环境刺激响应性柔性驱动器的设计制备及其应用研究
发布时间：2021-07-09 11:58
随着电子信息技术的飞速发展,环境刺激响应性智能材料应运而生并逐渐向智能化、柔性可穿戴以及多功能集成化方向发展。柔性驱动器作为智能材料的重要分支,在保留智能材料对外界环境刺激快速响应性的同时还要满足大尺度弯曲变形性、优异的循环稳定性以及多重刺激响应性,在康复理疗、智能开关、人工肌肉以及柔性机器人等新兴领域有着广泛的应用前景。当前报道的一些柔性驱动器存在各种各样的问题,包括:制备工艺复杂、成本高、环境污染大、驱动器性能不稳定、刺激源苛刻、刺激选择性单一等,要满足当前对柔性驱动器具有高柔性、快速及多重刺激响应性、大尺度弯曲变形性、优异的循环稳定性、驱动过程环保安全无污染的高标准、高要求还有一定距离,这大大限制了柔性驱动器在未来新兴智能化体系中的应用及发展。因此,选择一些环境友好型材料、采用简单便捷的加工方法制备出具有多重刺激响应性的柔性驱动器势在必行。本论文综述了智能材料以及柔性驱动材料的发展过程,详细阐述了目前集中研究的一些柔性驱动材料,及不同刺激响应性柔性驱动器的制备及应用研究现状。论文中从一些能够对环境中的光、热、湿气等刺激迅速感知并产生响应行为的新型功能材料出发,在不改变材料基本性能...
【文章来源】：东华大学上海市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：131 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
智能材料的组成及各部分功能介绍Figure1.1Introductiontothecomponentsandfunctionsofsmartmaterials
东华大学博士学位论文目录4后通过添加剂以及结构方面的设计，制备成多重刺激响应性驱动器[18]。此外，凝胶类驱动材料还具有很多优异的性能，包括质轻、生物相容性好、生物可降解以及制备方法简单方便等[22-23]，在未来柔性驱动领域中具有较大的应用前景。此外，液晶类聚合物材料（LC）以及形状记忆类聚合物材料(SMPs)由于其优异的性能，近年来在柔性驱动材料方面具有较多研究。图1.2不同材料的杨氏模量对比[15,18,28]Figure1.2Young"smodulusvaluesofdifferentmaterials（1）柔性液晶聚合物类驱动材料液晶高分子是一类在特定条件下能以液晶相存在的高分子化合物，液晶相是一类具有极性的呈棒状排列的分子结构，该结构在外界环境刺激下会发生重排，当外加电场消除后，液晶相又会重新回到其初始状态[24-26]。因此，将液晶高分子与聚合物材料复合制备成的液晶弹性体以及液晶高分子网络在柔性驱动器中应用较多。其中液晶弹性体是一类轻度交联的液晶高分子聚合物，有类似于橡胶的特性，液晶高分子网络具有较为密集的交联网络结构，同时在分子排列方面更加规整，因此具有较大的形变潜能[24,27]。（2）柔性形状记忆类驱动材料形状记忆类聚合物材料是一类新型的功能高分子材料，该类材料在受到外界环境刺激时可以将聚合物的当前形态固定下来（一般该状态为聚合物的结晶态或玻璃态），当聚合物受到光、热、溶剂、pH等刺激后，大分子结构瞬间被激活，聚合物构型发生转变，最后恢复到其原始状态[22,29]。1.3.2.2柔性碳基驱动材料[18]碳基材料中最火热且被广泛研究的当属碳纳米管和石墨烯了。碳纳米管质轻、力学强度高，此外还具有优异的导电、导热、以及化学稳定性，在航空航天、交通运输、建筑、医疗以及传感领域都有着广泛的用途[
东华大学博士学位论文目录5与一些柔性基材复合制备成柔性的纤维或薄膜基驱动器，实现在光、热、电刺激下的驱动效果。Hu[37]等人将碳纳米管（CNT）与聚二甲基硅氧烷（PDMS）弹性体复合制备了一种高柔性的复合薄膜基驱动器，该驱动器在外界光照下可以发生弹指性跳跃运动，如图1.3（a）所示。另外，Zhang[38]等人将单壁碳纳米管（SWNT）与聚碳酸酯基材（PC）复合制备成柔性的双层复合薄膜基驱动器，可以在红外光照下发生可控的弯曲变形行为。此外，通过筛选不同手性分布碳纳米管，得到了特定光响应性的驱动薄膜，实现了驱动材料对刺激光源的定向选择性，如图1.3（b）所示。图1.3（a）CNT/PDMS柔性驱动薄膜在光照下的弹指运动过程，包含（i）能量积聚过程和（ii）能量释放过程[37]，（b）PC/SWNT柔性复合薄膜在光照下的弯曲-回复过程[38]Figure1.3(a)SchematicillustrationoftheflickingfingerbehaviorofCNT/PDMSflexiblemembrane-basedactuatorunderlightstimulation,includingenergyaccumulationprocess(i)andenergyreleaseprocess(ii),(b)Reversiblebending-recoveryprocessoftheflexiblePC/SWNTcompositemembraneunderlightirradiation氧化石墨烯，即石墨烯的氧化产物，通过在石墨烯上引入大量的含氧官能团制得，具有优异的物理、化学、电学、光学性能。氧化石墨烯上引入的大量含氧官能团使其具有优异的亲水性，能够均匀稳定的分散在在水中，通过蒸发溶剂以及抽滤操作可以快速制得具有较高柔性的氧化石墨烯薄膜。已经有相关报道直接对氧化石墨烯薄膜进行简单的物理、化学处理来制备具有较高柔性驱动薄膜材料。例如：Cheng[39-40]等人采用蒸发溶剂法制得柔性的GO薄膜，在单侧湿气以及红外光照刺激下该薄膜可以发生快速可逆的弯曲-?
【参考文献】：
期刊论文
[1]电致伸缩材料的研究进展[J]. 张涵琦. 当代化工研究. 2018(12)
[2]智能材料和智能结构的发展现状[J]. 鄢健宇,王勇越,李培培. 技术与市场. 2017(05)
[3]可将机械能转变成电能的介电弹性体研究进展[J]. 戈风行,杨丹,田明,宁南英,武文杰,张立群. 材料科学与工艺. 2016(05)
[4]智能材料与结构发展现状浅析[J]. 高飞,唐宁,李晓. 建材发展导向. 2016(12)
[5]电活性介电弹性体的本构理论和稳定性研究进展[J]. 刘立武,李金嵘,吕雄飞,李丰丰,刘彦菊,冷劲松. 中国科学:技术科学. 2015(05)
[6]阳离子诱导海藻酸水溶液凝胶化的临界行为与自相似性[J]. 鲁路,刘新星,童真. 高分子通报. 2008(11)
[7]电流变流体与电流变技术[J]. 俞铁岳,黄豪彩,黄宜坚. 福建电脑. 2003(09)
[8]磁流变流体的磁流变效应[J]. 司鹄,彭向和. 重庆大学学报(自然科学版). 2003(05)
[9]碳纳米管应用研究[J]. 潘晖,曹全喜,佟丽英,周晓华. 微纳电子技术. 2002(09)
[10]电流变技术与磁流变技术[J]. 魏铁华,杨晓红. 水利电力机械. 2002(02)
博士论文
[1]可见与近红外光致形变液晶高分子材料的研究[D]. 吴伟.复旦大学 2012
硕士论文
[1]驱动器效率和力学性能提高及变形变色功能的研究[D]. 王东兴.上海大学 2017
[2]海藻酸盐制备纳米材料的研究[D]. 王兵兵.青岛大学 2009
本文编号：3273703
【文章来源】：东华大学上海市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：131 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
智能材料的组成及各部分功能介绍Figure1.1Introductiontothecomponentsandfunctionsofsmartmaterials
东华大学博士学位论文目录4后通过添加剂以及结构方面的设计，制备成多重刺激响应性驱动器[18]。此外，凝胶类驱动材料还具有很多优异的性能，包括质轻、生物相容性好、生物可降解以及制备方法简单方便等[22-23]，在未来柔性驱动领域中具有较大的应用前景。此外，液晶类聚合物材料（LC）以及形状记忆类聚合物材料(SMPs)由于其优异的性能，近年来在柔性驱动材料方面具有较多研究。图1.2不同材料的杨氏模量对比[15,18,28]Figure1.2Young"smodulusvaluesofdifferentmaterials（1）柔性液晶聚合物类驱动材料液晶高分子是一类在特定条件下能以液晶相存在的高分子化合物，液晶相是一类具有极性的呈棒状排列的分子结构，该结构在外界环境刺激下会发生重排，当外加电场消除后，液晶相又会重新回到其初始状态[24-26]。因此，将液晶高分子与聚合物材料复合制备成的液晶弹性体以及液晶高分子网络在柔性驱动器中应用较多。其中液晶弹性体是一类轻度交联的液晶高分子聚合物，有类似于橡胶的特性，液晶高分子网络具有较为密集的交联网络结构，同时在分子排列方面更加规整，因此具有较大的形变潜能[24,27]。（2）柔性形状记忆类驱动材料形状记忆类聚合物材料是一类新型的功能高分子材料，该类材料在受到外界环境刺激时可以将聚合物的当前形态固定下来（一般该状态为聚合物的结晶态或玻璃态），当聚合物受到光、热、溶剂、pH等刺激后，大分子结构瞬间被激活，聚合物构型发生转变，最后恢复到其原始状态[22,29]。1.3.2.2柔性碳基驱动材料[18]碳基材料中最火热且被广泛研究的当属碳纳米管和石墨烯了。碳纳米管质轻、力学强度高，此外还具有优异的导电、导热、以及化学稳定性，在航空航天、交通运输、建筑、医疗以及传感领域都有着广泛的用途[
东华大学博士学位论文目录5与一些柔性基材复合制备成柔性的纤维或薄膜基驱动器，实现在光、热、电刺激下的驱动效果。Hu[37]等人将碳纳米管（CNT）与聚二甲基硅氧烷（PDMS）弹性体复合制备了一种高柔性的复合薄膜基驱动器，该驱动器在外界光照下可以发生弹指性跳跃运动，如图1.3（a）所示。另外，Zhang[38]等人将单壁碳纳米管（SWNT）与聚碳酸酯基材（PC）复合制备成柔性的双层复合薄膜基驱动器，可以在红外光照下发生可控的弯曲变形行为。此外，通过筛选不同手性分布碳纳米管，得到了特定光响应性的驱动薄膜，实现了驱动材料对刺激光源的定向选择性，如图1.3（b）所示。图1.3（a）CNT/PDMS柔性驱动薄膜在光照下的弹指运动过程，包含（i）能量积聚过程和（ii）能量释放过程[37]，（b）PC/SWNT柔性复合薄膜在光照下的弯曲-回复过程[38]Figure1.3(a)SchematicillustrationoftheflickingfingerbehaviorofCNT/PDMSflexiblemembrane-basedactuatorunderlightstimulation,includingenergyaccumulationprocess(i)andenergyreleaseprocess(ii),(b)Reversiblebending-recoveryprocessoftheflexiblePC/SWNTcompositemembraneunderlightirradiation氧化石墨烯，即石墨烯的氧化产物，通过在石墨烯上引入大量的含氧官能团制得，具有优异的物理、化学、电学、光学性能。氧化石墨烯上引入的大量含氧官能团使其具有优异的亲水性，能够均匀稳定的分散在在水中，通过蒸发溶剂以及抽滤操作可以快速制得具有较高柔性的氧化石墨烯薄膜。已经有相关报道直接对氧化石墨烯薄膜进行简单的物理、化学处理来制备具有较高柔性驱动薄膜材料。例如：Cheng[39-40]等人采用蒸发溶剂法制得柔性的GO薄膜，在单侧湿气以及红外光照刺激下该薄膜可以发生快速可逆的弯曲-?
【参考文献】：
期刊论文
[1]电致伸缩材料的研究进展[J]. 张涵琦. 当代化工研究. 2018(12)
[2]智能材料和智能结构的发展现状[J]. 鄢健宇,王勇越,李培培. 技术与市场. 2017(05)
[3]可将机械能转变成电能的介电弹性体研究进展[J]. 戈风行,杨丹,田明,宁南英,武文杰,张立群. 材料科学与工艺. 2016(05)
[4]智能材料与结构发展现状浅析[J]. 高飞,唐宁,李晓. 建材发展导向. 2016(12)
[5]电活性介电弹性体的本构理论和稳定性研究进展[J]. 刘立武,李金嵘,吕雄飞,李丰丰,刘彦菊,冷劲松. 中国科学:技术科学. 2015(05)
[6]阳离子诱导海藻酸水溶液凝胶化的临界行为与自相似性[J]. 鲁路,刘新星,童真. 高分子通报. 2008(11)
[7]电流变流体与电流变技术[J]. 俞铁岳,黄豪彩,黄宜坚. 福建电脑. 2003(09)
[8]磁流变流体的磁流变效应[J]. 司鹄,彭向和. 重庆大学学报(自然科学版). 2003(05)
[9]碳纳米管应用研究[J]. 潘晖,曹全喜,佟丽英,周晓华. 微纳电子技术. 2002(09)
[10]电流变技术与磁流变技术[J]. 魏铁华,杨晓红. 水利电力机械. 2002(02)
博士论文
[1]可见与近红外光致形变液晶高分子材料的研究[D]. 吴伟.复旦大学 2012
硕士论文
[1]驱动器效率和力学性能提高及变形变色功能的研究[D]. 王东兴.上海大学 2017
[2]海藻酸盐制备纳米材料的研究[D]. 王兵兵.青岛大学 2009
本文编号：3273703
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