一种双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备方法技术

一种双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备方法，属于材料科学技术领域。所述方法如下：碳纳米管薄膜的制备：采用化学气相沉积的方法进行碳纳米管薄膜的制备；碳纳米管螺旋纤维的制备：采用机械加捻的方法进行碳纳米管螺旋纤维的制备；配置环氧树脂固化体系：将固化剂加入液态环氧树脂中，搅拌均匀获得环氧树脂固化体系；双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备。本发明专利技术的优点是：制备的碳纳米管螺旋纤维具有多孔结构，并且内部的碳纳米管具有高度取向。制备的碳纳米管螺旋纤维复合材料实现了环氧树脂在碳纳米管螺旋纤维中的均匀灌注，通过控制环氧树脂模量的变化，实现复合材料的可控双向驱动。

Preparation method of bidirectional driving carbon nanotube spiral fiber composite material structure

The invention relates to a preparation method of a bi-directional driving carbon nanotubes spiral fiber composite structure, which belongs to the field of material science and technology. The methods are as follows: preparation of carbon nanotube films: preparation of carbon nanotube films by chemical vapor deposition; preparation of carbon nanotube helical fibers: preparation of carbon nanotube helical fibers by mechanical twisting; configuration of epoxy resin curing system: adding curing agent into liquid epoxy resin The curing system of epoxy resin was obtained by stirring uniformly, and the structure of carbon nanotubes spiral fiber composite was fabricated by two-way driving. The advantages of the invention are that the prepared carbon nanotube spiral fiber has a porous structure and the inner carbon nanotubes have a high orientation. The prepared carbon nanotube spiral fiber composite realizes the uniform filling of epoxy resin in carbon nanotube spiral fiber. By controlling the change of modulus of epoxy resin, the controllable bidirectional driving of the composite is realized.

【技术实现步骤摘要】
一种双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备方法
本专利技术属于材料科学
，具体涉及一种双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备方法。
技术介绍
随着科技的不断进步，仿生学的不断发展，人类对基于仿生构筑的机器人和智能机械系统的开发不断深入，作为机器人和智能机械系统驱动关键的人工肌肉已经成为仿生领域的研究重点。碳纳米管纤维由于其良好的高电导、高热导，也被用作人工肌肉材料。常见的碳纳米管纤维一般为直丝形态，在柔性可拉伸器件方面表现出良好的应用前景，已经在一定程度上可以弯曲，借助于有机物基底可以实现可拉伸。但碳纳米管直纤维在拉伸过程中，碳纳米管易互相滑脱造成不可逆的变形，使得纤维不能弹性回复。此外，直纤维断裂应变也比较低（<10%），因而造成由碳纳米管直纤维制备出的驱动器及人工肌肉形变量和弹性回复力小。此外，单纯利用碳纳米管材料性能制备出的驱动及人工肌肉往往只能实现单向变形，双向驱动回复仍然困难。并且目前利用碳纳米管材料性能和器件结构共同作用实现变形驱动效果十分少见。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有方法制备的碳纳米管直纤维驱动结构变形量小、弹性恢复力小和只能实现单向驱动变形的问题，提供一种双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备方法，利用具有螺旋结构的碳纳米管螺旋纤维与模量可变的环氧树脂复合，制备出双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构。由于碳纳米管螺旋纤维具有类似弹簧的独特结构，高电导率、热导率，弹性形变量大，回复稳定性好等优势，同时碳纳米管对有机溶剂具有良好的润湿性，可以将碳纳米管螺旋纤维跟模量可变的环氧树脂进行复合，制备的复合材料可实现高敏感、大形变的双向驱动。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：一种双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备方法，所述方法按照以下步骤进行：步骤一：碳纳米管薄膜的制备：将催化剂二茂铁和生长促进剂升华硫溶解在液态碳源二甲苯中，得到催化剂、生长促进剂和碳源的混合溶液，二茂铁、升华硫和二甲苯的配制比例为每10~500mL的二甲苯溶解0.1~40g二茂铁粉末和0.002~1g升华硫；采用精密注射泵将催化剂、生长促进剂和碳源的混合溶液注入管式炉预热区中汽化，H2/Ar载气将碳源、催化剂和生长促进剂带入管式炉反应区发生反应，形成碳纳米管薄膜；步骤二：碳纳米管螺旋纤维的制备：将步骤一得到的碳纳米管薄膜两端分别放置在马达和砝码上，转动马达，对碳纳米管薄膜进行机械加捻，得到碳纳米管螺旋纤维；步骤三：配置环氧树脂固化体系：将固化剂加入液态环氧树脂中，搅拌均匀获得环氧树脂固化体系，其中，所述的环氧树脂与固化剂的质量比为1~20：1；步骤四：双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备：将步骤二得到的碳纳米管螺旋纤维进行预拉伸，预拉伸应变为5~50%，并固定两端；之后将步骤三配置的环氧树脂固化体系均匀的涂覆在预拉伸的碳纳米管螺旋纤维上，常温下静置10~120min；待环氧树脂固化体系均匀包覆并渗入碳纳米管螺旋纤维后，用直径1mm的针头刮去碳纳米管螺旋纤维表面多余的环氧树脂固化体系，随后在30~100℃条件下静置1~24h，即得到双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构。本专利技术相对于现有技术的有益效果是：（1）本专利技术采用机械加捻的方式将化学气相沉积法制备的碳纳米管薄膜进行过度扭转获得具有螺旋结构的碳纳米管螺旋纤维，碳纳米管螺旋纤维的SEM结果也证明了这种纤维具有螺旋结构。在形成螺旋结构的同时，碳纳米管之间相互搭接，根据所选碳纳米管薄膜的大小、厚度以及扭转过程中转速大小，获得的螺旋结构中碳纳米管具有不同的取向，与碳纳米管螺旋纤维之间形成不同角度的扭转角。并且，形成螺旋结构以后，碳纳米管螺旋纤维依然保持多孔结构，这为后续环氧树脂的灌注提供了有利条件，解决了现有方法制备的碳纳米管宏观体与树脂基体之间分散性能不理想、力学性能较差的问题，利用环氧树脂对有机溶剂的良好润湿性以及碳纳米管螺旋纤维的多孔结构，可以有效的将环氧树脂灌注进碳纳米管螺旋纤维内部并实现环氧树脂良好的分散。（2）由于碳纳米管具有高强高导的特点，且碳纳米管螺旋纤维中的碳纳米管相互搭接，在复合材料两端施加电压时，通过碳纳米管螺旋纤维的电流产生的焦耳热会提高复合材料的温度，从而降低灌注在多孔的碳纳米管螺旋纤维中的环氧树脂的模量。由于是在碳纳米管螺旋纤维进行5~50%的预拉伸的条件下进行环氧树脂的灌注，在常温下由于树脂的模量非常大，会限制住碳纳米管螺旋纤维的回复，这是碳纳米管螺旋纤维复合材料的初始状态；当在复合材料两端施加电压时，由于环氧树脂的模量下降，不能限制碳纳米管螺旋纤维的回复，复合材料会发生缩短；当撤去复合材料两端的电压时，由于复合材料的温度会自然冷却，环氧树脂的模量逐渐恢复，复合材料重新回到初始状态。利用这种树脂模量的变化，这种碳纳米管螺旋纤维复合材料结构实现了双向驱动效果。（3）通过全新的制备概念，以碳纳米管螺旋纤维为骨架结构，采用直接灌注的方式，将环氧树脂灌注进多孔结构的碳纳米管螺旋纤维内部，制备出碳纳米管螺旋纤维复合材料。利用碳纳米管螺旋纤维的高电导、高热导，对复合材料进行通电时产生的焦耳热能够对灌注进碳纳米管螺旋纤维内部的环氧树脂进行加热，环氧树脂的模量会随温度升高而下降。由于是在预拉伸条件下进行树脂的灌注以及固化，当施加电压导致环氧树脂模量下降时，复合材料变短。当撤去电压后，环氧树脂的模量恢复，从而使碳纳米管螺旋纤维复合材料重新恢复原长。利用电压控制环氧树脂模量的变化，实现碳纳米管螺旋纤维复合材料的可控双向驱动。附图说明图1为实施例2步骤一中所得碳纳米管薄膜的SEM图；图2为实施例2步骤二中所得碳纳米管螺旋纤维的SEM图；图3为实施例2步骤四中所得双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构制备过程示意图；图4为实施例2步骤四中所得双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的SEM图；图5为将实施例2所得碳纳米管螺旋纤维复合材料结构进行弯曲后的实际状态图；图6为将实施例2所得碳纳米管螺旋纤维复合材料结构进行弯曲后，在施加电压时的实际状态图；图7为将实施例2所得碳纳米管螺旋纤维复合材料结构进行弯曲后，在断开电压时的实际状态图；图8为实施例2所得碳纳米管螺旋纤维复合材料结构在初始状态下的光学显微镜图；图9为实施例2所得碳纳米管螺旋纤维复合材料结构在施加电压时的光学显微镜图；图10为实施例2所得碳纳米管螺旋纤维复合材料结构在断开电压时的光学显微镜图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本专利技术技术方案进行修正或等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神范围，均应涵盖在本专利技术的保护范围之中。具体实施方式一：本实施方式记载的是一种双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备方法，所述方法按照以下步骤进行：步骤一：碳纳米管薄膜的制备：采用化学气相沉积的方法进行碳纳米管薄膜的制备：将催化剂二茂铁和生长促进剂升华硫溶解在液态碳源二甲苯中，得到催化剂、生长促进剂和碳源的混合溶液，二茂铁、升华硫和二甲苯的配制比例为每10~500mL的二甲苯溶解0.1~40g二茂铁粉末和0.002~1g升华硫；采用精密注射泵（型号为LSP02-B，购自保定兰格恒流泵有限公司）将催化剂、生长促进剂本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备方法，其特征在于：所述方法按照以下步骤进行：步骤一：碳纳米管薄膜的制备：将催化剂二茂铁和生长促进剂升华硫溶解在液态碳源二甲苯中，得到催化剂、生长促进剂和碳源的混合溶液，二茂铁、升华硫和二甲苯的配制比例为每10~500mL的二甲苯溶解0.1~40g二茂铁粉末和0.002~1g的升华硫；采用精密注射泵将催化剂、生长促进剂和碳源的混合溶液注入管式炉预热区中汽化，H2/Ar载气将碳源、生长促进剂和催化剂带入管式炉反应区发生反应，形成碳纳米管薄膜；步骤二：碳纳米管螺旋纤维的制备：将步骤一得到的碳纳米管薄膜两端分别放置在马达和砝码上，转动马达，对碳纳米管薄膜进行机械加捻，得到碳纳米管螺旋纤维；步骤三：配置环氧树脂固化体系：将固化剂加入液态环氧树脂中，搅拌均匀获得环氧树脂固化体系，其中，所述的环氧树脂与固化剂的质量比为1~20：1；步骤四：双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备：将步骤二得到的碳纳米管螺旋纤维进行预拉伸，预拉伸应变为5~50%，并固定两端；之后将步骤三配置的环氧树脂固化体系均匀的涂覆在预拉伸的碳纳米管螺旋纤维上，常温下静置10~120 min；待环氧树脂固化体系均匀包覆并渗入碳纳米管螺旋纤维后，用直径1mm的针头刮去碳纳米管螺旋纤维表面多余的环氧树脂固化体系，随后在30~100 ℃条件下静置1~24 h，即得到双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构。...

【技术特征摘要】
1.一种双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备方法，其特征在于：所述方法按照以下步骤进行：步骤一：碳纳米管薄膜的制备：将催化剂二茂铁和生长促进剂升华硫溶解在液态碳源二甲苯中，得到催化剂、生长促进剂和碳源的混合溶液，二茂铁、升华硫和二甲苯的配制比例为每10~500mL的二甲苯溶解0.1~40g二茂铁粉末和0.002~1g的升华硫；采用精密注射泵将催化剂、生长促进剂和碳源的混合溶液注入管式炉预热区中汽化，H2/Ar载气将碳源、生长促进剂和催化剂带入管式炉反应区发生反应，形成碳纳米管薄膜；步骤二：碳纳米管螺旋纤维的制备：将步骤一得到的碳纳米管薄膜两端分别放置在马达和砝码上，转动马达，对碳纳米管薄膜进行机械加捻，得到碳纳米管螺旋纤维；步骤三：配置环氧树脂固化体系：将固化剂加入液态环氧树脂中，搅拌均匀获得环氧树脂固化体系，其中，所述的环氧树脂与固化剂的质量比为1~20：1；步骤四：双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备：将步骤二得到的碳纳米管螺旋纤维进行预拉伸，预拉伸应变为5~50%，并固定两端；之后将步骤三配置的环氧树脂固化体系均匀的涂覆在预拉伸的碳纳米管螺旋纤维上，常温下静置10~120min；待环氧树脂固化体系均匀包覆并渗入碳纳米管螺旋纤维后，用直径1mm的针头刮去碳纳米管螺旋纤维表面多余的环氧树脂固化体系，随后在30~100℃条件下静置1~24h，即得到双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构。2.根据权利要求1所述的一种双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备方法，其特征在于：步骤一中，所述的二茂铁和升华硫通过超声方式溶解在液态碳源二甲苯中，超声时间为10~300min，超声功率为10~200kHz，所述的预热区温度为150~500℃，反应区温度为900~1300℃，所述的H2/Ar载气中H2和Ar体积比为1：1~4，载气流速为400~...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭庆宇，徐亮亮，李宜彬，赫晓东，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23