CN114654500A - 一种双响应碳纤维基混合纱线人工肌肉驱动器的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种双响应碳纤维基混合纱线人工肌肉驱动器的制备方法，包括：配置稀释的硅橡胶树脂；将碳纤维均匀的浸润在稀释的硅橡胶树脂中，然后将其悬挂静置，待硅胶完全固化；将制备好的样品进行加捻，直至形成螺旋卷绕式结构；对样品滴加非极性溶剂或放置在毛细管内的非极性溶剂蒸汽中，通过悬挂不同的重物，测试其应变与应力的关系以及功率密度与应力的关系；将导电的铜丝缠绕在得到的样品的两端，再施加不同的电压，同时悬挂不同质量的重物，通过位移传感器测试所述人工肌肉样品的应变与时间的关系。本发明解决了现有人工肌肉驱动时热效应明显、能量转换效率低等缺点，可应用于智能编织物以及智能柔性机器人领域。

Description

一种双响应碳纤维基混合纱线人工肌肉驱动器的制备方法
技术领域
本发明涉及材料科学领域，尤其涉及一种双响应碳纤维基混合纱线人工肌肉驱动器的制备方法。
背景技术
人工肌肉是一种新型的仿生柔性驱动器，对外界的刺激有着较快的响应，产生收缩，扭转，伸长等运动。与生物肌肉类似，人工肌肉具有收缩应力大，功率密度高以及能量转换效率高等特点。在各种类型人工肌肉中，纤维型人工肌肉有着更加优异的驱动性能和广泛的应用前景，而在众多驱动方式中，由溶剂吸附的化学动力驱动方式因其无明显热效应，能量转换效率高，驱动性能优异等优势，引起了人们广泛的研究兴趣。
近年来，越来越多的纤维型人工肌肉被研发出来，其中基于加捻技术的纤维型扭转肌肉和伸缩肌肉得到了广泛的关注，其对环境刺激(温度、溶剂、光、电和pH等)响应快，并且能够产生较大的收缩驱动。例如折叠的碳纳米管(CNT)纱线和聚合物纤维已被用作可逆性、高功率、高功容量的人工肌肉。这些***的纳米级螺旋拓扑结构使纱线或纤维的体积变化转化为扭转驱动，从而驱动卷绕肌肉的大冲程拉伸驱动。溶剂驱动型纤维人工肌肉一般是通过材料对溶剂的吸收导致其体积变化来实现驱动。电热驱动型纤维人工肌肉的驱动一般是通过对人工肌肉两端通电实现的，通电产生的焦耳热使材料升温，从而使得纱线体积发生膨胀，而纤维的捻曲结构会导致其在体积膨胀后产生扭转和伸缩达到驱动的效果。这些电热驱动的人工肌肉驱动能力大大超过了天然骨骼肌(39J kg-1)，由于热能到机械能的转换效率目前比较的低，需要很大的温度变化。为解决这一问题，制备具有多重刺激响应，集成一体化，耐久性优良的人工肌肉材料已经成为了当前的研究热点。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种双响应碳纤维基混合纱线人工肌肉驱动器的制备方法，提高能量转换效率以及驱动应变性能。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种双响应碳纤维基混合纱线人工肌肉驱动器的制备方法，包括：
步骤一：将硅橡胶树脂与固化剂混合搅拌，然后滴加非极性溶剂进行稀释，再充分搅拌配置成稀释的硅橡胶树脂；
步骤二：将碳纤维均匀的浸润在稀释的硅橡胶树脂中，使其充分吸收硅胶，然后将其悬挂静置，待硅胶完全固化；
步骤三：将步骤二制备好的样品进行加捻，直至形成螺旋卷绕式结构；
步骤四：取步骤三获得的人工肌肉样品，对其滴加非极性溶剂或放置在毛细管内的非极性溶剂蒸汽中，通过悬挂不同的重物，测试其应变与应力的关系以及功率密度与应力的关系；
步骤五：将导电的铜丝缠绕在步骤四得到的样品的两端，再施加不同的电压，同时悬挂不同质量的重物，得到双响应碳纤维基混合纱线人工肌肉驱动器，通过位移传感器测试所述人工肌肉样品的应变与时间的关系。
进一步的，所述非极性溶剂为正己烷。
进一步的，所述步骤一中，硅橡胶树脂与固化剂的质量比为20:1，非极性溶剂与硅橡胶树脂的重量比2:1。
进一步的，所述步骤二中，在碳纤维浸润在稀释的硅橡胶树脂前对碳纤维进行预加捻。
进一步的，对碳纤维进行预加捻的具体步骤为：
将完整的一束碳纤维分成若干小束，再进行加捻，加捻载荷为5MPa，加捻转速为150r/min,加捻圈数为20圈。
进一步的，所述步骤三的加捻过程中，悬挂5～10MPa应力，加捻的转速设置在150～200r/min，加捻圈数为50～100圈。
进一步的，所述步骤五中采用的电压范围为5～13V，频率为0.05～0.5Hz。
进一步的，所述步骤四中，获得应变与应力的关系以及功率密度与应力的关系后，对对溶剂吸附驱动的循环稳定性进行测试。
本发明的有益效果：
本发明通过在碳纤维表层均匀的涂覆硅胶，表面平整，内含纳米级孔隙，避免了传统驱动器双层复合结构界面结合弱的弊端，为驱动器具有灵敏响应性提供了结构上的基础保障。
本发明不仅仅有着比天然骨骼肌更高的工作能力，而且可以在不需要热效应的前提下，达到比较高的能量转换效率，操作简单，力学强度高，有着良好的结构稳定性和驱动可逆性，在施加约为0.46Mpa应力，最高可以产生高达45.5％的输出应变，电热测试也表现出较快的响应速率，使其在智能编织物以及智能柔性机器人领域有极大的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例的一种双响应碳纤维基混合纱线人工肌肉驱动器的制备方法的流程示意图。
图2为本发明实施例制备的不同直径的碳纤维硅胶混合纱线人工肌肉的光学显微镜图；
图3为本发明实施例双响应驱动碳纤维混合纱线人工肌肉的驱动原理图；在其滴加溶剂之后，内部的硅胶分子会吸收正己烷分子发生体积膨胀，从而产生收缩效应；
图4为本发明实施例所制备的人工肌肉在溶剂吸附驱动下的应力-应变、应力-功率密度的测试关系示意图；
图5为本发明实施例所制备的人工肌肉在溶剂吸附驱动下的50次循环稳定性测试结果示意图；
图6为本发明实施例所制备人工肌肉的电热驱动测试，在施加13V电压，调节0.05Hz的频率，悬挂26.35g的重物下的应变-时间的测试结果示意图；
具体实施方式
为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受于下面公开的具体实施的限制。
下面结合附图，详细描述根据本发明实施例的一种双响应碳纤维基混合纱线人工肌肉驱动器的制备方法。
请参阅图1至图6，根据本发明实施例的一种双响应碳纤维基混合纱线人工肌肉驱动器的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：采用规格型号为Mold max 25的硅橡胶树脂，称取4g的硅胶，按照质量比为20:1的比例将Mold max 25硅橡胶树脂与固化剂混合搅拌，然后滴加非极性溶剂进行稀释，利用搅拌转子将其在磁力搅拌器上搅拌10～20min，搅拌转速约为200r/min进行充分搅拌，配置成未固化稀释的硅橡胶树脂；
非极性溶剂可以是正己烷、***、氯仿、丙酮、乙醇等，通过实验验证，本实施例采用正己烷，最高可以产生高达45.5％的输出应变，同时也可以产生高达约552.54J kg-1的机械能。可以提升自身重几千倍的物体重量，同时不产生旋转运动。如附图5所示，循环测试表明，制备得到的人工肌肉具有良好的结构稳定性和驱动可逆性。
步骤二：取规格型号为Toray T700SC系列的碳纤维作为原材料，将完整的一束碳纤维分成大约6小束，并对其进行预加捻，加捻载荷大约为5MPa，加捻转速为150r/min，加捻圈数为20圈左右，目的是为去除纤维中的杂质并增强纤维的拉伸性能，然后将其悬挂在铁架台上，利用扎带固定从而避免退捻，以便后续步骤使用；
步骤三：将步骤二得到的碳纤维均匀的浸润在稀释的硅橡胶树脂中，使其充分吸收硅胶，然后再悬挂在铁架台上或者放置在真空干燥箱中，静置12小时左右，使硅胶充分的固化得到样品；
步骤四：将步骤三制备好的样品进行加捻，直至形成螺旋卷绕式结构，其中在加捻的过程当中，悬挂大约5～10MPa应力，加捻的转速设置在150～200r/min，加捻圈数大约为50～100圈；
步骤五：将步骤四获得的样品放置在光学显微镜上观察其微观结构，如附图2所示，通过光学显微镜可以测量不同样品的直径。这里测量得出的直径大约为500μm，所挂重物的质量利用高精密天秤称量得出为10mg，再通过直径与质量可以间接的计算出载荷的大小。利用铁架台搭建测试平台，将所制备的碳纤维硅胶混合纱线人工肌肉悬挂在铁架台上，一端固定不动，另一端分别悬挂不同重物的砝码，其中可利用一根扎带来控制砝码的转动进而避免该形成螺旋结构的人工肌肉退捻。然后滴加正己烷或者通正己烷蒸汽观察样品的收缩情况，如附图5所示，在悬挂重为26.35g的砝码的条件下，样品产生了40％以上的收缩应变；
步骤六：将样品悬挂在测试平台上，分别悬挂不同的重物，再利用载荷计算公式计算出载荷，进而利用胶头滴管在样品上滴加正己烷溶剂，通过红外线位移传感器得出其收缩量的大小。再利用输出应变与功率密度计算公式计算出不同载荷下输出应变与功率密度的大小。所测结果如附图4所示，最高可以产生高达45.5％的输出应变，同时也可以产生高达约552.54J kg-1的机械能，从而达到了大应变高功率密度的效果。
步骤七：对溶剂吸附驱动的循环稳定性进行测试，如附图5所示，在50次循环的测试实验下，该肌肉依旧保持着良好的结构稳定性和驱动可逆性，并且收缩应变始终维持在一个不错的效果，图中的ΔL为收缩量的大小。
步骤八：将导电的铜丝缠绕在步骤七得到的样品的两端，因为碳纤维自身具有良好的导电性，所以只要将导电性较好的铜丝缠绕在样品的两端，再施加不同的电压和不同的频率，同时悬挂不同质量的重物，得到双响应碳纤维基混合纱线人工肌肉驱动器。通过高精度位移传感器测试其时间位移的曲线，采用的电压范围在5～13V，频率是0.05～0.5Hz，经过多次试验，可以发现在通13V电压，0.05Hz频率，悬挂26.35g重物的情况下，达到了比较好的效果，输出应变可以达到8.56％左右，并且循环稳定性，响应速度都达到了不错的效果。
本发明所制备的具有溶剂吸附、电热驱动双响应人工肌肉致动器的工作原理为：通过具有非极性溶剂吸附能力的硅橡胶膨胀材料对溶剂的吸收导致其发生内部体积的变化。然后利用膨胀溶剂的吸收和解吸来产生线性的尺寸变化，从而提供伸长和收缩，如附图3所示。而高度加捻的纤维会自发地形成螺旋卷曲结构，这种结构与弹簧结构相似，为纤维提供了明显的伸缩驱动，可用公式来解释：ΔL＝l2ΔT/N,其中ΔL是线圈长度的变化，l是构成线圈的纤维长度，ΔT是纤维捻度的变化，N是线圈数。主要是由于构成此弹簧的扭曲纤维的扭转产生的伸长效应。
综上，本发明不仅仅有着比天然骨骼肌更高的工作能力，而且可以在不需要热效应的前提下，达到比较高的能量转换效率，操作简单，力学强度高，有着良好的结构稳定性和驱动可逆性，在施加约为0.46Mpa应力，最高可以产生高达45.5％的输出应变，电热测试也表现出较快的响应速率，使其在智能编织物以及智能柔性机器人领域都展现出了极大的应用前景。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种双响应碳纤维基混合纱线人工肌肉驱动器的制备方法，其特征在于，包括：
步骤一：将硅橡胶树脂与固化剂混合搅拌，然后滴加非极性溶剂进行稀释，再充分搅拌配置成稀释的硅橡胶树脂；
步骤二：将碳纤维均匀的浸润在稀释的硅橡胶树脂中，使其充分吸收硅胶，然后将其悬挂静置，待硅胶完全固化；
步骤三：将步骤二制备好的样品进行加捻，直至形成螺旋卷绕式结构；
步骤四：取步骤三获得的人工肌肉样品，对其滴加非极性溶剂或放置在毛细管内的非极性溶剂蒸汽中，通过悬挂不同的重物，测试其应变与应力的关系以及功率密度与应力的关系；
步骤五：将导电的铜丝缠绕在步骤四得到的样品的两端，再施加不同的电压，同时悬挂不同质量的重物，得到双响应碳纤维基混合纱线人工肌肉驱动器，通过位移传感器测试所述人工肌肉样品的应变与时间的关系。
2.根据权利要求1所述的双响应碳纤维基混合纱线人工肌肉驱动器的制备方法，其特征在于，所述非极性溶剂为正己烷。
3.根据权利要求1所述的双响应碳纤维基混合纱线人工肌肉驱动器的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，硅橡胶树脂与固化剂的质量比为20:1，非极性溶剂与硅橡胶树脂的重量比2:1。
4.根据权利要求1所述的双响应碳纤维基混合纱线人工肌肉驱动器的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，在碳纤维浸润在稀释的硅橡胶树脂前对碳纤维进行预加捻。
5.根据权利要求4所述的双响应碳纤维基混合纱线人工肌肉驱动器的制备方法，其特征在于，对碳纤维进行预加捻的具体步骤为：
将完整的一束碳纤维分成若干小束，再进行加捻，加捻载荷为5MPa，加捻转速为150r/min,加捻圈数为20圈。
6.根据权利要求1所述的双响应碳纤维基混合纱线人工肌肉驱动器的制备方法，其特征在于，所述步骤三的加捻过程中，悬挂5～10MPa应力，加捻的转速设置在150～200r/min，加捻圈数为50～100圈。
7.根据权利要求1所述的双响应碳纤维基混合纱线人工肌肉驱动器的制备方法，其特征在于，所述步骤五中采用的电压范围为5～13V，频率为0.05～0.5Hz。
8.根据权利要求1所述的双响应碳纤维基混合纱线人工肌肉驱动器的制备方法，其特征在于，所述步骤四中，获得应变与应力的关系以及功率密度与应力的关系后，对对溶剂吸附驱动的循环稳定性进行测试。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115290447A (zh) * 2022-08-10 2022-11-04 香港理工大学深圳研究院 一种超螺旋状复合纤维驱动器的模量分析测试方法

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