[发明专利]一种MXene复合材料基电化学致动器、其制备方法和用途

说明书

本发明涉及一种MXene复合材料基电化学致动器、其制备方法和用途。所述MXene复合材料基电化学致动器包括两层电极层和一层电解质层，所述电解质层夹在两层电极层中间形成三明治结构；所述两层电极层中包括MXene。本发明所述MXene复合材料基电化学致动器表现出优异的致动性能，具有弯曲形变大、驱动电压低、响应速度快、稳定性良好、可实现对频率的响应等特性；且本发明所述MXene复合材料基电化学致动器可以用作仿生设备，包括用作机械爪来实现物品的抓取，模仿昆虫翅膀的振动、树叶的摆动、花朵的开合等。此外，本发明所述MXene复合材料基电化学致动器的制备工艺简单，无需复杂设备。

技术领域

本发明属于智能高分子材料领域，具体涉及一种MXene复合材料基电化学致动器、其制备方法和用途。

背景技术

动物肌肉可以进行伸缩、弯曲、扭转等复杂运动并产生大的变形，其结构功能达到了令人难以置信的协调。(Madden JDW et al.Artificial muscle technology:physicalprinciples and naval prospects[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering:2004,29:706-728.)一直以来，人们都想模仿动物肌肉的运动，因此，人们一直都在致力于发展出可与动物肌肉媲美的人工肌肉，也称为致动器。我们最常见的致动器是内燃机、电动机和压电陶瓷。内燃机通常在连续运行时效率最高，因此不适于运动频繁中断的应用，例如阀门或步行机器人。与肌肉相比，电动机的扭矩质量低，因此在医疗、机器人和流体应用中体积庞大。压电陶瓷具有较高的功率密度，但应变很小(0.1％)，如果需要大的位移，则必须进行大规模的机械放大。与刚性系统相比，软系统可能容易变形并能够适应不断变化的环境和动态任务设置，对高负载具有弹性，在人类环境中具有顺应性和安全性，并且可进行廉价的批量生产。而聚合物致动器相比于内燃机、电动机和压电陶瓷就属于软材料系统，可以满足上述要求。(Behl M,Lendlein A.Shape-memory polymers[J].Materials Today:2007,10:20-28.)

聚合物致动器就是高度可变形的材料或复合材料，可以通过外界刺激激活以产生所需的运动/变形和力/扭矩。聚合物致动器根据使用材料的不同可以分为流体致动器、凝胶致动器和固态材料致动器，不同的材料可响应的外界刺激和所能应用的领域都不尽相同。Ueno等人利用电动流体喷射现象制备了微型泵，用来模仿蠕虫的运动。在电动流体微型泵中，电共轭流体与电场相互作用，产生强射流，使设备中的可变形腔室产生较高的流体压力，从而产生运动。(Ueno S et al.Micro inchworm robot using electro-conjugatefluid[J].SensorsActuators A Physical:2014,216:36-42.)Gu等人利用阴离子凝胶制备了仿生章鱼，凝胶浸没在离子溶液中，由于凝胶内部和外部之间的离子浓度不同，因此在施加的电场下凝胶能够吸收大量流体，导致其向阴极不对称溶胀，从而产生运动。(Gu HKet al.Biomimetic soft multifunctional miniature aquabots[J].Small:2008,4:2148-2153.)Taccola等人利用电热吸湿材料制备了仿生花，当水分或湿度变化时，吸湿性材料会膨胀或收缩。对于某些凝胶和聚合物，这种溶胀是可以通过温度变化来控制的，这些材料在临界温度下会经历从亲水性溶胀到疏水性收缩的相变。(Taccola S et al.Towarda new generation of electrically controllable hygromorphic soft actuators[J].Advanced Materials:2015,27:1668-1675.)