[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于材料科学技术领域，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。

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。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。

发明内容

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，本发明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。

本发明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：