一种电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的制备方法，所述方法包括如下步骤：步骤一、碳纳米管薄膜的制备；步骤二、碳纳米管螺旋纤维的制备；步骤三、配置环氧树脂固化体系；步骤四、碳纳米管螺旋纤维的预拉伸；步骤五、电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的制备。本发明专利技术利用碳纳米管薄膜的柔性，采用机械加捻的方式制备出具有类似弹簧的碳纳米管螺旋纤维，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。本发明专利技术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，可通过控制对碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的施加电压大小，实现对复合材料驱动器的驱动性能的调控。

A preparation method of carbon nanotube helical fiber composite actuator driven by electricity

The invention discloses a preparation method of an electrically driven carbon nanotube spiral fiber composite material driver, the method comprises the following steps: Step 1, preparation of carbon nanotube film; step 2, preparation of carbon nanotube spiral fiber; step 3, configuration of epoxy resin curing system; step 4, pre stretching of carbon nanotube spiral fiber; step 5, electrically driven carbon nano Preparation of meter tube spiral fiber composite actuator. The invention uses the flexibility of the carbon nanotube film to prepare a carbon nanotube spiral fiber with a spring like structure by mechanical twisting. The prepared carbon nanotube spiral fiber has a porous structure and the internal carbon nanotube has a high orientation. The carbon nanotube spiral fiber composite material prepared by the invention realizes the uniform filling of epoxy resin in the carbon nanotube spiral fiber, and can realize the control of the driving performance of the composite material driver by controlling the applied voltage of the carbon nanotube spiral fiber composite driver.

【技术实现步骤摘要】
一种电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的制备方法
本专利技术属于材料科学
，涉及一种电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的制备方法。
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。并且由于环氧树脂的粘度较大，使得其在碳纳米管螺旋纤维中的渗透不够充分，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，会对碳纳米管螺旋纤维复合材料的驱动性能会产生影响。此外，目前常见的碳纳米管纤维驱动器多为热致变形，驱动形式较为单一。
技术实现思路
为了解决现有的碳纳米管纤维驱动器响应时间慢、驱动力小、驱动形式单一，以及现有方法制备的碳纳米管螺旋纤维与环氧树脂的复合材料中，环氧树脂在碳纳米管螺旋纤维中的渗透不够充分，碳纳米管宏观体与树脂基体之间分散性能不理想、力学性能较差等问题，本专利技术提供了一种电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的制备方法。该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，制备出可实现电致驱动的碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器。由于碳纳米管螺旋纤维具有类似弹簧的独特结构，具有高电导率、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、大形变的电致驱动器；利用碳纳米管的导电性，在对碳纳米管螺旋纤维施加外加电压时，由于电流通过产生的焦耳热会使得碳纳米管螺旋纤维的温度升高，由于碳纳米管螺旋纤维为多孔结构，碳纳米管螺旋纤维体积发生膨胀，孔洞变大，从而使环氧树脂能够更容易地渗入碳纳米管螺旋纤维的内部，从而提高碳纳米管螺旋纤维复合材料中的环氧树脂含量，获得驱动性能更好的碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器。并且，由于碳纳米管的高导电性，对碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器施加电压时，碳纳米管螺旋纤维复合材料会升高温度，使得环氧树脂的模量发生变化，从而使复合材料驱动器在施加电压条件下发生驱动变形，实现碳纳米管螺旋纤维驱动器的电致驱动效果。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的制备方法，包括如下步骤：步骤一、碳纳米管薄膜的制备：将催化剂和生长促进剂溶解在液态碳源中，得到催化剂、生长促进剂和碳源的混合溶液，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，其中：所述催化剂为二茂铁，生长促进剂为升华硫溶，液态碳源为二甲苯，催化剂、生长促进剂和碳源的配制比例为每10~500mL的液态碳源溶解0.1~40g催化剂和0.002~1g生长促进剂；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：所述环氧树脂与固化剂的质量比为1~20：1；步骤四、碳纳米管螺旋纤维的预拉伸：将步骤二得到的碳纳米管螺旋纤维进行预拉伸，并固定两端，其中：所述预拉伸应变为5~50%；步骤五、电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的制备：在步骤四中预拉伸的碳纳米管螺旋纤维的两端施加外加电压，然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1~120min；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，而后撤去外加电压，随后在25~100℃条件下静置1~60h，即制备出电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料，其中：所述外加电压的大小为0.5~10V，若施加外加电压过低，则碳纳米管螺旋纤维的孔洞变化不明显，对树脂的渗透影响不大，若施加电压过高，则会破坏碳纳米管螺旋纤维的结构。相比于现有技术，本专利技术具有如下优点：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。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可逆驱动效果。3、本专利技术在灌注树脂时对碳纳米管螺旋纤维进行了施加电压，使得环氧树脂能够更好地渗透进螺旋纤维内部，增加了碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器中的树脂含量，相对于双向驱动结构，本专利技术制备的碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的输出应力及应变得到提升。4、由于碳纳米管的导电性，碳纳米管螺旋纤维宏观体在被施加外加电压时，电流通过碳纳米管螺旋纤维产生的焦耳热会使得碳纳米管螺旋纤维的温度升高，由于碳纳米管螺旋纤维是多孔结构，温度升高会使得纤维体积发生膨胀，更有利于环氧树脂的灌注。相对于现有的在碳纳米管螺旋纤维上直接灌注环氧树脂的方法，更能解决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，同时通过施加外加电压使得碳纳米管螺旋纤维体积温度升高，体积膨胀，孔洞增大，可以更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，从而获得驱动性能更好的碳纳米管螺旋纤维复合材料。相比于直接灌本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：/n步骤一、碳纳米管螺旋纤维的预拉伸：/n将碳纳米管螺旋纤维进行预拉伸，并固定两端；/n步骤二、电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的制备：/n在步骤一中预拉伸的碳纳米管螺旋纤维的两端施加外加电压，然后将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1~120 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，而后撤去外加电压，随后在25~100 ℃条件下静置1~60 h，即制备出电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤一、碳纳米管螺旋纤维的预拉伸：
将碳纳米管螺旋纤维进行预拉伸，并固定两端；
步骤二、电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的制备：
在步骤一中预拉伸的碳纳米管螺旋纤维的两端施加外加电压，然后将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1~120min；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，而后撤去外加电压，随后在25~100℃条件下静置1~60h，即制备出电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料。


2.根据权利要求1所述的电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的制备方法，其特征在于所述外加电压的大小为0.5~10V。


3.根据权利要求1所述的电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的制备方法，其特征在于所述预拉伸应变为5~50%。


4.根据权利要求1所述的电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的制备方法，其特征在于所述碳纳米管螺旋纤维的制备方法如下：
步骤（1）碳纳米管薄膜的制备：
将催化剂和生长促进剂溶解在液态碳源中，得到催化剂、生长促进剂和碳源的混合溶液，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（2）碳纳米管螺旋纤维的制备：
将步骤（1）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。


5.根据权利要求4所述的电致驱动碳纳米管螺旋纤维复...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭庆宇，徐亮亮，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;23