CN109088563A - 碳纳米管纤维复合结构型电磁致动器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纳米管纤维复合结构型电磁致动器，包括：碳纳米管纤维复合结构型电致动器或碳纳米管纤维复合结构型电磁致动器；所述碳纳米管纤维复合结构型电致动器，包括：碳纳米管纤维单向螺旋缠绕复合结构型电致动器、碳纳米管纤维双向螺旋缠绕复合结构型电致动器；所述碳纳米管纤维单向螺旋缠绕复合结构型电致动器，包括：纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层、电致伸缩材料层、纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线单向螺旋缠绕层共同构成“三明治”一体化结构，在电场作用下具有对外产生可控伸缩或旋转功能的放大、叠加或增强协同驱动效应。
Description
技术领域
本发明属于人工智能、光机电一体化及机器人驱动技术领域，涉及人工智能、光机电一体化及机器人驱动领域的致动器技术，更具体地涉及一种碳纳米管纤维复合结构型电磁致动器。
背景技术
当前人工智能、光机电一体化及机器人驱动技术领域的致动器技术得到较快发展。致动器是微机电***(Micro Electro Mechanical Systems,MEMS)的动力部件，是将驱动能量转换成机械位移或机械力的换能器，承担能量转化、运动传递等重要作用，在人工智能、光机电一体化及机器人领域是需要进一步发展的重要技术之一。在致动器技术领域有热致动器、电致动器、压电致动器和磁致动器。热致动器是利用温度变化产生形变致动，是现阶段MEMS可行的主要致动方式。热致动器与集成电路的工艺和电压兼容、输出力较大，具有可重复执行、精度较高、可靠性较好的特点，相比压电致动器具有一定的技术优势，但热致动器也存在响应速度较慢、能量损耗较大等缺点。电致动器与热致动器和压电致动器相比较，具有重复性较好，无滞后，不需极化、无老化等优势。如何进一步发展致动器技术，如何进一步提高电致动器的性能，是需要解决的技术问题之一。
发明内容
针对当前电致动器技术发展存在的系列问题，本发明提供一种碳纳米管纤维复合结构型电磁致动器，以达到优化提升电致动器的各项性能指标。
本发明的一种碳纳米管纤维复合结构型电磁致动器的实现具体技术方案包括：碳纳米管纤维复合结构型电致动器、碳纳米管纤维复合结构型电磁致动器；所述碳纳米管纤维复合结构型电致动器，包括：碳纳米管纤维单向螺旋缠绕复合结构型电致动器、碳纳米管纤维双向螺旋缠绕复合结构型电致动器；所述碳纳米管纤维单向螺旋缠绕复合结构型电致动器，包括：纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层、电致伸缩材料层、纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线单向螺旋缠绕层；所述纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层装配于碳纳米管纤维单向螺旋缠绕复合结构型电致动器的中部；所述电致伸缩材料层装配于纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层的外部，并构成圆筒状结构，或者采用电致伸缩材料浸透交叉融入纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层的弹簧圈与圈之间及外面，与所述纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层构成复合紧密结构；所述纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线单向螺旋缠绕层采用纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线按照一定角度方向螺旋缠绕在电致伸缩材料层外面构成外层；所述纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层、电致伸缩材料层、纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线单向螺旋缠绕层共同构成“三明治”一体化结构。
上述方案中，所述纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线单向螺旋缠绕层的纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线两端连接可控高电压，构成碳纳米管纤维复合结构型电致动器的一个电极，并可控通入高电压并接通纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线单向螺旋缠绕层两端，则纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线单向螺旋缠绕层能够产生伸缩或旋转功能效应；所述纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧两端连接可控低电压，构成碳纳米管纤维复合结构型电致动器的另一个电极，并可控通入低电压并接通纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧两端，则纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧能够产生伸缩或旋转功能效应；在所述碳纳米管纤维复合结构型电致动器中，由于纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线单向螺旋缠绕层能够可控通入高电压构成一个电极，纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧能够可控通入低电压构成另一个电极，在两个电极层之间对中间电致伸缩材料层构成具有梯度电压特征的电位差，并作用在碳纳米管纤维复合结构型电致动器中间层电致伸缩材料层能够产生伸缩功能效应；所述纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线单向螺旋缠绕层、电致伸缩材料层和纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层三层在一体化结构中具有可控伸缩或旋转功能的叠加或增强协同效应。
上述方案中，所述碳纳米管纤维双向螺旋缠绕复合结构型电致动器，包括：纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层、电致伸缩材料层、纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线双向螺旋缠绕层；所述纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层装配于碳纳米管纤维双向螺旋缠绕复合结构型电致动器的中部；所述电致伸缩材料层装配于纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层外部，并构成圆筒状结构，或者采用电致伸缩材料浸透交叉融入纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层的弹簧圈与圈之间及外面，与所述纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层构成复合紧密结构；所述纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线双向螺旋缠绕层，采用纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线在两个不相同角度或方向进行螺旋缠绕在电致伸缩材料层外面构成外层；所述纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层、电致伸缩材料层、纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线双向螺旋缠绕层共同构成“三明治”一体化结构。
上述方案中，所述纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线双向螺旋缠绕层的处于两个不同方向进行缠绕的纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线两端可分别连接不同性质可控高电压或电流，其双向螺旋缠绕层通入的高电压或电流方向或大小均能够调控；所述纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线双向螺旋缠绕层构成碳纳米管纤维复合结构型电致动器的一个电极，并可控通入不同性质高电压或电流时纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线双向螺旋缠绕层能够产生伸缩或旋转功能的双向协同效应；所述纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧两端连接可控低电压，构成碳纳米管纤维复合结构型电致动器的另一个电极，并可控通入低电压时纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧能够产生伸缩或旋转功能效应；在所述碳纳米管纤维复合结构型电致动器中，由于纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线双向螺旋缠绕层能够可控通入双向不同性质高电压构成一个电极，纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧能够可控通入低电压构成另一个电极，对在两个电极层之间的电致伸缩材料层构成具有梯度电压特征的电位差，并作用在碳纳米管纤维复合结构型电致动器中间层电致伸缩材料层能够产生伸缩功能效应；所述纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线双向螺旋缠绕层、电致伸缩材料层和纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层三层在一体化结构中具有可控伸缩或旋转功能的叠加或增强协同效应。
上述方案中，所述碳纳米管纤维复合结构型电磁致动器包括：磁致伸缩棒、纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线螺旋缠绕层、磁性外壳；所述磁致伸缩棒外面为纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线螺旋缠绕层；所述纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线螺旋缠绕层外面为磁性外壳；所述磁致伸缩棒、纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线螺旋缠绕层、磁性外壳构成一体化结构；所述纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线螺旋缠绕层的纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线两端可控通入电压或电流时，纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线螺旋缠绕层会产生伸缩或旋转类型的致动功能效应，其间磁场大小能够发生变化，导致磁致伸缩棒尺寸发生变化，从而使碳纳米管纤维复合结构型电磁致动器的磁致伸缩棒会发生磁致伸缩效应；纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线螺旋缠绕层与磁致伸缩棒能够协同对外产生伸缩或旋转的叠加、增强类型的致动功能效应。
上述方案中，所述纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线，包括：由无数单根碳纳米管纤维组成具有螺旋结构的连续丝线、纳米粒子；所述纳米粒子包括：带电荷的纳米颗粒、纳米电解质物质或纳米离子体；所述碳纳米管纤维纱线的制备方法包括：静电纺丝法、化学气相生长法(CVD)、湿法纺丝法、干法纺丝法、阵列纺丝法、双卷曲法、高温高速熔喷法、激光拉伸法或Xano Shear法；所述碳纳米管纤维包括：单壁碳纳米管纤维或多壁碳纳米管纤维；所述纳米粒子组装于碳纳米管纤维纱线方法，包括：共混熔融法(BFM)、溶液渗透法(INFITRATION)、混浸挤轧法(MLM)、包覆植入法(ICM)、混裹缠绕法(MWM)、涂层涂膜法(CFM)或健力接枝法(KBT)。
所述碳纳米管纤维纱线为多孔结构的良好导电材料，通过调控两个电极间的电位差，可使带电荷的纳米颗粒、纳米电解质物质或纳米离子体进入碳纳米管纤维纱线的多孔中；由于碳纳米管纤维具有独特的捻角结构特性，并对碳纳米管纤维纱线进行了一定角度缠绕，在电压作用下涌入碳纳米管纤维纱线多孔中的带电荷纳米粒子促使导致碳纳米管纤维纱线膨胀；由于碳纳米管纤维纱线的螺旋缠绕结构，将体积膨胀变化转化为包括长度伸缩以及角度旋转在内的两个维度变化，达到驱动功能效果。
上述方案中，所述电致伸缩材料层的电致伸缩材料包括：电致伸缩高分子聚合物、电致伸缩陶瓷(PMN-PT)、电致伸缩介电弹性体、含铅电致伸缩材料、无铅电致伸缩材料、电致伸缩接枝弹性体、弹性体、聚氨酯(PUE)、电活性聚合物(EAPs)、聚丙烯酸类弹性体、铁电聚合物、导电聚合物、聚电解质凝胶、离子聚合物-金属复合材料、各向异性液晶凝胶弹性体、电致伸缩薄膜材料、电致伸缩圆柱体材料或电致伸缩空心圆筒材料。
上述方案中，所述纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层中的纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧，由多束纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线螺旋加工制作。
本发明的碳纳米管纤维复合结构型电致动器工作过程如下：
碳纳米管纤维复合结构型电致动器包括：纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层、电致伸缩材料层、纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线单向螺旋缠绕层共同构成“三明治”一体化结构。纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线单向螺旋缠绕层的纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线两端连接可控高电压；碳纳米管纤维纱线为多孔结构的良好导电材料，由于纳米管纤维纱线两端高电压作用，促使带电荷的纳米颗粒、纳米电解质物质或纳米离子体进入碳纳米管纤维纱线的多孔中或多束纳米管纤维纱线间隙内；由于碳纳米管纤维具有独特的捻角结构特性，并对碳纳米管纤维纱线进行了一定角度缠绕，在电压作用下涌入碳纳米管纤维纱线多孔中的带电荷纳米粒子促使导致碳纳米管纤维纱线膨胀；由于碳纳米管纤维纱线的螺旋缠绕结构，将体积膨胀变化放大并转化为包括长度伸缩以及角度旋转在内的两个维度变化，达到驱动功能效果。
由于纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧采用多束纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线螺旋加工制作。当纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层两端连接通入可控低电压，促使带电荷的纳米颗粒、纳米电解质物质或纳米离子体进入碳纳米管纤维纱线弹簧的多孔中或多束碳纳米管纤维纱线间隔缝隙内；由于碳纳米管纤维具有独特的捻角结构特性，并对多束碳纳米管纤维纱线进行了螺旋加工，在电压作用下涌入多束碳纳米管纤维纱线多孔中或纱线间隔缝隙的带电荷纳米粒子促使导致碳纳米管纤维纱线弹簧膨胀；由于碳纳米管纤维纱线弹簧具有螺旋结构，将体积膨胀变化放大并转化为包括长度伸缩以及角度旋转在内的两个维度变化，达到强力驱动功能效果。
在碳纳米管纤维复合结构型电致动器中，由于纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线单向螺旋缠绕层能够可控通入高电压构成一个电极，纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层能够可控通入低电压构成另一个电极，形成对两个电极层之间的中间电致伸缩材料层构成具有梯度电压特征的电位差，并作用在碳纳米管纤维复合结构型电致动器中间层电致伸缩材料层产生伸缩功能效应。
在碳纳米管纤维复合结构型电致动器中，纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线单向螺旋缠绕层、电致伸缩材料层和纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层构成的“三明治”一体化结构中，在电场作用下具有可控伸缩或旋转功能的放大、叠加或增强协同驱动效应。
本发明的碳纳米管纤维复合结构型电磁致动器工作过程如下：
碳纳米管纤维复合结构型电磁致动器包括：磁致伸缩棒、纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线螺旋缠绕层、磁性外壳构成一体化碳纳米管纤维复合结构型电磁致动器的驱动结构；纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线螺旋缠绕层的纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线两端可控通入电压或电流时，促使带电荷的纳米颗粒、纳米电解质物质或纳米离子体进入碳纳米管纤维纱线的多孔中或多束碳纳米管纤维纱线间隔缝隙内；由于碳纳米管纤维具有独特的捻角结构特性，并对碳纳米管纤维纱线进行了一定角度缠绕，在电压作用下涌入碳纳米管纤维纱线多孔中或纱线间隙的带电荷纳米粒子促使导致碳纳米管纤维纱线膨胀；由于碳纳米管纤维纱线的螺旋缠绕结构，将体积膨胀变化放大并转化为包括长度伸缩以及角度旋转在内的两个维度变化，达到驱动功能效果。
由于纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线两端可控通入电压或电流时，其间促使磁场大小发生变化，导致磁致伸缩棒尺寸发生变化，从而使碳纳米管纤维复合结构型电磁致动器的磁致伸缩棒产生磁致伸缩驱动功能效应。
在碳纳米管纤维复合结构型电磁致动器中，纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线产生的长度伸缩以及角度旋转效应与磁致伸缩棒产生磁致伸缩驱动功能效应产生协同作用，对外产生伸缩或旋转类型的致动功能协同增强效应。
本发明的碳纳米管纤维复合结构型电磁致动器具有以下有益效果：
a、本发明的碳纳米管纤维复合结构型电致动器，采用了纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层、电致伸缩材料层、纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线单向螺旋缠绕层共同构成“三明治”一体化结构；纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线单向螺旋缠绕层的纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线两端连接可控高电压，促使带电荷的纳米颗粒、纳米电解质物质或纳米离子体进入碳纳米管纤维纱线的多孔中或多束碳纳米管纤维纱线间隙内，促使导致多束碳纳米管纤维纱线膨胀；由于碳纳米管纤维纱线的螺旋缠绕结构，将体积膨胀变化放大并转化为包括长度伸缩以及角度旋转在内的两个维度变化；当纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层的两端连接通入可控低电压，促使带电荷的纳米颗粒、纳米电解质物质或纳米离子体进入碳纳米管纤维纱线弹簧的多孔中或多束碳纳米管纤维纱线间隙内，促使导致碳纳米管纤维纱线弹簧膨胀；由于碳纳米管纤维纱线弹簧具有螺旋结构，将体积膨胀变化放大并转化为包括长度伸缩以及角度旋转在内的两个维度变化；由于纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线单向螺旋缠绕层能够可控通入高电压构成一个电极，纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧能够可控通入低电压构成另一个电极，形成对两个电极层之间的中间电致伸缩材料层构成具有梯度电压特征的电位差，并作用在碳纳米管纤维复合结构型电致动器中间层电致伸缩材料层产生伸缩功能效应。在“三明治”一体化结构中，在电场作用下碳纳米管纤维复合结构型电致动器具有对外产生可控伸缩或旋转功能的放大、叠加或增强协同驱动效应。
b、本发明的本发明的碳纳米管纤维复合结构型电磁致动器，采用了磁致伸缩棒、纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线螺旋缠绕层、磁性外壳构成一体化碳纳米管纤维复合结构型电磁致动器的驱动结构；纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线螺旋缠绕层的纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线两端可控通入电压或电流时，促使带电荷的纳米颗粒、纳米电解质物质或纳米离子体进入碳纳米管纤维纱线的多孔中或多束碳纳米管纤维纱线间隙内，促使导致多束碳纳米管纤维纱线膨胀，并将体积膨胀变化放大并转化为包括长度伸缩以及角度旋转在内的两个维度变化。由于纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线两端可控通入电压或电流时，其间促使磁场大小发生变化，导致磁致伸缩棒尺寸发生变化，从而使碳纳米管纤维复合结构型电磁致动器的磁致伸缩棒产生磁致伸缩驱动功能效应。因此在碳纳米管纤维复合结构型电磁致动器中，纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线产生的长度伸缩以及角度旋转效应与磁致伸缩棒产生磁致伸缩驱动功能效应产生协同作用，对外产生伸缩或旋转类型的致动功能协同增强效应。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线结构示意图；
图2是碳纳米管纤维单向螺旋缠绕复合结构型电致动器结构示意图；
图3是纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧结构示意图；
图4是碳纳米管纤维双向螺旋缠绕复合结构型电致动器结构示意图；
图5是碳纳米管纤维复合结构型电磁致动器结构示意图。
其中，碳纳米管纤维单向螺旋缠绕复合结构型电致动器1、纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层2、电致伸缩材料层3、纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线单向螺旋缠绕层4、纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线5、碳纳米管纤维6、纳米粒子7、碳纳米管纤维双向螺旋缠绕复合结构型电致动器8、双向纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线双向螺旋缠绕层9、碳纳米管纤维复合结构型电磁致动器10、磁致伸缩棒11、纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线螺旋缠绕层12、磁性外壳13。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
实施例1.
碳纳米管纤维单向螺旋缠绕复合结构型电致动器
本发明实施例1的纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线结构示意图(见图1)；碳纳米管纤维单向螺旋缠绕复合结构型电致动器结构示意图(见图2)；纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧结构示意图(见图3)。
本发明实施例1碳纳米管纤维单向螺旋缠绕复合结构型电致动器1的实现具体技术方案包括：纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层2、电致伸缩材料层3、纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线单向螺旋缠绕层4；纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层2装配于碳纳米管纤维单向螺旋缠绕复合结构型电致动器1的中部；电致伸缩材料层3装配于纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层2外部，并构成圆筒状结构；纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线单向螺旋缠绕层4按照30°角度方向螺旋缠绕在电致伸缩材料层3外面构成外层；纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层2、电致伸缩材料层3、纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线单向螺旋缠绕层4共同构成“三明治”一体化结构。
纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线单向螺旋缠绕层4的纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线5两端连接可控高电压，构成碳纳米管纤维复合结构型电致动器1的一个电极，并可控通入高电压时纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线单向螺旋缠绕层4能够产生伸缩或旋转功能效应；纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧2两端连接可控低电压，构成碳纳米管纤维复合结构型电致动器的另一个电极。纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线5，包括：由无数单根碳纳米管纤维6组成具有螺旋结构的连续丝线、纳米粒子7；纳米粒子7采用：纳米电解质物质；纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线5的制备方法采用：阵列纺丝法；纳米粒子7组装于纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线5方法，采用：溶液渗透法(INFITRATION)。电致伸缩材料层3的电致伸缩材料采用：电致伸缩高分子聚合物。纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层2中的纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧，由多束纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线5螺旋加工制作。
本发明实施例1碳纳米管纤维单向螺旋缠绕复合结构型电致动器1工作过程如下：
纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线单向螺旋缠绕层4的纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线5两端连接可控高电压；纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线5为多孔结构的良好导电材料，由于纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线5两端高电压作用，促使带电荷的纳米电解质物质7进入纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线5的多孔中或多束纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线5间隙内；由于纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线5具有独特的捻角结构特性，并对纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线5进行了一定角度缠绕，在电压作用下涌入纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线5多孔中或多束纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线5间隙内的带电荷纳米粒子促使导致碳纳米管纤维纱线膨胀；由于纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线5的螺旋缠绕结构，将体积膨胀变化放大并转化为包括长度伸缩以及角度旋转在内的两个维度变化，达到驱动功能效果。
由于纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧2采用多束纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线5螺旋加工制作。当纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧2两端连接通入可控低电压，促使带电荷的纳米电解质物质进入碳纳米管纤维纱线弹簧2的多孔中或多束纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线5间隔缝隙内；由于碳纳米管纤维6具有独特的捻角结构特性，并对多束纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线5进行了螺旋加工，在电压作用下涌入多束纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线5多孔中或多束纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线5间隔缝隙的带电荷纳米粒子促使导致纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线5膨胀；由于纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层2具有螺旋结构，将体积膨胀变化放大并转化为包括长度伸缩以及角度旋转在内的两个维度变化，达到强力驱动功能效果。
在碳纳米管纤维复合结构型电致动器1中，由于纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线单向螺旋缠绕层4能够可控通入高电压构成一个电极，纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层2能够可控通入低电压构成另一个电极，形成对两个电极层之间的中间电致伸缩材料层3构成具有梯度电压特征的电位差，并作用在碳纳米管纤维复合结构型电致动器1中间层电致伸缩材料层3产生伸缩功能效应。
在碳纳米管纤维复合结构型电致动器1中，纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线单向螺旋缠绕层4、电致伸缩材料层3和纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层2构成的“三明治”一体化结构中，在电场作用下具有可控伸缩或旋转功能的放大、叠加或增强协同驱动效应。
实施例2.
碳纳米管纤维双向螺旋缠绕复合结构型电致动器
本发明实施例2的纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线结构示意图(见图1)；碳纳米管纤维双向螺旋缠绕复合结构型电致动器结构示意图(见图4)；纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧结构示意图(见图3)。
碳纳米管纤维双向螺旋缠绕复合结构型电致动器8，包括：纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层2、电致伸缩材料层3、双向纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线双向螺旋缠绕层9；纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层2装配于碳纳米管纤维双向螺旋缠绕复合结构型电致动器8的中部；电致伸缩材料层3装配于纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层2的外部，并构成圆筒状结构；纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线双向螺旋缠绕层9，采用纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线5两个不相同角度或方向进行螺旋缠绕在电致伸缩材料层3外面构成外层，其中一层纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线以30°螺旋缠绕在电致伸缩材料层3外面，另一层以相反方向45°再进行螺旋缠绕；纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层2、电致伸缩材料层3、双向纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线双向螺旋缠绕层9共同构成“三明治”一体化结构。
纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线5，包括：由无数单根碳纳米管纤维6组成具有螺旋结构的连续丝线、纳米粒子7；纳米粒子7采用：纳米电解质物质；碳纳米管纤维纱线5的制备方法采用：静电纺丝法；纳米粒子7组装于纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线5方法，采用：混裹缠绕法(MWM)。电致伸缩材料层3的电致伸缩材料采用：电致伸缩高分子聚合物。纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层2中的纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧，由多束纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线5螺旋加工制作。
本发明实施例2碳纳米管纤维双向螺旋缠绕复合结构型电致动器8工作过程如下：
纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线双向螺旋缠绕层9的处于两个不同方向进行缠绕的纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线5两端可分别连接不同性质可控高电压或电流，其双向螺旋缠绕层通入的高电压或电流方向或大小均能够调控，形成不同方向的伸缩或旋转功能；纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线双向螺旋缠绕层9构成碳纳米管纤维复合结构型电致动器8的一个电极，并可控通入不同性质高电压或电流时纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线双向螺旋缠绕层9能够产生伸缩或旋转功能的双向协同效应；纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层2两端连接可控低电压，构成碳纳米管纤维复合结构型电致动器8的另一个电极，并可控通入低电压时纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层2能够产生伸缩或旋转功能效应；在碳纳米管纤维复合结构型电致动器8中，由于纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线双向螺旋缠绕层9能够可控通入双向不同性质高电压构成一个电极，纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧2能够可控通入低电压构成另一个电极，对在两个电极层之间的电致伸缩材料层3构成具有梯度电压特征的电位差，并作用在碳纳米管纤维复合结构型电致动器8中间层电致伸缩材料层3能够产生伸缩功能效应；纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线双向螺旋缠绕层9、电致伸缩材料层3和纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层2三层构成“三明治”一体化结构中具有可控伸缩或旋转功能的叠加或增强协同效应。
实施例3.
碳纳米管纤维复合结构型电磁致动器
本发明实施例3的纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线5结构示意图(见图1)；碳纳米管纤维复合结构型电磁致动器10结构示意图(见图5)。
碳纳米管纤维复合结构型电磁致动器10包括：磁致伸缩棒11、纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线螺旋缠绕层12、磁性外壳13；磁致伸缩棒外面为纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线螺旋缠绕层12；纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线螺旋缠绕层12外面为磁性外壳13；磁致伸缩棒11、纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线螺旋缠绕层12、磁性外壳13构成一体化碳纳米管纤维复合结构型电磁致动器的驱动结构。
纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线螺旋缠绕层12采用纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线5，包括：由无数单根碳纳米管纤维6组成具有螺旋结构连续丝线、纳米粒子7；纳米粒子7采用：纳米电解质物质；碳纳米管纤维纱线5的制备方法采用：阵列纺丝法；纳米粒子7组装于碳纳米管纤维纱线5方法，采用：溶液渗透法(INFITRATION)。
本发明实施例3碳纳米管纤维复合结构型电磁致动器10工作过程如下：
由于纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线螺旋缠绕层12采用纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线5，其两端可控通入电压或电流时，促使带电荷的纳米电解质物质7进入纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线5的多孔中或多束纳米管纤维纱线5间隙内；由于碳纳米管纤维6具有独特的捻角结构特性，并对纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线5进行了一定角度缠绕，在电压作用下涌入纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线5多孔中的带电荷纳米粒子促使导致碳纳米管纤维膨胀；由于纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线5的螺旋缠绕结构，将体积膨胀变化放大并转化为包括长度伸缩以及角度旋转在内的两个维度变化，达到驱动功能效果。
纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线螺旋缠绕层12两端可控通入电压或电流时，其间磁场大小能够发生变化，导致磁致伸缩棒11尺寸发生变化，从而使碳纳米管纤维复合结构型电磁致动器10的磁致伸缩棒11与纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线螺旋缠绕层12协同对外产生伸缩或旋转效应的叠加，达到增强致动功能效果。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种碳纳米管纤维复合结构型电磁致动器，其特征在于，包括：碳纳米管纤维复合结构型电致动器或碳纳米管纤维复合结构型电磁致动器；所述碳纳米管纤维复合结构型电致动器，包括：碳纳米管纤维单向螺旋缠绕复合结构型电致动器或碳纳米管纤维双向螺旋缠绕复合结构型电致动器；所述碳纳米管纤维单向螺旋缠绕复合结构型电致动器，包括：纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层、电致伸缩材料层、纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线单向螺旋缠绕层；所述纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层装配于所述碳纳米管纤维单向螺旋缠绕复合结构型电致动器的中部；所述电致伸缩材料层装配于纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层的外部，与纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层紧密接触；所述电致伸缩材料层构成圆筒状结构；所述纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线单向螺旋缠绕层采用纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线按照一定角度方向螺旋缠绕在电致伸缩材料层外面构成外层；所述纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层、电致伸缩材料层、纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线单向螺旋缠绕层共同构成一体化结构。
2.根据权利要求1所述的碳纳米管纤维复合结构型电磁致动器，其特征在于，所述纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线单向螺旋缠绕层的纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线两端连接可控高电压，构成碳纳米管纤维复合结构型电致动器的一个电极，可控通入高电压并接通纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线单向螺旋缠绕层两端；所述纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层的两端连接可控低电压，构成碳纳米管纤维复合结构型电致动器的另一个电极，可控通入低电压并接通纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层两端；所述一个电极与另一个电极之间的两个电极层之间对中间电致伸缩材料层构成具有梯度电压特征的电位差；所述纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线单向螺旋缠绕层、电致伸缩材料层和纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层三层在一体化结构可伸缩或旋转。
3.根据权利要求1所述的碳纳米管纤维复合结构型电磁致动器，其特征在于，所述碳纳米管纤维双向螺旋缠绕复合结构型电致动器，包括：纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层、电致伸缩材料层、纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线双向螺旋缠绕层；所述纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层装配于碳纳米管纤维双向螺旋缠绕复合结构型电致动器的中部；所述电致伸缩材料层装配于纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层的外部，与纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层紧密接触；所述电致伸缩材料层构成圆筒状结构；所述纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线双向螺旋缠绕层，采用两个不相同角度或方向进行螺旋缠绕在电致伸缩材料层外面构成外层；所述纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层、电致伸缩材料层、纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线双向螺旋缠绕层共同构成一体化结构。
4.根据权利要求1或3所述的碳纳米管纤维复合结构型电磁致动器，其特征在于，所述电致伸缩材料层采用电致伸缩材料浸透交叉融入所述纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层的弹簧圈与圈之间及外面，与所述纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层构成复合紧密结构。
5.根据权利要求3所述的碳纳米管纤维复合结构型电磁致动器，其特征在于，所述纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线双向螺旋缠绕层的两个不同方向进行缠绕的纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线两端可分别连接不同性质可控高电压或电流；所述纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线双向螺旋缠绕层构成碳纳米管纤维复合结构型电致动器的一个电极，并可控通入不同性质高电压或电流时纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线双向螺旋缠绕层可伸缩或旋转；所述纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层两端连接可控低电压，构成碳纳米管纤维复合结构型电致动器的另一个电极，并可控通入低电压时纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层可伸缩或旋转；所述一个电极与另一个电极的两个电极层之间对电致伸缩材料层构成具有梯度电压特征的电位差。
6.根据权利要求1所述的碳纳米管纤维复合结构型电磁致动器，其特征在于，所述碳纳米管纤维复合结构型电磁致动器包括：磁致伸缩棒、纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线螺旋缠绕层、磁性外壳；所述磁致伸缩棒外面为纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线螺旋缠绕层；所述纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线螺旋缠绕层外面为磁性外壳；所述磁致伸缩棒、纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线螺旋缠绕层、磁性外壳构成一体化结构；所述纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线螺旋缠绕层的纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线两端可控通入电压或电流，纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线螺旋缠绕层在电压或电流作用下产生伸缩或旋转致动功能。
7.根据权利要求1所述的碳纳米管纤维复合结构型电致动器，其特征在于，所述纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线，包括：由单根碳纳米管纤维组成具有螺旋结构的连续丝线、纳米粒子；所述纳米粒子包括：带电荷的纳米颗粒、纳米电解质物质或纳米离子体；所述碳纳米管纤维纱线的制备方法包括：静电纺丝法、化学气相生长法、湿法纺丝法、干法纺丝法、阵列纺丝法、双卷曲法、高温高速熔喷法、激光拉伸法或Xano Shear法；所述碳纳米管纤维包括：单壁碳纳米管纤维或多壁碳纳米管纤维；所述纳米粒子组装于碳纳米管纤维纱线方法，包括：共混熔融法、溶液渗透法、混浸挤轧法、包覆植入法、混裹缠绕法、涂层涂膜法或健力接枝法。
8.根据权利要求1所述的碳纳米管纤维复合结构型电磁致动器，其特征在于，所述电致伸缩材料层的电致伸缩材料包括：电致伸缩高分子聚合物、电致伸缩陶瓷、电致伸缩介电弹性体、含铅电致伸缩材料、无铅电致伸缩材料、电致伸缩接枝弹性体、弹性体、聚氨酯、电活性聚合物、聚丙烯酸类弹性体、铁电聚合物、导电聚合物、聚电解质凝胶、离子聚合物-金属复合材料、各向异性液晶凝胶弹性体、电致伸缩薄膜材料、电致伸缩圆柱体材料或电致伸缩空心圆筒材料。
9.根据权利要求1所述的碳纳米管纤维复合结构型电磁致动器，其特征在于，所述纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧层中的纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线弹簧，由多束纳米粒子复合型碳纳米管纤维纱线螺旋加工得到。
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