16°mm-1，同时产生 4.5%的收缩，重力扭矩达到 8 N·m kg-1， 1-1（a）。在冷却时，热迁移要慢于升温过程，使周期时间增加，频率较究发现，在冷却过程中，利用水或乙醇加速冷却有利于循环效率的提高，将响应时间缩短到毫秒级。在激发时，用到短时高电流给其加热，响应时只有毫秒，可以用皮肤效应来解释其工作机理，短时高频电流在其表面不分布，而内部并没有受到热量的激发，因此，内核部分作为一个偏转弹簧以至使得纤维恢复到原来的长度。Cortez-Vega 等[19]利用 Ni-Ti 合金纤维制弹簧，首先给纤维一个预形变，然后给予其机械约束，在 500 ℃条件下退后形成一个弹簧，如图 1-1（b），他们引入了一个混合动力模型，有效的了 SMA 的滞后效应。

示意图,阳离子,示意图,形变

学硕士学位论文放置在全氟磺酸膜的两侧构成三明治结构，研究了这种三明治复合薄随温度变化的响应关系，如图 1-4。即在 25 ℃ -90 ℃之间，电流与和形变曲率的关系，当温度达到 70 ℃时，阳离子弯曲率减小，50 ℃率较小，形变率随温度的增加而相应的增加，其在温度为 60 ℃时达。相反，50 ℃以上时，阴离子响应形变率较小，阴离子形变曲率增加阴离子响应还是阳离子响应，当温度超过 60 ℃时，人工肌肉的性能降。

蠕动机器人

图 1-5 IEAP 蠕动机器人[40]Figure 1-5 Tthe biomimetic IEAP robot.电聚合物是以聚吡咯、聚苯胺及聚噻吩为代表的一类杂原子掺杂π-π共轭结构的聚合物，其中电子能够在离域大π键中移动，使一定的导电性[41, 42]。在电场作用下，聚合物中的杂原子进行一定原反应，导致聚合物与电解液之间产生离子迁移，而不同尺寸的侧的迁移和积累最终导致聚合物薄膜产生较大的体积变化。苯胺得以从种类繁多的导电聚合物中脱颖而出，得益于其独特的制、优异且稳定的导电性、潜力巨大的多样性结构以及可逆的氧性，也因此被行业内领军人物认定为是目前最具有规模化应用前物材料之一[43]。Uh 等[44]模仿蝴蝶翅膀的运动，研究了一种在磁的导电聚合物人工肌肉。用樟脑磺酸掺杂聚苯胺（PANI）连续制电率高（～270 S cm-1）的纤维，加交流电压时会产生可逆的弯曲

【参考文献】