带纤维的人工肌肉材料制造技术

本发明专利技术涉及一种带纤维的人工肌肉材料，包括基底和增强相，基底由人工肌肉材料制成，增强相为设置在基底中的纤维。本发明专利技术通过在人工肌肉材料制成的基底中加入纤维的方式对其性能进行增强，通过对不同模量的纤维种类的选择，以及对纤维之间的铺设密度的调节，可以实现对人工肌肉材料的不同程度的增强。同时，可以通过对纤维方向与铺设路径的设计，实现人工肌肉材料的各向异性，使其在不同方向的力学输出强度不同，满足工程实际应用的需求。所提供的带纤维的人工肌肉材料的制备方法工艺简单，制成的带纤维的人工肌肉材料中增强相与人工肌肉材料结合稳固。

【技术实现步骤摘要】
带纤维的人工肌肉材料
本专利技术涉及人工肌肉材料
，尤其涉及一种带纤维的人工肌肉材料。
技术介绍
近几十年以来，随着人类科学技术快速发展，国内外研究人员对工业应用中各种常见的硬性材料开展了系统性研究，相关理论与技术体系较为完善。然而自然界中的众多天然结构（例如树叶、动物肌肉、微生物等）通常是柔性的。这些柔性结构受外界刺激(如机械力、温度、电磁场等)可以产生显著变形，而且通过变形可实现某种功能。这种具有刺激-响应-功能一体化特性的大变形材料，称为活性软材料，例如介电高弹聚合物、离子凝胶、液晶、生物大分子等。由于这些软材料具有变形幅度大、刺激响应灵敏、环境适应性好、种类丰富等优势，其在工程技术与生物医疗等领域具有广阔的应用前景。人工肌肉材料是一种介电高弹聚合物，该种材料既可以将电能转换为机械能实现驱动功能，又可将机械能转换为电能实现发电或传感，具有可控变形大、能量密度高、响应速度快、噪声小、质量轻、成本低等优势，在航空航天、柔性电子等领域具有巨大的应用潜力。人工肌肉材料的输出强度不足是严重阻碍其实际应用进程的关键问题之一。另外，普通人工肌肉材料一般为各向同性的匀质材料，而实际工程结构对不同方向通常有不同的强度特性要求，往往更加注重功能结构在某一个或者几个自由度方向的输出能力，而在其他自由度方向的输出性能满足基本要求即可。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供一种带纤维的人工肌肉材料及其制备方法，该带纤维的人工肌肉材料可以有效地克服现有技术中存在的技术问题。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种带纤维的人工肌肉材料，包括基底和增强相，所述基底由人工肌肉材料制成，所述增强相为设置在基底中的经过表面改性的纤维。通过在人工肌肉材料制成的基底中加入纤维的方式对其性能进行增强。进一步地，所述基底为单层结构，所述纤维包埋在基底中。进一步地，所述基底为多层结构，所述纤维包埋在基底各层的层内或铺设在基底各层的层间。进一步地，所述纤维为离散的短纤维。进一步地，所述纤维为连续的直线纤维，所述连续的直线纤维与基底延伸方向的夹角为常数。进一步地，所述纤维为连续的曲线纤维，所述连续的曲线纤维与基底延伸方向的夹角为沿着指定方向周期性线性变化的函数。进一步地，所述纤维为两组相互交叉形成网状的连续的直线纤维，两组连续的直线纤维与基底延伸方向的夹角为常数。进一步地，所述人工肌肉材料为硅橡胶、丙烯酸、离子聚合物、液晶弹性体中的一种或多种。进一步地，所述纤维为经过表面改性的纤维。进一步地，所述纤维为经过表面改性的碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、橡胶纤维中的一种或多种。纤维通过电化学方法、等离子技术、酸碱腐蚀、偶联剂对表面官能团修饰等方法对其表面进行改性，以实现纤维与基底的高强度连接。本专利技术还提供了单层结构的带纤维的人工肌肉材料的制备方法：将人工肌肉材料的单体预聚物均匀混合，放置于模具之中，将纤维铺设或包埋于预聚物之中，然后加热、交联成型，即得到单层的带纤维的人工肌肉材料。本专利技术还提供了多层结构的带纤维的人工肌肉材料的制备方法：先将两个单层的人工肌肉材料薄膜进行相同程度的预拉伸，然后将纤维铺设在其中一层薄膜的表面，再将另一层薄膜覆盖在其上，最后进行加热挤压，即可得到多层结构的带纤维的人工肌肉材料。本专利技术通过在人工肌肉材料制成的基底中加入纤维的方式对其性能进行增强，通过对不同模量的纤维种类的选择，以及对纤维之间的铺设密度的调节，可以实现对人工肌肉材料的不同程度的增强。同时，可以通过对纤维方向与铺设路径的设计，实现人工肌肉材料的各向异性，使其在不同方向的力学输出强度不同，满足工程实际应用的需求。附图说明图1本专利技术中一个实施例的结构示意图；图2本专利技术中增强相为两组相互交叉形成网状的连续的直线纤维时的结构示意图；图3本专利技术中增强相为连续的曲线纤维时的结构示意图；图4本专利技术中增强相为离散的短纤维时的结构示意图；图5本专利技术中基底为双层结构时的结构示意图；图6本专利技术中基底为三层结构时的结构示意图；其中，图中的件号表示为：1、基底；2、增强相；11、上表层、12、中间层；13、下表层；a、方向角；a1、第一方向角；a2、第二方向角；b、夹角;c、基底延伸方向。具体实施方式下面将参考附图并结合实施例来详细说明本专利技术。以下结合附图对本专利技术的原理和特征进行描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。所举实例只用于解释本专利技术，并非用于限定本专利技术的范围。如图1-6所示，本专利技术提供了一种带纤维的人工肌肉材料，包括基底1和增强相2，基底1由人工肌肉材料制成，增强相2为设置在基底1中的纤维。基底1为单层结构时，增强相2包埋在基底1中。当基底1为多层结构时，增强相2可以包埋在基底1各层的层内或者铺设在基底1各层的层间；也可以在基底1的层内包埋纤维，同时在基底1各层的层间铺设纤维。本申请中，将纤维铺设的方向与基底延伸方向c的夹角称为方向角a。如图1所示，基底1是由人工肌肉材料制成的单层薄膜。组成增强相2的纤维为连续的直线纤维，连续的直线纤维包埋在薄膜中，其铺设方向与薄膜型基底延伸方向c的夹角（即方向角a）为常数。根据任务载荷需求，可以对纤维铺设的方向角a进行设计，以增大人工肌肉材料在需求的单个方向的输出强度。优选方向角a为0-90°。例如，当方向角为90°时，人工肌肉材料在0°方向上的输出变形增大。如图5所示，基底1由两层人工肌肉材料制成的薄膜叠合而成，增强相2为铺设在两层薄膜之间的连续的直线纤维。如图6所示，基底1由三层人工肌肉材料制成的薄膜叠合而成，包括上表层11、中间层12和下表层13；增强相2包括铺设在下表层13和中间层12之间的连续的直线纤维，以及包埋在上表层11内的连续的直线纤维。组成增强相2的纤维还可以呈现为其他多种结构形式。如图2所示，组成增强相2的纤维还可以是连续的曲线纤维，连续的曲线纤维铺设方向与薄膜型基底延伸方向c的夹角（即方向角a）为沿着指定方向周期性线性变化的函数（可以是单周期，也可以是多周期）。根据任务载荷需求，可以对纤维铺设的方向角a进行设计，实现人工肌肉薄膜在所需求的方向的输出强度增大，提高人工肌肉薄膜在多个方向的综合性能。如图3所示，组成增强相2的纤维为两组相互交叉形成网状的连续的直线纤维，两组连续的直线纤维与基底延伸方向c的夹角（即第一方向角a1、第二方向角a2）分别为常数。根据任务载荷需求，可以对纤维铺设的第一方向角a1、第二方向角a2以及两组连续的直线纤维之间的夹角b进行设计，灵活的实现人工肌肉薄膜在所需求的方向的输出强度增大，提高人工肌肉薄膜在多个方向的综合性能。如图4所示，增强相为离散的短纤维，可以通过对离散纤维的取向、纤维的长度、纤维的分布间隔等进行设计，灵活的实现人工肌肉材料的整体和/或局部的输出强度增大。本专利技术中，制备基底1的人工肌肉材料的优选硅橡胶、丙烯酸、离子聚合物、液晶弹性体中的一种或多种。当基底1为多层结构时，图6所示，上表层11、中间层12、下表层13可以选用同种人工肌肉材料，也可以分别选用不同的人工肌肉材料制成。基底1的形状并不限于薄膜，还可以是柱状、球状等。构成增强相2的纤维优选经过表面改性的纤维，如优选经过表面改性的碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、橡胶纤维中的一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种带纤维的人工肌肉材料，其特征在于，包括基底（1）和增强相（2），所述基底（1）由人工肌肉材料制成，所述增强相（2）为设置在基底（1）中的纤维。

【技术特征摘要】
1.一种带纤维的人工肌肉材料，其特征在于，包括基底（1）和增强相（2），所述基底（1）由人工肌肉材料制成，所述增强相（2）为设置在基底（1）中的纤维。2.根据权利要求1所述的带纤维的人工肌肉材料，其特征在于，所述基底（1）为单层结构，所述纤维包埋在基底（1）中。3.根据权利要求1所述的带纤维的人工肌肉材料，其特征在于，所述基底（1）为多层结构，所述纤维包埋在基底（1）各层的层内或铺设在基底（1）各层的层间。4.根据权利要求1-3任一项所述的带纤维的人工肌肉材料，其特征在于，所述纤维为离散的短纤维。5.根据权利要求1-3任一项所述的带纤维的人工肌肉材料，其特征在于，所述纤维为连续的直线纤维，所述连续的直线纤维与基底（1）延伸方向的夹角为常数。6.根据权利要求1-3任一...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鹏飞，张雁，曹莹泽，李振，王博，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11