與生物體肌肉類似,人工肌肉是一種在受到外界刺激(熱、光、電、濕度等)時(shí)可以產(chǎn)生收縮、彎曲、扭動等形式運(yùn)動的智能材料,在柔性外骨骼、假體、仿真機(jī)器人、變翼飛行器、傳感器等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。碳納米管纖維集合良好的柔韌性、質(zhì)輕高強(qiáng)、高導(dǎo)電和高導(dǎo)熱等優(yōu)異的性能于一身,是制備人工肌肉的理想材料之一。然而,目前文獻(xiàn)報(bào)道過的碳納米管纖維人工肌肉仍存在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差、驅(qū)動量小、響應(yīng)慢、循環(huán)性能差等問題,嚴(yán)重限制了此類人工肌肉在實(shí)際工程中的應(yīng)用。本論文基于碳納米管纖維的多級組裝結(jié)構(gòu),通過電加熱和自捻合兩種方法制備了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的人工肌肉纖維,并對其有機(jī)溶劑吸附的驅(qū)動行為進(jìn)行了研究。本文的主要內(nèi)容和結(jié)果如下:1.螺旋結(jié)構(gòu)與碳納米管纖維力學(xué)性能的關(guān)系:加捻密度改變纖維的直徑和捻角,加捻密度越大,纖維的直徑越小、捻角越大。牽伸應(yīng)力主要影響螺旋狀纖維的彈簧指數(shù)及纖維內(nèi)部的取向,牽伸應(yīng)力越大,彈簧指數(shù)小,纖維取向度越高,力學(xué)強(qiáng)度高,同時(shí)斷裂延伸率降低,在動態(tài)拉伸過程中,螺旋纖維會產(chǎn)生塑性形變,造成彈性模量損耗,循環(huán)穩(wěn)定性差,以上結(jié)果對選取最優(yōu)人工肌肉的結(jié)構(gòu)具有重要意義。2.溶劑吸附型螺旋碳納米管纖維人工肌肉的驅(qū)動行為:比較了不同溶劑驅(qū)動纖維的吸附和脫附時(shí)間、收縮率,因?yàn)楸哂械驼扯�、高極性、低表面張力、以及低沸點(diǎn),并且在纖維中吸附的體積最大,故吸附丙酮的人工肌肉具有最大收縮率和最高驅(qū)動頻率。碳納米管纖維經(jīng)過濃硝酸和濃硫酸處理后,提高了其對丙酮的浸潤和吸附能力,從而提高了人工肌肉的驅(qū)動輸出性能,纖維人工肌肉的收縮率分別提高了1.4和1.6倍,能量密度從296.65 J/kg分別增加至340.52 J/kg、490.73 J/kg。3.電加熱固化碳納米管纖維螺旋結(jié)構(gòu):經(jīng)過1500℃快速電加熱處理后,螺旋纖維發(fā)生固化,得到了一種穩(wěn)定的螺旋結(jié)構(gòu)。在10%的應(yīng)變下,循環(huán)拉伸100次后,螺旋纖維仍可以保持很好的循環(huán)穩(wěn)定性,解決了螺旋人工肌肉纖維結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的弊端。4.自捻合的穩(wěn)定、高性能的解耦合收縮型人工肌肉:經(jīng)過自捻合后形成了一種穩(wěn)定不退捻、不卷曲的雙螺旋結(jié)構(gòu),雙螺旋結(jié)構(gòu)的兩股纖維扭矩相互平衡,其轉(zhuǎn)動幾乎為0°/mm。另外,人工肌肉纖維的收縮率也有所提高,在4.8 MPa的應(yīng)力下,收縮率可以達(dá)到13.3%,能量密度可以達(dá)到847.2 J/kg,是哺乳類生物肌肉的22倍,經(jīng)過400圈循環(huán),收縮率的保留率為84%。5.人工肌肉纖維在電-熱-溶劑吸附耦合作用下的驅(qū)動行為研究:利用焦耳熱可以有效地縮短丙酮蒸發(fā)的時(shí)間,提高肌肉纖維的頻率,當(dāng)電流為60m A時(shí),脫附時(shí)間只需要室溫下的58%。調(diào)控電流可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動模式的調(diào)節(jié),電流小于80 m A時(shí),是溶劑吸附型人工肌肉;電流為80 m A時(shí),基本沒有驅(qū)動行為;超過80 m A時(shí),驅(qū)動方式轉(zhuǎn)變?yōu)殡姛狎?qū)動。結(jié)果表明碳納米管纖維在電流下的驅(qū)動主要是由于溫度的變化引起的。
【學(xué)位單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TQ127.11;TB383.1
【部分圖文】：

irvakili 等利用鎳鈦合金纖維制備了轉(zhuǎn)動的人工肌肉，纖維的上面一段加端不加捻，可以作為一個(gè)偏轉(zhuǎn)彈簧，并且在下端表面涂覆一層金增加整個(gè)器的導(dǎo)電率，當(dāng)向纖維施加焦耳熱，最大轉(zhuǎn)速可以達(dá)到 10500 rpm，此時(shí)的量可以達(dá)到 16°mm-1，同時(shí)產(chǎn)生 4.5%的收縮，重力扭矩達(dá)到 8 N·m kg-1， 1-1（a）。在冷卻時(shí)，熱遷移要慢于升溫過程，使周期時(shí)間增加，頻率較究發(fā)現(xiàn)，在冷卻過程中，利用水或乙醇加速冷卻有利于循環(huán)效率的提高，將響應(yīng)時(shí)間縮短到毫秒級。在激發(fā)時(shí)，用到短時(shí)高電流給其加熱，響應(yīng)時(shí)只有毫秒，可以用皮膚效應(yīng)來解釋其工作機(jī)理，短時(shí)高頻電流在其表面不分布，而內(nèi)部并沒有受到熱量的激發(fā)，因此，內(nèi)核部分作為一個(gè)偏轉(zhuǎn)彈簧以至使得纖維恢復(fù)到原來的長度。Cortez-Vega 等[19]利用 Ni-Ti 合金纖維制彈簧，首先給纖維一個(gè)預(yù)形變，然后給予其機(jī)械約束，在 500 ℃條件下退后形成一個(gè)彈簧，如圖 1-1（b），他們引入了一個(gè)混合動力模型，有效的了 SMA 的滯后效應(yīng)。

學(xué)碩士學(xué)位論文放置在全氟磺酸膜的兩側(cè)構(gòu)成三明治結(jié)構(gòu)，研究了這種三明治復(fù)合薄隨溫度變化的響應(yīng)關(guān)系，如圖 1-4。即在 25 ℃ -90 ℃之間，電流與和形變曲率的關(guān)系，當(dāng)溫度達(dá)到 70 ℃時(shí)，陽離子彎曲率減小，50 ℃率較小，形變率隨溫度的增加而相應(yīng)的增加，其在溫度為 60 ℃時(shí)達(dá)。相反，50 ℃以上時(shí)，陰離子響應(yīng)形變率較小，陰離子形變曲率增加陰離子響應(yīng)還是陽離子響應(yīng)，當(dāng)溫度超過 60 ℃時(shí)，人工肌肉的性能降。

圖 1-5 IEAP 蠕動機(jī)器人[40]Figure 1-5 Tthe biomimetic IEAP robot.電聚合物是以聚吡咯、聚苯胺及聚噻吩為代表的一類雜原子摻雜π-π共軛結(jié)構(gòu)的聚合物，其中電子能夠在離域大π鍵中移動，使一定的導(dǎo)電性[41, 42]。在電場作用下，聚合物中的雜原子進(jìn)行一定原反應(yīng)，導(dǎo)致聚合物與電解液之間產(chǎn)生離子遷移，而不同尺寸的側(cè)的遷移和積累最終導(dǎo)致聚合物薄膜產(chǎn)生較大的體積變化。苯胺得以從種類繁多的導(dǎo)電聚合物中脫穎而出，得益于其獨(dú)特的制、優(yōu)異且穩(wěn)定的導(dǎo)電性、潛力巨大的多樣性結(jié)構(gòu)以及可逆的氧性，也因此被行業(yè)內(nèi)領(lǐng)軍人物認(rèn)定為是目前最具有規(guī)�；瘧�(yīng)用前物材料之一[43]。Uh 等[44]模仿蝴蝶翅膀的運(yùn)動，研究了一種在磁的導(dǎo)電聚合物人工肌肉。用樟腦磺酸摻雜聚苯胺（PANI）連續(xù)制電率高（～270 S cm-1）的纖維，加交流電壓時(shí)會產(chǎn)生可逆的彎曲

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2823277