【摘要】：軟體執(zhí)行器和微馬達(dá)都是將各種形式能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置,可分別實(shí)現(xiàn)可控的形變和自推進(jìn)運(yùn)動(dòng),在諸多領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。聚對(duì)苯撐苯并雙VA唑(Poly(p-phenylene benzobisoxazole),PBO)纖維是一種高性能聚合物纖維材料,具有優(yōu)異的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性等性能。近年來,PBO納米纖維及其薄膜、氣凝膠等形態(tài)的復(fù)合材料已在阻燃材料和界面水蒸發(fā)等領(lǐng)域展現(xiàn)了應(yīng)用的可能。構(gòu)建基于PBO納米纖維復(fù)合材料的軟體執(zhí)行器和光驅(qū)動(dòng)馬達(dá)將有望進(jìn)一步擴(kuò)展PBO納米纖維的潛在應(yīng)用領(lǐng)域,并發(fā)展新型的自推進(jìn)馬達(dá)(如氣凝膠基光驅(qū)動(dòng)馬達(dá))。本論文以PBO納米纖維為構(gòu)建基元,通過集成聚乙烯醇(PVA)、還原氧化石墨烯(rGO)等材料,制備了(PBONF/rGO)/PVA雙層膜和PBONF/rGO復(fù)合氣凝膠,并將其分別用于構(gòu)建具有濕度和光雙重響應(yīng)的軟體執(zhí)行器和可在氣液界面上進(jìn)行平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的光驅(qū)動(dòng)馬達(dá)。通過綜合PVA的濕度響應(yīng)性、PBO納米纖維的機(jī)械性能和rGO的光熱性能及導(dǎo)電性,利用真空輔助絮凝法制備了具有雙層結(jié)構(gòu)的(PBONF/rGO)/PVA光與濕度雙響應(yīng)軟體執(zhí)行器。該軟體執(zhí)行器的拉伸強(qiáng)度和模量分別為29.36 MPa和0.311GPa。吸收光譜測(cè)試表明該雙層膜的吸光率為72.1%。該軟體執(zhí)行器因其雙層膜結(jié)構(gòu)展現(xiàn)了可逆、耐久、形變量大的濕度響應(yīng)執(zhí)行性,并可在激光照射下由于PBONF/rGO層光熱效應(yīng)導(dǎo)致的PVA層失水而發(fā)生形變,從而做出響應(yīng)。該執(zhí)行器還具有導(dǎo)電性能,濕度和光照引起的執(zhí)行器形變可導(dǎo)致其電導(dǎo)率改變。此外該雙層膜結(jié)構(gòu)還可用于構(gòu)建在固體表面快速運(yùn)動(dòng)的光驅(qū)動(dòng)滾動(dòng)馬達(dá)。通過溶膠-凝膠法和超臨界二氧化碳干燥制備了PBONF/rGO復(fù)合氣凝膠,其吸光率為71.03%,并具有良好的熱穩(wěn)定性�；谠摎饽z材料構(gòu)建的馬達(dá)可在光照下在氣液界面上進(jìn)行快速運(yùn)動(dòng),其運(yùn)動(dòng)機(jī)理是馬拉高尼效應(yīng)。光照下PBONF/rGO的光熱效應(yīng)導(dǎo)致局域溫度升高,在馬達(dá)周圍形成表面張力梯度,進(jìn)而推動(dòng)馬達(dá)進(jìn)行快速平動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)。通過在氣凝膠內(nèi)灌注二甲基硅油可提高材料的疏水性,進(jìn)而對(duì)馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)起到減阻作用。研究表明吸附二甲基硅油后,馬達(dá)的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)速度確實(shí)明顯增加。綜上所述,本論文實(shí)現(xiàn)了PBO納米纖維復(fù)合材料基軟體執(zhí)行器和光驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的構(gòu)筑,擴(kuò)展了PBO納米纖維的潛在應(yīng)用領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)了氣凝膠馬達(dá)的構(gòu)建。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TB33;TQ427.26
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)碩士學(xué)位論文6 年賀強(qiáng)教授[21]等人采用層層組裝技術(shù)構(gòu)筑了一種基于 PBO 納O)50多層復(fù)合薄膜和(PBO-PVA)50多層復(fù)合薄膜，如圖 1-5 所示O)50多層復(fù)合薄膜的拉伸強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)熱機(jī)械性能均得到提高。PBO-PVA)50多層復(fù)合薄膜的拉伸性能具有良好的增強(qiáng)作用（楊a，韌性為 4.6 MJ/m3，最大拉伸強(qiáng)度為 304.34 MPa）。而且(P薄膜具有極高的熱穩(wěn)定性（初始熱分解溫度高達(dá) 625 ℃）以及薄膜在阻燃防火材料領(lǐng)域具有發(fā)展前景。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)碩士學(xué)位論文有利于阻止熱的傳導(dǎo)，因此可用于高溫?zé)峤^緣材料的制備，推動(dòng)高性能 PBO 納米纖維的發(fā)展以及拓寬了其潛在應(yīng)用領(lǐng)域。2019 年 Xu 課題組[29]采用還原自組裝方法研究了一系列介孔石墨氮化碳（MCN）納米材料負(fù)載在還原氧化石墨烯氣凝膠（rGOA）上制備宏觀三維（3D）多孔結(jié)構(gòu)，如圖 1-6 所示。去除 20 mg/L 羅丹明 b（RhB）溶液的 MCN/rGOA 復(fù)合氣凝膠（MCN/GOA 質(zhì)量比為 3:9）的吸附率高達(dá) 73.7%，而且吸附和可見光催化的總效應(yīng)在 80 分鐘內(nèi)達(dá)到 95.2%。與此同時(shí)，該材料也表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，重復(fù)實(shí)驗(yàn) 5 次后去除率仍然高達(dá) 89%。MCN 的比表面積從 18 m2/g 增加至MCN/rGOA 復(fù)合氣凝膠的 149 m2/g。復(fù)合氣凝膠不僅吸附效果好，還有足夠的光催化作用。復(fù)合材料首先通過 π-π 吸附與 RhB 相互作用，然后通過提高電子轉(zhuǎn)移效率和抑制電子-空穴復(fù)合以獲得良好的導(dǎo)電性來改善光催化作用。通過清除實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子自由基是光催化降解主要的氧化劑。這種負(fù)載 MCN 的復(fù)合氣凝膠具有生產(chǎn)制備方法簡(jiǎn)單，比表面積高，導(dǎo)電性好，光催化有機(jī)染料降解等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。

圖 1-8 馬拉高尼效應(yīng)驅(qū)動(dòng)毫米馬達(dá)運(yùn)動(dòng)的示意圖[44]研究表明，在近紅外照射下 Janus 納米馬達(dá)具有更高的驅(qū)動(dòng)力 950 身長(zhǎng)/s[45]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它馬達(dá)。涂有 Au 一側(cè)通過光熱效換為熱量，熱的 Au 納米殼充當(dāng)加熱源并在納米馬達(dá)上產(chǎn)生局達(dá)的中心，溫度越來越高，溫度下降的速度也越來越快，然后/s 的速度朝向溫度下降相反的方向運(yùn)動(dòng)。非接觸、可控和連續(xù)的方式將光直接轉(zhuǎn)換為機(jī)械能驅(qū)動(dòng)微米馬往往涉及直接傳遞光動(dòng)量或間接光熱效應(yīng)。兩種方式都已經(jīng)使實(shí)現(xiàn)。但是，由此產(chǎn)生的效率總是非常低，并且通常需要通過功率密度。2015 年 Maggi 等[46]報(bào)道了一種在氣液界面可以通過的光有效地轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的微型齒輪，如圖 1-9 所示。在照射下，微齒輪馬達(dá)葉片以及馬達(dá)中心的局部溫度明顯高于周度表面張力差，因此產(chǎn)生了圍繞馬達(dá)中心構(gòu)成循環(huán)往復(fù)的熱梯出齒輪的葉片都會(huì)產(chǎn)生同向的力矩為馬達(dá)提供驅(qū)動(dòng)力進(jìn)而推進(jìn)的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。在非相干光的寬場(chǎng)照明下，其轉(zhuǎn)速高達(dá) 300 轉(zhuǎn)/分

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本文編號(hào)：2783640