CN108454131B - 带纤维的人工肌肉材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种带纤维的人工肌肉材料，包括基底和增强相，基底由人工肌肉材料制成，增强相为设置在基底中的纤维。本发明通过在人工肌肉材料制成的基底中加入纤维的方式对其性能进行增强，通过对不同模量的纤维种类的选择，以及对纤维之间的铺设密度的调节，可以实现对人工肌肉材料的不同程度的增强。同时，可以通过对纤维方向与铺设路径的设计，实现人工肌肉材料的各向异性，使其在不同方向的力学输出强度不同，满足工程实际应用的需求。所提供的带纤维的人工肌肉材料的制备方法工艺简单，制成的带纤维的人工肌肉材料中增强相与人工肌肉材料结合稳固。
Description
技术领域
本发明涉及人工肌肉材料技术领域，尤其涉及一种带纤维的人工肌肉材料。
背景技术
近几十年以来，随着人类科学技术快速发展，国内外研究人员对工业应用中各种常见的硬性材料开展了系统性研究，相关理论与技术体系较为完善。然而自然界中的众多天然结构（例如树叶、动物肌肉、微生物等）通常是柔性的。这些柔性结构受外界刺激(如机械力、温度、电磁场等)可以产生显著变形，而且通过变形可实现某种功能。这种具有刺激-响应-功能一体化特性的大变形材料，称为活性软材料，例如介电高弹聚合物、离子凝胶、液晶、生物大分子等。由于这些软材料具有变形幅度大、刺激响应灵敏、环境适应性好、种类丰富等优势，其在工程技术与生物医疗等领域具有广阔的应用前景。人工肌肉材料是一种介电高弹聚合物，该种材料既可以将电能转换为机械能实现驱动功能，又可将机械能转换为电能实现发电或传感，具有可控变形大、能量密度高、响应速度快、噪声小、质量轻、成本低等优势，在航空航天、柔性电子等领域具有巨大的应用潜力。
人工肌肉材料的输出强度不足是严重阻碍其实际应用进程的关键问题之一。另外，普通人工肌肉材料一般为各向同性的匀质材料，而实际工程结构对不同方向通常有不同的强度特性要求，往往更加注重功能结构在某一个或者几个自由度方向的输出能力，而在其他自由度方向的输出性能满足基本要求即可。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种带纤维的人工肌肉材料及其制备方法，该带纤维的人工肌肉材料可以有效地克服现有技术中存在的技术问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种带纤维的人工肌肉材料，包括基底和增强相，所述基底由人工肌肉材料制成，所述增强相为设置在基底中的经过表面改性的纤维。通过在人工肌肉材料制成的基底中加入纤维的方式对其性能进行增强。
进一步地，所述基底为单层结构，所述纤维包埋在基底中。
进一步地，所述基底为多层结构，所述纤维包埋在基底各层的层内或铺设在基底各层的层间。
进一步地，所述纤维为离散的短纤维。
进一步地，所述纤维为连续的直线纤维，所述连续的直线纤维与基底延伸方向的夹角为常数。
进一步地，所述纤维为连续的曲线纤维，所述连续的曲线纤维与基底延伸方向的夹角为沿着指定方向周期性线性变化的函数。
进一步地，所述纤维为两组相互交叉形成网状的连续的直线纤维，两组连续的直线纤维与基底延伸方向的夹角为常数。
进一步地，所述人工肌肉材料为硅橡胶、丙烯酸、离子聚合物、液晶弹性体中的一种或多种。
进一步地，所述纤维为经过表面改性的纤维。
进一步地，所述纤维为经过表面改性的碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、橡胶纤维中的一种或多种。
纤维通过电化学方法、等离子技术、酸碱腐蚀、偶联剂对表面官能团修饰等方法对其表面进行改性，以实现纤维与基底的高强度连接。
本发明还提供了单层结构的带纤维的人工肌肉材料的制备方法：将人工肌肉材料的单体预聚物均匀混合，放置于模具之中，将纤维铺设或包埋于预聚物之中，然后加热、交联成型，即得到单层的带纤维的人工肌肉材料。
本发明还提供了多层结构的带纤维的人工肌肉材料的制备方法：先将两个单层的人工肌肉材料薄膜进行相同程度的预拉伸，然后将纤维铺设在其中一层薄膜的表面，再将另一层薄膜覆盖在其上，最后进行加热挤压，即可得到多层结构的带纤维的人工肌肉材料。
本发明通过在人工肌肉材料制成的基底中加入纤维的方式对其性能进行增强，通过对不同模量的纤维种类的选择，以及对纤维之间的铺设密度的调节，可以实现对人工肌肉材料的不同程度的增强。同时，可以通过对纤维方向与铺设路径的设计，实现人工肌肉材料的各向异性，使其在不同方向的力学输出强度不同，满足工程实际应用的需求。
附图说明
图1 本发明中一个实施例的结构示意图；
图2 本发明中增强相为两组相互交叉形成网状的连续的直线纤维时的结构示意图；
图3本发明中增强相为连续的曲线纤维时的结构示意图；
图4本发明中增强相为离散的短纤维时的结构示意图；
图5本发明中基底为双层结构时的结构示意图；
图6本发明中基底为三层结构时的结构示意图；
其中，图中的件号表示为：
1、基底；2、增强相；11、上表层、12、中间层；13、下表层；a、方向角；a1、第一方向角；a2、第二方向角；b、夹角;c、基底延伸方向。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1-6所示，本发明提供了一种带纤维的人工肌肉材料，包括基底1和增强相2，基底1由人工肌肉材料制成，增强相2为设置在基底1中的纤维。
基底1为单层结构时，增强相2包埋在基底1中。当基底1为多层结构时，增强相2可以包埋在基底1各层的层内或者铺设在基底1各层的层间；也可以在基底1的层内包埋纤维，同时在基底1各层的层间铺设纤维。
本申请中，将纤维铺设的方向与基底延伸方向c的夹角称为方向角a。
如图1所示，基底1是由人工肌肉材料制成的单层薄膜。组成增强相2的纤维为连续的直线纤维，连续的直线纤维包埋在薄膜中，其铺设方向与薄膜型基底延伸方向c的夹角（即方向角a）为常数。根据任务载荷需求，可以对纤维铺设的方向角a进行设计，以增大人工肌肉材料在需求的单个方向的输出强度。优选方向角a为 0-90°。例如，当方向角为 90°时，人工肌肉材料在 0°方向上的输出变形增大。
如图5所示，基底1由两层人工肌肉材料制成的薄膜叠合而成，增强相2为铺设在两层薄膜之间的连续的直线纤维。
如图6所示，基底1由三层人工肌肉材料制成的薄膜叠合而成，包括上表层11、中间层12和下表层13；增强相2包括铺设在下表层13和中间层12之间的连续的直线纤维，以及包埋在上表层11内的连续的直线纤维。
组成增强相2的纤维还可以呈现为其他多种结构形式。
如图2所示，组成增强相2的纤维还可以是连续的曲线纤维，连续的曲线纤维铺设方向与薄膜型基底延伸方向c的夹角（即方向角a）为沿着指定方向周期性线性变化的函数（可以是单周期，也可以是多周期）。根据任务载荷需求，可以对纤维铺设的方向角a进行设计，实现人工肌肉薄膜在所需求的方向的输出强度增大，提高人工肌肉薄膜在多个方向的综合性能。
如图3所示，组成增强相2的纤维为两组相互交叉形成网状的连续的直线纤维，两组连续的直线纤维与基底延伸方向c的夹角（即第一方向角a1、第二方向角a2）分别为常数。根据任务载荷需求，可以对纤维铺设的第一方向角a1、第二方向角a2以及两组连续的直线纤维之间的夹角b进行设计，灵活的实现人工肌肉薄膜在所需求的方向的输出强度增大，提高人工肌肉薄膜在多个方向的综合性能。
如图4所示，增强相为离散的短纤维，可以通过对离散纤维的取向、纤维的长度、纤维的分布间隔等进行设计，灵活的实现人工肌肉材料的整体和/或局部的输出强度增大。
本发明中，制备基底1的人工肌肉材料的优选硅橡胶、丙烯酸、离子聚合物、液晶弹性体中的一种或多种。当基底1为多层结构时，图6所示，上表层11、中间层12、下表层13可以选用同种人工肌肉材料，也可以分别选用不同的人工肌肉材料制成。
基底1的形状并不限于薄膜，还可以是柱状、球状等。
构成增强相2的纤维优选经过表面改性的纤维，如优选经过表面改性的碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、橡胶纤维中的一种或多种。
纤维材料表面改性的方法为：通过电化学方法、等离子技术、酸碱腐蚀、偶联剂对表面官能团修饰等方法对纤维材料表面改性。如，可以利用电化学氧化法处理碳纤维，使其表面具有更多反应活性的羟基（-OH）和羧基（-COOH）官能团；玻璃纤维可使用氧等离子体技术对表面丰富的氧化物进行处理，产生丰富的羟基基团。
经过表面改性的纤维，由于其表面具有更多反应活性的官能团，可以和周围人工肌肉材料形成共价键连接，从而增强纤维和基底1的复合强度；防止在拉伸的过程中，纤维和基底1脱粘。
本发明还提供了上述带纤维的人工肌肉材料的制备方法。
（1）制备单层结构的带纤维的人工肌肉材料
以基底1材质选用硅橡胶，增强相2选用经过表面改性的碳纤维为例：将硅橡胶的单体预聚物（如商用道康宁184的A、B组分）均匀混合，放置于模具之中，再将经过表面改性的碳纤维以设计的方向铺设或包埋于预聚物之中，然后加热、交联成型，从而得到带纤维的人工肌肉材料。该方法工艺简单，制成的带纤维的人工肌肉材料中增强相2与人工肌肉材料结合稳固，不易发生剥离。其中经过表面改性的碳纤维是通过电化学氧化法处理的碳纤维，其表面具有更多反应活性的羟基（-OH）和羧基（-COOH）官能团。
（2）制备单层结构的带纤维的人工肌肉材料
以基底1材质选用丙烯酸，增强相2选用经过表面改性的玻璃纤维为例，先将两个单层的丙烯酸薄膜进行相同程度的预拉伸，玻璃纤维铺设在其中一层丙烯酸薄膜的表面，再将另一层丙烯酸覆盖在其上，最后进行加热挤压，即可制备成多层结构的带纤维的人工肌肉材料。使用氧等离子体技术对玻璃纤维表面丰富的氧化物进行处理，产生丰富的羟基基团，然后将处理后的
本发明通过在人工肌肉材料制成的基底1中加入纤维（特别是经过表面改性的纤维）的方式对其性能进行增强，通过对不同模量的纤维种类的选择，以及对纤维之间的铺设密度的调节，可以实现对人工肌肉材料的不同程度的增强。同时，可以通过对纤维方向与铺设路径的设计，实现人工肌肉材料的各向异性，使其在不同方向的力学输出强度不同，满足工程实际应用的需求。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语 “上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (8)
1.一种带纤维的人工肌肉材料，其特征在于，包括基底(1)和增强相(2)，所述基底(1)由人工肌肉材料制成，所述增强相(2)为设置在基底(1)中的纤维，其中
所述基底(1)为多层结构，所述纤维包埋在基底(1)各层的层内或铺设在基底(1)各层的层间；
所述多层结构通过以下方法制备：先将两个单层的人工肌肉材料进行相同程度的预拉伸，然后将纤维铺设在其中一层人工肌肉材料的表面，再将另一层人工肌肉材料覆盖在其上，最后进行热挤压，即可得到多层结构的带纤维的人工肌肉材料。
2.根据权利要求1所述的带纤维的人工肌肉材料，其特征在于，所述纤维为离散的短纤维。
3.根据权利要求1所述的带纤维的人工肌肉材料，其特征在于，所述纤维为连续的直线纤维，所述连续的直线纤维与基底(1)延伸方向的夹角为常数。
4.根据权利要求1所述的带纤维的人工肌肉材料，其特征在于，所述纤维为连续的曲线纤维，所述连续的曲线纤维与基底(1)延伸方向的夹角为沿着指定方向周期性线性变化的函数。
5.根据权利要求1所述的带纤维的人工肌肉材料，其特征在于，所述纤维为两组相互交叉形成网状的连续的直线纤维，两组连续的直线纤维与基底(1)延伸方向的夹角为常数。
6.根据权利要求1所述的带纤维的人工肌肉材料，其特征在于，所述人工肌肉材料为硅橡胶、丙烯酸、离子聚合物、液晶弹性体中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的带纤维的人工肌肉材料，其特征在于，所述纤维为经过表面改性的纤维。
8.根据权利要求1或7所述的带纤维的人工肌肉材料，其特征在于，所述纤维为经过表面改性的碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、橡胶纤维中的一种或多种。
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| DE102013205440A1 (de) * | 2013-03-27 | 2014-10-02 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils mit verstärktem Anbindungsabschnitt zur lokalen Krafteinleitung |
| WO2017058339A2 (en) * | 2015-07-16 | 2017-04-06 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Sheath-core fibers for superelastic electronics, sensors, and muscles |
| CN208133643U (zh) * | 2017-12-28 | 2018-11-23 | 中国空间技术研究院 | 人工肌肉结构 |
-
2017
- 2017-12-28 CN CN201711464735.XA patent/CN108454131B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1171924A (zh) * | 1997-05-08 | 1998-02-04 | 黄上立 | 一种人工管状肌肉及其应用 |
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| CN208133643U (zh) * | 2017-12-28 | 2018-11-23 | 中国空间技术研究院 | 人工肌肉结构 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 三自由度人工肌肉驱动器的静力学研究;刘荣，宗光华;机器人(第03期) * |
| 刘荣，宗光华.三自由度人工肌肉驱动器的静力学研究.机器人.1994,(03),第160-164页. * |
| 刘荣，宗光华.三自由度人工肌肉驱动器的静力学研究.机器人.1994,(第03期), * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108454131A (zh) | 2018-08-28 |
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