一种利用超级加捻实现大应变人工肌肉的制作方法技术

本发明专利技术涉及一种利用超级加捻实现大应变人工肌肉的制作方法，通过碳纳米管纤维浸润复合有机硅橡胶，然后利用加捻方式制备出具有超大应变的超螺旋结构复合人工肌肉纱线。经本方法改进制作出来的超螺旋结构的碳纳米管人工肌肉纱线纤维可以提供较大的冲程和可逆驱动，对于应用在仿生机器人、电热康复手套、可穿戴设备等具有广阔的应用前景。相较于气动、磁热、电化学等驱动方式，电热驱动具有应用广泛、能源获取简单等固有优势，其驱动方式在日常生活中应用非常广泛，获取能量来源简单，不需要额外的设备。外的设备。外的设备。

【技术实现步骤摘要】
一种利用超级加捻实现大应变人工肌肉的制作方法


[0001]本专利技术涉及一种利用超级加捻实现大应变人工肌肉的制作方法，适用于智能织物、柔性康复手套以及仿生机器人等


技术介绍

[0002]人工肌肉顾名思义是一种仿照自然肌肉制作出来的一种柔性驱动器。人工肌肉在外界刺激条件下（如温度、电流、湿度、离子、光、磁场）可以产生伸缩、弯曲、扭转以及他们的组合等运动形式。人工肌肉作为一种新型仿生柔性驱动器与生物肌肉类似，具有收缩应力大，功率密度高以及能量转换效率高等优点。在软体机器人、柔性外骨骼、智能织物、传感器以及生物医疗领域等领域有着广阔的应用前景。
[0003]目前可以用作人工肌肉的智能材料包括形状记忆合金、电活性聚合物、碳纳米管纤维、尼龙线、石墨烯纤维、天然纤维和聚乙烯纤维等。其中碳纳米管纤维作为碳纳米管（CNT）的多种宏观组装体之一，继承了碳纳米管优异的导电性、导热性、力学强度高等特点且是目前已知材料比强度最高的材料。使用碳纳米管纤维制作出来的碳纳米管人工肌肉纱线纱线具有强度大，响应速度快，循环性好，工作电压低等诸多优点。经过研究发现碳纳米管制作的纤维具有良好的导电性、导热性及各向异性，受热会发生膨胀，但由纯碳纳米管制作的人工肌肉纱线纱线应变仅有1%，实际应用价值不大。
[0004]碳纳米管人工肌肉纱线的驱动方式多样，例如电化学驱动、气动驱动和光驱动等。针对碳纳米管材料的人工肌肉纱线电化学驱动，主要是在电解液或凝胶电解质中，碳纳米管人工肌肉纱线作为工作电极，施加电压后，电解液/质中的溶剂化离子重新进入碳纳米管纤维束之间的微纳米孔道中，导致材料发生宏观形变，从而可以通过改变电压来控制碳纳米管人工肌肉纱线的驱动。电化学驱动虽然具有低电压、易控制、能量密度高且没有热效应的优点，但是电化学驱动需要使用电解液，但是目前还没有有效的封装手段，应用场景受限。针对碳纳米管材料的人工肌肉纱线气动驱动，主要是将气动碳纳米管人工肌肉纱线通过气体嵌入腔体引起不均匀体积膨胀而产生形变，具有快速驱动、大收缩冲程、可编程等特点，但它们需要压力泵，不便于携带使用。针对碳纳米管材料的碳人工肌肉纱线光驱动，由于其产生的收缩应变相对较小以及响应较慢的缺点，限制了它们的使用。针对碳纳米管材料的人工肌肉纱线电热驱动，由于具有清洁无污染、获取简单、且易于控制、制作简单等优点，受到诸多研究者的青睐。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种利用超级加捻实现大应变人工肌肉的制作方法，实现电热驱动下对碳纳米管人工肌肉纱线在输出应变、循环稳定性等性能上的改进。
[0006]为实现上述专利技术目的，本专利技术采取的技术方案为：一种利用超级加捻实现大应变人工肌肉的制作方法，包括如下步骤：S1：将碳纳米管薄膜卷成圆筒状，然后将其一端连接电机，一端施加重物，用一个长条状物体连接重物端，用物体将长条物体卡住，以保证下端
不会随着电机转动而转动，控制电机以规定的速度将所述碳纳米管薄膜加捻成恰好形成纤维的状态，取下碳纳米管纤维，将两端捻的不好的部分剪掉，然后重新使用回形针打结固定；S2：将步骤S1中的碳纳米管纤维浸入稀释过的硅胶溶液中，浸润规定时间后，将碳纳米管纤维垂直拿出，进行干燥处理；S3：将步骤S2中固化好的碳纳米管纤维一端重新连接电机，另一端施加重物，用一个长条状物体连接重物端，用物体将长条物体卡住，以保证下端不会随着电机转动而转动，控制电机以规定的速度旋转，直到将固化好的碳纳米管纤维完全被加捻成超螺旋结构的碳纳米管人工肌肉纱线，并立刻给电机断电。S4：将步骤S3中的超螺旋结构的碳纳米管人工肌肉纱线取下，悬挂在铁架台上，在两端的回形针上分别用铜丝打结作为导线通电使用，使用直流稳压电源连接两端铜线，通过施加电压来对超螺旋结构的碳纳米管人工肌肉纱线进行性能训练。
[0007]上述方案中，步骤S1中，所述圆筒状的碳纳米管薄膜的制备方法为：将碳纳米管垂直阵列放入模具中，拉出6层以上的碳纳米管薄膜，所述碳纳米管薄膜的总宽度大于200mm，并通过模具将所述碳纳米管薄膜卷成圆筒状。
[0008]上述方案中，步骤S1中，所述碳纳米管垂直阵列的制备方法为：通过化学气相沉积方法（CVD）来制备，首先，由甲烷作为碳源，二茂铁、噻吩蒸汽分别用作催化剂和生长促进剂，以氦气作为载气将以上气态原料通入反应器中，碳纳米管的合成过程在700℃以上进行，保证反应在氢气气氛中进行，最终制得多壁碳纳米管垂直阵列。
[0009]上述方案中，步骤S2中，所述硅胶溶液的制备方法为：将硅胶基体和固化剂按照规定比例配置硅胶溶液，然后使用有机溶剂进行稀释，稀释后进行脱气处理。
[0010]上述方案中，步骤S2中，干燥处理的过程为：将纤维取出后放入真空干燥箱箱中进行快速固化，或者放在室温情况自然风干固化。
[0011]上述方案中，步骤S3中，形成超螺旋结构碳纳米管人工肌肉纱线的具体过程为：在电机旋转过程中所述固化好的碳纳米管纤维首先被加捻成螺旋结构，然后继续控制电机以相同速度继续加捻，直到纤维长度变短速度加快，直径明显变大，表明已经出现超螺旋结构，直至纤维完全形成超螺旋结构的碳纳米管人工肌肉纱线。
[0012]上述方案中，步骤S4中，对超螺旋结构的碳纳米管人工肌肉纱线进行性能训练的具体过程为：在超螺旋结构的碳纳米管人工肌肉纱线下端悬挂重物，拉开碳纳米管人工肌肉纱线的螺旋节，训练时先使用1 Hz,占空比50%，3 V的脉冲测试其能否导电，观测到能导电之后，以2 V为梯度递加，每次加完电压后，以此电压，前述其它相同条件，持续训练十几秒，逐步加电压，直到出现冒烟现象，立刻断电，以比冒烟时电压低3
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4V的电压持续训练，直到碳纳米管人工肌肉纱线的收缩性能趋于稳定，后续训练均以比冒烟情况下的电流低0.05 A的电流进行训练，经过训练的碳纳米管人工肌肉纱线循环稳定性能达到最优状态。
[0013]本专利技术还保护一种利用上述制作方法形成的大应变碳纳米管人工肌肉纱线。
[0014]本专利技术的有益效果：（1）经本方法改进制作出来的超螺旋结构的碳纳米管人工肌肉纱线纤维可以提供较大的冲程和可逆驱动，对于应用在仿生机器人、电热康复手套、可穿戴设备等具有广阔的应用前景。（2）相较于气动、磁热、电化学等驱动方式，电热驱动具有应用广泛、能源获取简单等固有优势，其驱动方式在日常生活中应用非常广泛，获取能量来源简单，不需要额外的设备。
附图说明
[0015]图1.为超级螺旋结构的碳纳米管人工肌肉纱线工艺过程展示图。
[0016]图2.为碳纳米管人工肌肉纱线SEM图。
[0017]图3.为CNT@Mold MaxTM25超螺旋结构人工肌肉纱线在2 Hz频率、13 V电压、8.965 g载荷下的循环稳定性测试性能图。
[0018]图4.为CNT@Mold MaxTM25超螺旋结构人工肌肉纱线在15 V、11.2 MPa、0.2 Hz下的相应的应变与时间关系图像。
[0019]图5.为超螺旋结构与复合硅胶了的普通螺旋结构的在不本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用超级加捻实现大应变人工肌肉的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：将碳纳米管薄膜卷成圆筒状，然后将其一端连接电机，一端施加重物，用一个长条状物体连接重物端，用物体将长条物体卡住，以保证下端不会随着电机转动而转动，控制电机以规定的速度将所述碳纳米管薄膜加捻成恰好形成纤维的状态，取下碳纳米管纤维，将两端捻的不好的部分剪掉，然后重新使用回形针打结固定；S2：将步骤S1中的碳纳米管纤维浸入稀释过的硅胶溶液中，浸润规定时间后，将碳纳米管纤维垂直拿出，进行干燥处理；S3：将步骤S2中固化好的碳纳米管纤维一端重新连接电机，另一端施加重物，用一个长条状物体连接重物端，用物体将长条物体卡住，以保证下端不会随着电机转动而转动，控制电机以规定的速度旋转，直到将固化好的碳纳米管纤维完全加捻成超螺旋结构的碳纳米管人工肌肉纱线，并立刻给电机断电；S4：将步骤S3中的超螺旋结构的碳纳米管人工肌肉纱线取下，悬挂在铁架台上，在两端的回形针上分别用铜丝打结作为导线通电使用，使用直流稳压电源连接两端铜线，通过施加电压来对超螺旋结构的碳纳米管人工肌肉纱线进行性能训练。2.根据权利要求1所述的一种利用超级加捻实现大应变人工肌肉的制作方法，其特征在于，步骤S1中，所述所述圆筒状的碳纳米管薄膜的制备方法为：将碳纳米管垂直阵列放入模具中，拉出6层以上的碳纳米管薄膜，所述碳纳米管薄膜的总宽度大于200mm，并通过模具将所述碳纳米管薄膜卷成圆筒状。3.根据权利要求2所述的一种利用超级加捻实现大应变人工肌肉的制作方法，其特征在于，步骤S1中，所述碳纳米管垂直阵列的制备方法为：通过化学气相沉积方法来制备，首先，由甲烷作为碳源，二茂铁、噻吩蒸汽分别用作催化剂和生长促进剂，以氦气作为载气将以上气态原料通入反应器中，碳纳米管的合成过程在700℃以上进行，保证反应在氢气气...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡兴好，鲍先富，赵凯，王健，李鸿，刘润民，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：