基于MXene/聚合物复合材料的柔性智能驱动器的制备及其多功能性研究

来源 :合肥工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:sishenshini
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随着柔性智能材料研究的不断革新和深入发展,基于柔性材料的智能驱动器已在人工智能、软体机器人等诸多领域展现出了巨大的应用潜力,并逐渐成为当前的研究热点。柔性智能驱动器能够响应例如光、电、湿度和磁场等外部环境刺激并产生特定的机械变形输出,从而将外部能量转换为机械能,具有结构简单、操作便捷、环境适应性强、运动模式多样、多自由度、安全性高等优点。然而目前的柔性驱动器仍然存在制备复杂、刺激源单一、多功能性较差、自主变形智能化程度低等问题,成为柔性智能驱动器发展道路上的阻碍。针对柔性驱动器目前所存在的不足,本文以具有优异光学、电学、以及结构组装特性的二维纳米结构材料MXene(Ti3C2Tx)作为能量转换单元,发展了具有多刺激源响应、驱动与传感多功能的MXene/聚合物复合材料柔性智能驱动器,并研究了其在驱动、传感、自主运动三个方面的机理、性能表现及应用。1)本文通过简单便捷的滴注和粘贴工艺开发出MXene/Paper/PI三层结构复合薄膜材料,它能够响应光(15s内弯曲115°)、电(15s内弯曲133°)、湿度(ΔRH=35%时弯曲109°)的刺激弯曲变形并产生较大的机械力输出,因而可应用于柔性智能驱动器;该驱动器可通过改变刺激源的强度来控制其变形程度,体现出了较好的可控性。其良好的驱动性能主要归功于聚酰亚胺(PI)较高的热膨胀系数,MXene出色的光热转换能力、优异的导电性以及它和纤维素纸(Paper)所共有的良好的亲水性。2)该MXene/Paper/PI柔性薄膜还具有优异的力学传感特性,可作为应变传感器。在受到外力作用时,柔性薄膜自身电阻会发生变化,通过电阻变化不仅可以感知自身形变程度(压缩应变范围0.127%,归一化电阻变化为4.336%;拉伸应变范围0.101%,归一化电阻变化为3.235%)而且能够对变形过程中的弯曲方向进行识别。此外,该应变传感器还具有较为出色的响应速度(400 ms)和灵敏度(压缩应变时GF=30.97;拉伸应变时GF=31.46)。利用MXene/Paper/PI柔性薄膜的驱动和传感特性,制作了一种驱动传感功能集成的机械抓手,该抓手可以在光驱动下拾取物体并通过电阻信号实时反馈自己的工作状态,实现了驱动传感一体化。3)利用MXene/Paper/PI柔性薄膜的光驱动变形特性,通过结构设计,开发了一种在恒定激光刺激下可持续自振荡的自主光驱动器,分析了该驱动器的自振荡运动特点以及产生机理,其自振荡频率和振幅可以通过改变激光输出功率和自身构件重量来进行调节(频率:4.65-6.97 Hz;振幅:0.94-2.61 mm),并且具有出色的自振荡循环稳定性(120320次)。基于该驱动器自主运动的特点,设计了多种应用装置,包括多模态开关、密码信号传输装置、能量转换器以及仿生蜻蜓,证明了其在信号通讯、能量收集与转换、仿生机器人、人机交互等领域的应用潜力。
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