[发明专利]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

说明书

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。

技术领域

本发明属于材料科学技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，本发明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10~120 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。

本发明相对于现有技术的有益效果是：