卷曲和非卷曲加捻纳米纤维纱线及聚合物纤维扭转和拉伸驱动器制造技术

包括捻纺纳米纤维纱线或插捻聚合物纤维的驱动器(人造肌肉)在经电、光、化学、热、通过吸收或通过其它方式供能时产生扭转和/或拉伸驱动。这些人造肌肉利用非卷曲或卷曲纱线并且可为纯的或包括客体。还描述了包括这些人造肌肉的设备。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】卷曲和非卷曲加捻纳米纤维纱线及聚合物纤维扭转和拉伸驱动器相关申请案的交叉引用本申请要求2012年8月1日提交的，标题为“CoiledAndNon-CoiledNanofibersYarnTorsionalAndTensileActuators”的美国专利申请序列号61/678,340和2013年3月14日提交的，标题为“CoiledAndNon-CoiledTwistedNanofiberYarnAndPolymerFiberTorsionalAndTensileActuators”的美国专利申请序列号61/784,126的优先权，所述专利申请为本专利技术的所有人共同拥有。这些专利申请特此以引用的方式整体并入用于所有目的。政府利益本专利技术受政府支持在空军科学研究处授予的批准号FA9550-09-1-0537和FA9550-12-1-0211、空军授予的批准号AOARD-10-4067和海军研究办公室授予的MURI批准号N00014-08-1-0654下进行。政府具有本专利技术的某些权利。本专利技术还受来自韦尔奇基金会(RobertA.Welch本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非电化学驱动器，包括：(a)第一驱动捻纺纳米纤维纱段，其包括纳米纤维和可操作以通过选自加热、暴露于辐射、暴露于化学品或化学品混合物及其任何组合的变化过程，经受体积的重大变化的驱动纱线客体；(b)与所述第一驱动捻纺纳米纤维纱段直接或间接耦合的第一附件，其中(i)所述非电化学驱动器可操作以提供选自拉伸驱动、扭转驱动、拉伸驱动和扭转驱动的同时可用组合及其任何组合的驱动；(ii)所述第一附件可操作以使得能够利用所述驱动，其中所述驱动至少部分由所述第一驱动捻纺纳米纤维纱段产生。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.08.01 US 61/678,340;2013.03.14 US 61/784,1261.一种热供能卷曲聚合物纤维拉伸驱动器，包括加捻聚合物纤维，所述加捻聚合物纤维具有卷曲形状，其中
(a)在施加的载荷下，所述热供能卷曲聚合物纤维拉伸驱动器归因于温度变化可逆地膨胀或收缩所述卷曲形状；
(b)对于呈自由态卷曲的聚合物纤维而言，所述热供能卷曲聚合物纤维拉伸驱动器具有至少为5的冲程放大因子，其中所述冲程放大因子是对于环境和载荷条件的相同变化而言，聚合物纤维插捻之后以百分比表示的驱动器冲程与聚合物纤维插捻之前的驱动器冲程之比；且
(c)其中所述加捻聚合物纤维是热供能、非电化学卷曲聚合物纤维拉伸驱动器。


2.根据权利要求1所述的热供能卷曲聚合物纤维拉伸驱动器，其中所述热供能卷曲聚合物纤维拉伸驱动器包括第一末端和第二末端，并且其中所述第一末端和第二末端扭转拴系以阻止在所述热供能卷曲聚合物纤维拉伸驱动器驱动期间，所述第一末端和第二末端之间的相对转动。


3.根据权利要求1所述的热供能卷曲聚合物纤维拉伸驱动器，进一步包括减少达到反向驱动的冷却时间的装置，其中所述装置选自(i)在含氦气氛中操作所述热供能卷曲聚合物纤维拉伸驱动器，(ii)在含氢气氛中操作所述热供能卷曲聚合物纤维拉伸驱动器，(iii)于水浴中操作所述热供能卷曲聚合物纤维拉伸驱动器，和(iv)在流动液体中操作所述热供能卷曲聚合物纤维拉伸驱动器。


4.根据权利要求1所述的热供能卷曲聚合物纤维拉伸驱动器，其中所述聚合物纤维进一步包括热退火聚合物纤维以至少部分提供热定型。


5.根据权利要求1所述的热供能卷曲聚合物纤维拉伸驱动器，其中所述聚合物纤维包含选自尼龙6、尼龙6,6、聚乙烯、聚偏氟乙烯及其组合的聚合物纤维。


6.一种驱动器系统，包括根据权利要求1-5中任一项所述的热供能卷曲聚合物纤维拉伸驱动器，其具有以下至少一种
(1)使得所述热供能卷曲聚合物拉伸纤维驱动器的电加热成为可能的电线接头，
(2)使得所述热供能卷曲聚合物拉伸纤维驱动器的光热加热成为可能的辐射源和辐射途径，
(3)用于递送其反应引起所述热供能卷曲聚合物拉伸纤维驱动器的加热的化学品的递送系统。


7.根据权利要求6所述的驱动器系统，进一步包括使用选自以下的加热元件通过电加热进行热驱动的加热设备：
(1)所述热供能卷曲聚合物纤维拉伸驱动器的所述加捻聚合物纤维上的导电涂层；
(2)所述热供能卷曲聚合物纤维拉伸驱动器的聚合物卷上的导电涂层；
(3)缠绕所述热供能卷曲聚合物纤维拉伸驱动器的所述加捻聚合物纤维的导电电线、纱线或薄板条；
(4)缠绕所述热供能卷曲聚合物纤维拉伸驱动器的一个卷的导电电线、纱线或薄板条；
(5)缠绕所述热供能卷曲聚合物纤维的所述加捻聚合物纤维的导电纳米纤维；
(6)缠绕所述热供能卷曲聚合物纤维拉伸驱动器的一个卷的导电纳米纤维；
(7)所述热供能卷曲聚合物纤维拉伸驱动器内的导电组分；以及
(8)十分靠近所述热供能卷曲聚合物纤维拉伸驱动器的电热器。


8.一种物品，其包括根据权利要求1-5中任一项所述的热供能卷曲聚合物纤维拉伸驱动器，其中
(a)所述物品可操作以热驱动；以及
(b)所述物品选自(i)纺织品或编织物，(ii)用于打开和关闭百叶窗或窗帘以调节光透射或气流的机械装置，(iii)用于医疗设备或玩具的机械传动装置，(iv)大型或微型泵、阀门传动装置或流体混合器，(v)用于打开和关闭电路或打开和关闭锁的机械继电器，(vi)用于高度灵敏的电化学分析物分析的旋转电极的扭转传动装置，(vii)用于光学设备的机械传动装置，(viii)用于光学设备，打开和关闭快门，使镜头或灯光扩散器平移或旋转，提供改变柔性镜头焦距变化的变形，或使显示器上的像素旋转或平移以在显示器上提供变化图像的机械传动装置，(ix)提供触觉信息的机械传动装置，(x)为外科医生手套中的触觉设备或盲文显示器提供触觉信息的机械传动装置，(xi)用于智能表面，使得表面结构能够变化的机械传动系统，(xii)用于外骨骼、假肢或机器人的机械传动系统，(xiii)用于为人形机器人提供逼真面部表情的机械传动系统，(xiv)用于温度敏感性材料，响应于环境温度打开和关闭通风孔或改变孔隙率的智能包装，(xv)响应于环境温度或由光热加热产生的温度打开或关闭阀门的机械系统，(xvi)使用光热加热或电加热，控制太阳能电池相对于太阳方向的取向的机械传动装置，(xvii)光热驱动的微型装置，(xviii)使用温度的波动产生作为电能采集的机械能的热或光热驱动能量采集器，(xix)贴身衣服，其中使用热驱动以便于进入所述衣服，(xx)用于提供可调节顺应性的设备，其中通过电热驱动提供所述可调节顺应性，和(xxi)平移或旋转定位器。


9.一种纺织品或编织物，包含一根以上根据权利要求1所述的热供能卷曲聚合物纤维拉伸驱动器，其中由于根据权利要求1所述的热供能卷曲聚合物纤维拉伸驱动器，所述纺织品或编织物可操作以在大部分中热驱动。


10.根据权利要求9所述的纺织品或编织物，
(a)其中所述纺织品或编织物可操作以归因于温度变化而热驱动，完成选自以下的驱动：(1)完成机械作业，(2)产生力，(3)改变纺织品或编织物尺寸，(4)打开和关闭纺织品或编织物孔隙，和(5)其组合，并且
(b)所述温度变化可对应于环境温度变化或由电或光热加热引起的温度变化。


11.一种制造非电化学扭转聚合物纤维驱动器的工艺，包括：
(a)选择高强度、链高度定向的前体聚合物纤维，其中所述前体聚合物纤维为单丝或多丝；并且
(b)通过加捻方法插入捻度至所述前体聚合物纤维以形成加捻聚合物纤维，其中所述加捻方法选自下组：
(i)向所述前体聚合物纤维中插捻，其中捻度低于产生所述聚合物纤维的卷曲所需的高捻度，
(ii)向所述前体聚合物纤维中插捻直至发生卷曲，
(iii)向所述前体聚合物纤维中插捻直至大体上沿着整个纤维长度发生卷曲，
(iv)在第一方向上向所述前体聚合物纤维和第二前体聚合物纤维中插捻，然后通过对合股使用与插捻相反的方向，使所述前体聚合物纤维和所述第二前体聚合物纤维合股在一起制成双股纤维；以及
(c)拴系所述加捻聚合物纤维以阻止解捻，其中所述加捻聚合物纤维因于温度变化可逆地膨胀或收缩，以用作热供能聚合物纤维扭转驱动系统中的聚合物纤维驱动元件。


12.根据权利要求11所述的工艺，其中所述聚合物纤维驱动元件包括第一末端和第二末端，并且其中所述聚合物纤维驱动元件的所述第一末端和所述第二末端扭转拴系以阻止在所述聚合物纤维...

【专利技术属性】
技术研发人员：李娜，C·S·海恩斯，M·D·利玛，M·容德安德雷德，S·方，J·欧，M·E·科兹洛夫，F·高科泰普，O·高科泰普，D·徐，R·H·鲍曼，
申请(专利权)人：德克萨斯州大学系统董事会，
类型：发明
国别省市：美国;US