【摘要】：《中國制造2025》綱要明確提出,智能化是當前新材料與器件發(fā)展的戰(zhàn)略重點領域,己經成為當前工程科學發(fā)展的國際熱門前沿。智能柔性材料是指集“感知”、“反饋”、“響應”一體化,能接收驅動信息(如光、熱、電、磁、濕度、PH值等),并輸出控制作用或機械運動的材料。與傳統(tǒng)剛性材料相比,智能柔性材料可根據外界環(huán)境變化實現(xiàn)“小激勵大響應”,可以適時、動態(tài)、精準感知變化,現(xiàn)已廣泛應用于各種智能驅動器件與設備。智能柔性材料的設計與制備成為智能化領域一個新興的、重要的發(fā)展方向。作為一種典型的智能柔性材料,智能水凝膠具有豐富的刺激響應模式、線性的驅動力輸出特性以及優(yōu)良的生物相容性,被廣泛應用于柔性驅動器、人工肌肉、電子器件、醫(yī)藥器材等領域。然而,在實際應用中,智能水凝膠往往面臨包括高負載和多樣化刺激源等在內的復雜應用環(huán)境要求,這使得智能水凝膠應當具備高力學強度、高響應速率、多重響應模式、多樣化自驅動功能等特性。因此,如何兼顧力學特性、智能特性和功能特性,成為智能水凝膠材料設計與制備亟待解決的瓶頸問題。自然界中的野生小麥芒,在具備良好力學強度的同時,通過自身層狀結構形式、梯度微孔結構形式和纖維排布形式的相互能融合,根據外界濕度變化進行自驅動變形與運動,為智能柔性材料的研究提供了重要的仿生學啟示。本論文以野生小麥芒為生物模本,基于其微觀結構特點分別構建了仿生層狀微孔結構模型、仿生90°/0°雙層網絡結構模型和仿生層狀梯度微孔結構模型,指導仿生智能柔性材料的設計。基于三種仿生結構模型,以納米木漿纖維素為增強相,氧化石墨烯為光熱轉化劑,聚N-異丙基丙烯酰胺溫度響應型智能水凝膠為基礎材料體系,分別通過模具成型技術、3D打印技術和水熱合成技術,成功制備了具備高力學強度、多形式智能響應、高響應速率、多樣化形變模式和高效自驅動變形與運動的仿生智能柔性材料,并設計制備出了多個系列的仿生智能自驅動樣件。通過力學分析揭示了仿生智能柔性材料靜態(tài)變形和動態(tài)運動的自驅動機理,實現(xiàn)了結構—材料—感知—驅動—功能的一體化融合,為解決智能柔性材料兼顧力學特性、智能特性和功能特性的瓶頸難題,提供了一種行之有效的仿生學新方法。具體研究內容和主要結論如下:(1)以野生小麥芒變形部位分層多孔結構所具有的差異性膨脹變形機理為基礎,設計出了具有分層多孔結構特征的仿生層狀微孔結構模型。采用模具成型技術成功制備了聚N-異丙基丙烯酰胺溫度響應型智能水凝膠。納米木漿纖維素含量與氧化石墨烯含量的增加,均能提高該型智能水凝膠的交聯(lián)密度,使其在具有智能感知與自驅動變形的基礎上,展現(xiàn)出良好力學強度。通過“一步法”模具成型技術制備的雙層結構仿生智能柔性材料,以不同層間溶脹/消溶脹的各向異性為自驅動機理。納米木漿纖維素與氧化石墨烯含量以及樣品尺寸,是影響雙層結構仿生智能柔性材料智能特性和功能特性的重要條件。小尺寸樣品(即較小的厚度值)具有較高的響應速率和變形度。氧化石墨烯使得雙層結構仿生智能柔性材料具備溫度和近紅外激光雙重響應,并在相應刺激下實現(xiàn)了“抓取”與“運輸”等簡單的功能化應用。(2)以野生小麥芒蓋部與脊部纖維排布形式為基礎,建立了仿生90°/0°雙層網絡結構模型。創(chuàng)新性地采用3D打印與真空原位自由基聚合相結合的方法,解決了在含有氧化石墨烯條件下,聚N-異丙基丙烯酰胺溫度響應型智能水凝膠反應液的固化成型問題,實現(xiàn)了3D打印仿生智能水凝膠材料的精準成型。納米木漿纖維素含量是有效控制3D打印仿生智能柔性材料表觀粘度、儲能模量和損耗模量的重要參數(shù),直接影響可打印特性與結構保持能力。10 mg/mL是仿生智能柔性材料3D打印的最佳納米木漿纖維素濃度。3D打印制備技術所形成的較小的厚度值以及精密的雙層網絡結構,可以實現(xiàn)溫度/近紅外激光刺激下的高響應速率。與模具成型技術相比,3D打印仿生智能水凝膠材料以同種材料精密層狀結構間溶脹/消溶脹的各向異性為自驅動機理。不同的3D打印結構模式可以實現(xiàn)不同的自驅動智能變形特性。(3)基于野生小麥芒層狀結構形式與梯度微孔結構形式,建立了仿生層狀梯度微孔結構模型,弱化了各層結構間因孔徑變化過大對響應速率和變形度的不利影響。以N-異丙基丙烯酰胺為單體,4-羥基丁基丙烯酸酯為交聯(lián)劑,通過水熱合成技術成功制備了具有完整梯度結構的聚N-異丙基丙烯酰胺溫度響應型智能水凝膠。創(chuàng)新性的采用了包括整體浸滲和局部浸滲在內的氧化石墨烯浸滲法,實現(xiàn)了氧化石墨烯在梯度結構仿生智能柔性材料中的可控分布,有效地控制了熱量傳遞模式及變形區(qū)域的范圍。以高響應速率為基礎,結合結構設計實現(xiàn)了包括仿生“紙盒”、仿生“手掌”、仿生“菊花”和仿生“尺蠖”在內的靜態(tài)變形和動態(tài)運動。(4)納米木漿纖維素能夠提高梯度結構智能水凝膠的交聯(lián)密度,弱化梯度結構形式,并且未改變相應的氧化石墨烯浸滲能力。納米木漿纖維素增強梯度結構智能水凝膠在具有良好力學強度條件下,仍具有較高的溶脹/消溶脹速率。隨著納米木漿纖維素含量的增加,各型梯度結構智能水凝膠的楊氏模量值范圍先增加后減小,成為影響梯度結構仿生智能柔性材料響應速率的重要材料參數(shù)。納米木漿纖維素含量為2mg/mL時,其力學強度增強效果最大,智能響應過程最穩(wěn)定。增加近紅外激光的功率密度,能夠在一定范圍內,有效地提升各型梯度結構仿生智能柔性材料的響應速率。(5)梯度結構智能水凝膠在通過納米木漿纖維素提高力學特性的同時,實現(xiàn)了對智能特性和功能特性的兼顧,以及近紅外激光刺激下的多種典型靜態(tài)變形和動態(tài)運動,包括:彎曲變形、卷曲變形、折疊運動、翻轉運動和前進/轉向運動。通過調控納米木漿纖維素含量、近紅外激光功率密度以及照射方式,仿生智能柔性材料樣件實現(xiàn)了“Polymer”靜態(tài)變形、仿茅蒿菜靜態(tài)變形、仿章魚“游泳”動態(tài)運動、低功率密度條件下的90°循環(huán)翻轉、高功率密度條件下的同向循環(huán)翻轉以及“8”字形避障運動等。通過力學分析構建了曲率變化與變形角度、變形位移、材料屬性及激勵強度間的對應關系,有效地揭示了仿生智能柔性材料典型靜態(tài)變形與動態(tài)運動的自驅動機理。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TB381
【圖文】：

電流變液通常是由絕緣油中的介電粒子懸浮液組成的非均勻流體[22]。如圖1.2 所示，當施加電場時，液體和顆粒的介電常數(shù)之間的差異導致極化并形成偶極矩，引起沿場方向的鏈中的顆粒團聚以及隨后的流體粘度的增加[23]，在無電場條件下呈現(xiàn)牛頓流體特性，在有電場條件且電場強度足夠大的條件下呈現(xiàn)賓漢流體特性，其流變性會隨著電場強度的增加而增大[24]。圖 1.2 電流變液在電場作用下的變化過程[23]Figure 1.2 The variation process of electrorheological fluid under electric field[23]按照操作模式的不同，電流變液通常被劃分為擠壓、剪切和流動三種模式[25]。在擠壓模式下，電流變液在兩個電極之間被壓縮。在剪切模式中，電流變液用于調節(jié)兩個彼此滑動表面之間的摩擦。在流動模式中，電場激活的電流變液可以充當微型閥。例如，當電流變液在通道中被激活時，通過該通道的流體速度可被減慢甚至停止[26-28]。以此為基礎，電流變液可以用作觸覺顯示器[29, 30]、微型閥門和驅動器[31](如圖 1.3 所示)、電流變減震器[32]等，具有較為廣泛的應用領域。圖 1.3 使用電流變液閥門引導流體偏轉的彎曲懸臂[31]Figure 1. 3 Bending cantilever that is

圖 1.2 電流變液在電場作用下的變化過程[23]gure 1.2 The variation process of electrorheological fluid under electric fie照操作模式的不同，電流變液通常被劃分為擠壓、剪切和流動三種模模式下，電流變液在兩個電極之間被壓縮。在剪切模式中，電流變液彼此滑動表面之間的摩擦。在流動模式中，電場激活的電流變液可以例如，當電流變液在通道中被激活時，通過該通道的流體速度可被減6-28]。以此為基礎，電流變液可以用作觸覺顯示器[29, 30]、微型閥門和驅動器 所示)、電流變減震器[32]等，具有較為廣泛的應用領域。

吉林大學博士學位論文agnetorheological Fluid)是指由微米或納米級的磁液體懸浮液[2, 33]，是一種可控的流體，如圖 1.4 所性顆粒將形成偶極凝膠，在沿著磁場的方向排牛頓流體狀態(tài)轉變?yōu)榈土鲃有浴⒏唣ざ鹊馁e漢流液轉化速度快，能在毫秒級時間內完成連續(xù)、可場之后，磁流變液會恢復良好的流動性。磁流變強度以及磁性顆粒的濃度、尺寸和類型等。

本文編號：2805944