东华大学《Adv Fiber Mater》:一种柔性电热驱动复合材料膜!

电热驱动器(ETA)是一种能在电热刺激下将电能转化为机械能的智能设备,在软体机器人、人工肌肉和智能器件等领域具有巨大的应用潜力。近期,东华大学纺织学院许福军教授课题组在《Advanced Fiber Materials》上发表了题为“Low‑Voltage Activating, Fast Responding Electro‑thermal Actuator Basedon Carbon Nanotube Film/PDMS Composites” 的研究型论文,提出了一种低电压驱动、快速响应的轻薄型柔性电热驱动复合材料膜的设计与制备方法。东华大学纺织学院摩洛哥籍留学生Mohamed Amine Aouragh为本文第一作者,东华大学纺织学院许福军教授为通讯作者。

图1 CNTF/PDMS电热驱动复合材料制备工艺示意图

本研究选用高电导率(~ 1000 S/ cm)和热导率(~ 80 W/(m·k) )的碳纳米管薄膜作为电热层,选用高热膨系数(9.3 × 10-4°C−1)的聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为热膨胀层。通过涂层工艺(如图1),实现非对称双层结构的CNTF/PDMS电热驱动复合材料。连接施加电压后,碳管导电层的焦耳热效应使涂覆其表面的聚合物升温膨胀,最终导致CNTF/PDMS复合材料发生可逆、可控的弯曲变形,将电能转化为弯曲机械能。当PDMS涂层厚度为1.5 mm左右,CNTF/PDMS电热驱动器显示出了低能量驱动、快速响应和优异可控性等综合性能。

图2  CNTF/PDMS电热驱动材料在8 v电压下弯曲角度和多次循环驱动稳定性

在8 V的低驱动电压下,在12 秒钟内CNTF/PDMS电热驱动材料的最大弯曲角达到324°,此时材料升温到351摄氏度。CNTF/PDMS复合材料经过20次循环电压加载后,驱动的弯曲角度基本不变(~100°)。此外,经过20次循环电压后,制动器弯曲时间和回复时间也基本保持稳定,显示出CNTF/PDMS电热驱动器的驱动性能的可靠性、稳定性和可控性。

图3 CNTF/PDMS复合材料驱动器在低温下的驱动性能

为了演示该驱动器在低温下的应用潜力,将制备好的CNTF/PDMS复合材料驱动器嵌入冻结的冰块中,如图3。在8 V电压加载下,驱动器上的冰在20 s内融化,在25 s后弯曲到110°。此外,基于CNTF/PDMS复合材料ETA制作并测试了一种柔性机器人手指,该手指可抓取其自身1.3倍,携带5.1倍重量的物体,显示了该材料在软机器人、人工肌肉等领域的重要潜力。

课题组简介:

许福军,教授/博导,东华大学纺织学院副院长。主要从事纺织结构复合材料、三维纺织功能材料、碳纳米管复合材料的研究工作。先后主持国家自然科学基金、上海市自然科学基金、教育部博士点基金,上海市军民融合重大专项,杜邦公司(中国研发中心)等科研项目20余项。在Adv. Mater.; ACS Nano; ACS AMI等SCI杂志发表论文70篇;其中复合材料领域三大期刊Compos. Sci. Technol.; Compos. Part A-Appl. S.; Compos.Part B-Eng论文20余篇;授权国家发明专利45项 (转化4项);现任Compos Part B-Eng; J.Text. Sci.&Fash.Tech.和 Advanced Fiber Materials(Special Issue)等杂志编委。许福军教授指导的科技创新课题,荣获 “挑战杯大学生课外创新作品竞赛”,“全国二等奖”,“上海市特等奖”等国家/省部级奖励25项;个人荣获 “上海市挑战杯大学生创业大赛,优秀指导教师”;中国纺织工程学会“优秀硕士论文奖”指导教师;中国纺织类高校大学生创意创新创业大赛,优秀指导教师;中国纺织工业联合会教学成果奖; “2020年上海市五四青年奖章集体” (负责人)等荣誉。先后任中国复合材料学会(高级会员),中国纺织工程学院会员,中国化学学会会员,国际尖端材料协会中国大陆区会员。

原文信息:

Mohamed Amine Aouraghe, Mengjie Zhou,Yiping Qiu, Fujun Xu* Low‑Voltage Activating, Fast RespondingElectro‑thermal Actuator Based on Carbon Nanotube Film/PDMS Composites. Adv.Fiber Mater., (2021)

https://doi.org/10.1007/s42765-020-00060-w

期刊介绍:

《先进纤维材料》 (Advanced Fiber Materials) (ISSN: 2524-7921 (Print) 2524-793X(Online))是一本由同行评议、国际性、跨学科的研究期刊,旨在发表纤维材料、纤维基器件及其应用领域内高水平论文,反映纤维领域的快速前沿发展。Advanced Fiber Materials由纤维材料改性国家重点实验室(东华大学)发起,中国科学院院士朱美芳教授任主编,东华大学和中国材料研究学会共同主办,由Springer Nature出版集团代理海外纸本发行和全球电子版发行,发表论文类型包括原创研究、综述文章、前瞻性快报、观点、新闻和亮点。本期刊将于2021年发行6期,欢迎广大科研人员将高质量的研究论文、综述文章等投稿至此期刊。所有文章在接受后将立即在线发布并可以被引用,作者无需缴纳任何版面费,欢迎投稿。

期刊官网:https://www.springer.com/journal/42765

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