CN108774381B - 一种双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备方法，属于材料科学技术领域。所述方法如下：碳纳米管薄膜的制备：采用化学气相沉积的方法进行碳纳米管薄膜的制备；碳纳米管螺旋纤维的制备：采用机械加捻的方法进行碳纳米管螺旋纤维的制备；配置环氧树脂固化体系：将固化剂加入液态环氧树脂中，搅拌均匀获得环氧树脂固化体系；双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备。本发明的优点是：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。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，通过控制环氧树脂模量的变化，实现复合材料的可控双向驱动。

Description

一种双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备方法
技术领域
本发明属于材料科学技术领域，具体涉及一种双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备方法。
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。此外，单纯利用碳纳米管材料性能制备出的驱动及人工肌肉往往只能实现单向变形，双向驱动回复仍然困难。并且目前利用碳纳米管材料性能和器件结构共同作用实现变形驱动效果十分少见。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有方法制备的碳纳米管直纤维驱动结构变形量小、弹性恢复力小和只能实现单向驱动变形的问题，提供一种双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备方法，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，制备出双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构。由于碳纳米管螺旋纤维具有类似弹簧的独特结构，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、大形变的双向驱动。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备方法，所述方法按照以下步骤进行：
步骤一：碳纳米管薄膜的制备：将催化剂二茂铁和生长促进剂升华硫溶解在液态碳源二甲苯中，得到催化剂、生长促进剂和碳源的混合溶液，二茂铁、升华硫和二甲苯的配制比例为每10~500mL的二甲苯溶解0.1~40g二茂铁粉末和0.002~1g升华硫；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；
步骤二：碳纳米管螺旋纤维的制备：将步骤一得到的碳纳米管薄膜两端分别放置在马达和砝码上，转动马达，对碳纳米管薄膜进行机械加捻，得到碳纳米管螺旋纤维；
步骤三：配置环氧树脂固化体系：将固化剂加入液态环氧树脂中，搅拌均匀获得环氧树脂固化体系，其中，所述的环氧树脂与固化剂的质量比为1~20：1；
步骤四：双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备：将步骤二得到的碳纳米管螺旋纤维进行预拉伸，预拉伸应变为5~50%，并固定两端；之后将步骤三配置的环氧树脂固化体系均匀的涂覆在预拉伸的碳纳米管螺旋纤维上，常温下静置10~120 min；待环氧树脂固化体系均匀包覆并渗入碳纳米管螺旋纤维后，用直径1mm的针头刮去碳纳米管螺旋纤维表面多余的环氧树脂固化体系，随后在30~100 ℃条件下静置1~24 h，即得到双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
（1）本发明采用机械加捻的方式将化学气相沉积法制备的碳纳米管薄膜进行过度扭转获得具有螺旋结构的碳纳米管螺旋纤维，碳纳米管螺旋纤维的SEM结果也证明了这种纤维具有螺旋结构。在形成螺旋结构的同时，碳纳米管之间相互搭接，根据所选碳纳米管薄膜的大小、厚度以及扭转过程中转速大小，获得的螺旋结构中碳纳米管具有不同的取向，与碳纳米管螺旋纤维之间形成不同角度的扭转角。并且，形成螺旋结构以后，碳纳米管螺旋纤维依然保持多孔结构，这为后续环氧树脂的灌注提供了有利条件，解决了现有方法制备的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，利用环氧树脂对有机溶剂的良好润湿性以及碳纳米管螺旋纤维的多孔结构，可以有效的将环氧树脂灌注进碳纳米管螺旋纤维内部并实现环氧树脂良好的分散。
（2）由于碳纳米管具有高强高导的特点，且碳纳米管螺旋纤维中的碳纳米管相互搭接，在复合材料两端施加电压时，通过碳纳米管螺旋纤维的电流产生的焦耳热会提高复合材料的温度，从而降低灌注在多孔的碳纳米管螺旋纤维中的环氧树脂的模量。由于是在碳纳米管螺旋纤维进行5~50%的预拉伸的条件下进行环氧树脂的灌注，在常温下由于树脂的模量非常大，会限制住碳纳米管螺旋纤维的回复，这是碳纳米管螺旋纤维复合材料的初始状态；当在复合材料两端施加电压时，由于环氧树脂的模量下降，不能限制碳纳米管螺旋纤维的回复，复合材料会发生缩短；当撤去复合材料两端的电压时，由于复合材料的温度会自然冷却，环氧树脂的模量逐渐恢复，复合材料重新回到初始状态。利用这种树脂模量的变化，这种碳纳米管螺旋纤维复合材料结构实现了双向驱动效果。
（3）通过全新的制备概念，以碳纳米管螺旋纤维为骨架结构，采用直接灌注的方式，将环氧树脂灌注进多孔结构的碳纳米管螺旋纤维内部，制备出碳纳米管螺旋纤维复合材料。利用碳纳米管螺旋纤维的高电导、高热导，对复合材料进行通电时产生的焦耳热能够对灌注进碳纳米管螺旋纤维内部的环氧树脂进行加热，环氧树脂的模量会随温度升高而下降。由于是在预拉伸条件下进行树脂的灌注以及固化，当施加电压导致环氧树脂模量下降时，复合材料变短。当撤去电压后，环氧树脂的模量恢复，从而使碳纳米管螺旋纤维复合材料重新恢复原长。利用电压控制环氧树脂模量的变化，实现碳纳米管螺旋纤维复合材料的可控双向驱动。
附图说明
图1为实施例2步骤一中所得碳纳米管薄膜的SEM图；
图2为实施例2步骤二中所得碳纳米管螺旋纤维的SEM图；
图3为实施例2步骤四中所得双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构制备过程示意图；
图4为实施例2步骤四中所得双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的SEM图；
图5为将实施例2所得碳纳米管螺旋纤维复合材料结构进行弯曲后的实际状态图；
图6为将实施例2所得碳纳米管螺旋纤维复合材料结构进行弯曲后，在施加电压时的实际状态图；
图7为将实施例2所得碳纳米管螺旋纤维复合材料结构进行弯曲后，在断开电压时的实际状态图；
图8为实施例2所得碳纳米管螺旋纤维复合材料结构在初始状态下的光学显微镜图；
图9为实施例2所得碳纳米管螺旋纤维复合材料结构在施加电压时的光学显微镜图；
图10为实施例2所得碳纳米管螺旋纤维复合材料结构在断开电压时的光学显微镜图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修正或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神范围，均应涵盖在本发明的保护范围之中。
具体实施方式一：本实施方式记载的是一种双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备方法，所述方法按照以下步骤进行：
步骤一：碳纳米管薄膜的制备：采用化学气相沉积的方法进行碳纳米管薄膜的制备：将催化剂二茂铁和生长促进剂升华硫溶解在液态碳源二甲苯中，得到催化剂、生长促进剂和碳源的混合溶液，二茂铁、升华硫和二甲苯的配制比例为每10~500mL的二甲苯溶解0.1~40g二茂铁粉末和0.002~1g升华硫；采用精密注射泵（型号为LSP02-B，购自保定兰格恒流泵有限公司）将催化剂、生长促进剂和碳源的混合溶液注入管式炉（型号为SK-G10123K，购自天津市中环实验电炉有限公司）预热区中汽化，H2/Ar载气将碳源、生长促进剂和催化剂带入管式炉反应区发生反应，形成碳纳米管薄膜；
步骤二：碳纳米管螺旋纤维的制备：采用机械加捻的方法进行碳纳米管螺旋纤维的制备：将步骤一得到的碳纳米管薄膜两端分别放置在马达和砝码上，转动马达，对碳纳米管薄膜进行机械加捻，得到碳纳米管螺旋纤维；
步骤三：配置环氧树脂固化体系：将固化剂加入液态环氧树脂中，搅拌均匀获得环氧树脂固化体系，其中，所述的环氧树脂与固化剂的质量比为1~20：1；
步骤四：双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备：将步骤二得到的碳纳米管螺旋纤维进行预拉伸，预拉伸应变为5~50%，并固定两端；之后将步骤三配置的环氧树脂固化体系均匀的涂覆在预拉伸的碳纳米管螺旋纤维上，常温下静置10~120 min；待环氧树脂固化体系均匀包覆并渗入碳纳米管螺旋纤维后，用直径1mm的针头刮去碳纳米管螺旋纤维表面多余的环氧树脂固化体系，随后在30~100 ℃条件下静置1~24 h，即得到双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构。
本实施方式的有益效果是：一、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。二、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，通过控制环氧树脂模量的变化，实现复合材料的可控双向驱动。三、通过调节控制碳源溶液进给速率、H2/Ar载气的流量以及反应温度等制备参数可得到具有不同性能指标的碳纳米管薄膜，进一步调控机械加捻过程中的转速可得到不同性能的碳纳米管螺旋纤维，还可通过调控树脂的灌注量得到具有不同驱动性能的碳纳米管螺旋纤维复合材料。
具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备方法，步骤一中，所述的二茂铁和升华硫通过超声方式溶解在液态碳源二甲苯中，超声时间为10~300min，超声功率为10~200 kHz，所述的预热区温度为150~500℃，反应区温度为900~1300℃，所述的H2/Ar载气中H2和Ar体积比为1：1~4，载气流速为400~2000mL/min。
具体实施方式三：具体实施方式一所述的一种双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备方法，步骤一中，H2/Ar载气将碳源、催化剂及生长促进剂带入管式炉反应区发生反应，具体为：首先发生裂解，裂解出的碳原子及碳原子团簇在二茂铁裂解出的铁催化剂作用下，生长成为碳纳米管，反应生成的碳纳米管被氩气和氢气的混合气流迅速带出生长区，均匀沉积在产物收集区，形成大面积的碳纳米管薄膜。
具体实施方式四：具体实施方式二所述的一种双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备方法，所述的预热区温度为200~400℃，反应区温度为1000~1300℃。
具体实施方式五：具体实施方式一所述的一种双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备方法，所述步骤二具体为：将步骤一得到的碳纳米管薄膜一端固定在马达的转头上，另一端粘结在一个可移动的砝码上，砝码置于光滑玻璃片表面，使薄膜悬空放置于马达与砝码之间，调节马达转速，碳纳米管薄膜在马达的转动下逐步收缩，形成一根直纤维，此时纤维不致密，还有很多大孔存在；随着马达继续转动，使得纤维扭转，变得致密，直径变细，成为一根具有过扭的直纤维；保持持续转动逐渐增加过扭，使得超柔性的碳纳米管纤维在局部形成螺旋，并且螺旋从纤维一端形成，沿着纤维轴向顺序形成，其中螺旋开始的位置一般在马达转头处，即获得碳纳米管螺旋纤维。
具体实施方式六：具体实施方式一所述的一种双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备方法，步骤三中，所述的搅拌速度为100~1000 r/min，搅拌时间为5~60 min。
具体实施方式七：具体实施方式一所述的一种双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备方法，步骤三中，所述的环氧树脂与固化剂的质量比为1~15：1。
具体实施方式八：具体实施方式一所述的一种双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备方法，步骤四中，所述的预拉伸应变为10~45%，除去碳纳米管螺旋纤维表面多余的环氧树脂固化体系后，在35~90℃条件下静置1~24h。
实施例1：
一种双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备方法，按以下步骤实现：
一、碳纳米管薄膜的制备：采用化学气相沉积的方法进行碳纳米管薄膜的制备：将20g催化剂二茂铁和0.4g升华硫超声溶解在300mL液态二甲苯中，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迅速汽化，H2/Ar载气将碳源、生长促进剂和催化剂带入管式炉反应区发生裂解，裂解出的碳原子及碳原子团簇在二茂铁裂解出的铁催化剂作用下，生长成为碳纳米管，反应生成的碳纳米管被氩气和氢气的混合气流迅速带出生长区，均匀沉积在产物收集区，形成大面积的碳纳米管薄膜。其中，所述的预热区温度为450℃，反应区温度为1250℃。
二、碳纳米管螺旋纤维的制备：采用机械加捻的方法进行碳纳米管螺旋纤维的制备：取一张步骤一中制备的碳纳米管薄膜，将薄膜一端固定在马达上的转头上，另一端粘结在一个可移动的砝码上（砝码置于光滑玻璃片表面），使薄膜悬空放置于马达与砝码之间；调节马达转速，碳纳米管薄膜在马达的转动下逐步收缩，形成一根直纤维，此时纤维不致密，还有很多大孔存在；随着马达继续转动，使得纤维扭转，变得致密，直径变细，成为一根具有过扭的直纤维；保持持续转动逐渐增加过扭，使得超柔性的单壁碳纳米管纤维在局部形成螺旋，并且螺旋从纤维一端形成，沿着纤维轴向顺序形成，其中螺旋开始的位置一般在马达转头处。其中，所述的马达转速为50 r/min。
三、配置环氧树脂固化体系：称取环氧树脂，加入固化剂，并在搅拌速度为100 r/min的条件下搅拌5min，获得混合物A，其中，所述的环氧树脂与固化剂的质量比为20:1。
四、双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备：将步骤二获得的碳纳米管螺旋纤维进行预拉伸，并将其两端固定；再将步骤三获得的混合物A直接涂覆在预拉伸的碳纳米管螺旋纤维上，常温下静置10 min，待混合物A渗入碳纳米管螺旋纤维中，并除去碳纳米管螺旋纤维表面多余的混合物A，随后在一定温度下静置24h，得到双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构，其中，所述的预拉伸应变为45%，除去多余混合物A后静置的温度条件为50℃。
本实施例所得到的碳纳米管螺旋纤维复合材料，具有类似弹簧形态的微结构，通过施加和撤出外加电压，弹簧螺距发生变化，能够实现双向驱动效果。这种双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构，能够在小于0.8V的电压下实现驱动效果，并能产生超过自重8倍的驱动力，同时能够在5秒内完成整个双向驱动过程。很重要的是，这种双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构能够通过调节施加的电压实现可控的变形与驱动过程。
实施例2：
双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备方法，按以下步骤实现：
一、碳纳米管薄膜的制备：采用化学气相沉积的方法进行碳纳米管薄膜的制备：将10g催化剂二茂铁和0.2g生长促进剂升华硫超声溶解在200mL液态二甲苯中，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迅速汽化，H2/Ar载气将碳源、生长促进剂和催化剂带入管式炉反应区发生裂解，裂解出的碳原子及碳原子团簇在二茂铁裂解出的铁催化剂作用下，生长成为碳纳米管，反应生成的碳纳米管被氩气和氢气的混合气流迅速带出生长区，均匀沉积在产物收集区，形成大面积的碳纳米管薄膜。其中，所述的预热区温度为200℃，反应区温度为1150℃。如图1为所得碳纳米管薄膜的SEM图，为蜘蛛网状的多孔结构。
二、碳纳米管螺旋纤维的制备：采用机械加捻的方法进行碳纳米管螺旋纤维的制备：取一张步骤一中制备的碳纳米管薄膜，将薄膜一端固定在马达上的转头上，另一端粘结在一个可移动的砝码上（砝码置于光滑玻璃片表面），使薄膜悬空放置于马达与砝码之间；调节马达转速，单壁碳纳米管薄膜在马达的转动下逐步收缩，形成一根直纤维，此时纤维不致密，还有很多大孔存在；随着马达继续转动，使得纤维扭转，变得致密，直径变细，成为一根具有过扭的直纤维；保持持续转动逐渐增加过扭，使得超柔性的单壁碳纳米管纤维在局部形成螺旋，并且螺旋从纤维一端形成，沿着纤维轴向顺序形成，其中螺旋开始的位置一般在马达转头处。其中，所述的马达转速为50 r/min。如图2为所得碳纳米管螺旋纤维的SEM图，具有类似弹簧的螺旋结构。
三、配置环氧树脂固化体系：称取环氧树脂，加入固化剂，并在搅拌速度为50 r/min的条件下搅拌5min，获得混合物A，其中，所述的环氧树脂与固化剂的质量比为10:1。
四、双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备：将步骤二获得的碳纳米管螺旋纤维进行预拉伸，并将其两端固定；再将步骤三获得的混合物A直接涂覆在预拉伸的碳纳米管螺旋纤维上，常温下静置10 min，待混合物A渗入碳纳米管螺旋纤维中，并除去碳纳米管螺旋纤维表面多余的混合物A，随后在一定温度下静置24h，得到双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构。其中，所述的预拉伸应变为20%，除去多余混合物A后静置的温度条件为80℃。图3为碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备过程示意图，图4为所制备的碳纳米管螺旋纤维复合材料的SEM图，仍然保持了类似弹簧的微结构。
本实施例所得到的碳纳米管螺旋纤维复合材料，具有类似弹簧形态的微结构（如图5所示）。将所得碳纳米管纤维复合材料进行一定的弯曲，通过施加和撤出外加电压，可以观察到其形态发生变化，施加电压时形态由原始状态的弯曲形态变为直的，撤去电压后，形态重新由直的恢复到弯曲形态（如图5~7所示）。在光学显微镜下观察所得的碳纳米管螺旋纤维复合材料在不同状态下的螺距变化，可以看到在施加电压时，螺距发生减小，撤去电压后，螺距恢复（如图8~10）。上述结果表明，本实施例所得的碳纳米管螺旋纤维复合材料能够实现双向驱动效果。这种双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构，能够在小于0.8V的电压下实现驱动效果，并能产生超过自重8倍的驱动力，同时能够在5秒内完成整个双向驱动过程。很重要的是，这种双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构能够通过调节施加的电压实现可控的变形与驱动过程。
实施例3：
双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备方法，按以下步骤实现：
一、碳纳米管薄膜的制备：采用化学气相沉积的方法进行碳纳米管薄膜的制备：将10g催化剂二茂铁和0.2g生长促进剂升华硫超声溶解在200mL液态二甲苯中，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迅速汽化，H2/Ar载气将碳源、生长促进剂和催化剂带入管式炉反应区发生裂解，裂解出的碳原子及碳原子团簇在二茂铁裂解出的铁催化剂作用下，生长成为碳纳米管，反应生成的碳纳米管被氩气和氢气的混合气流迅速带出生长区，均匀沉积在产物收集区，形成大面积的碳纳米管薄膜，其中，所述的预热区温度为300℃，反应区温度为1100℃。
二、碳纳米管螺旋纤维的制备：采用机械加捻的方法进行碳纳米管螺旋纤维的制备：取一张步骤一中制备的碳纳米管薄膜，将薄膜一端固定在马达上的转头上，另一端粘结在一个可移动的砝码上（砝码置于光滑玻璃片表面），使薄膜悬空放置于马达与砝码之间；调节马达转速，单壁碳纳米管薄膜在马达的转动下逐步收缩，形成一根直纤维，此时纤维不致密，还有很多大孔存在；随着马达继续转动，使得纤维扭转，变得致密，直径变细，成为一根具有过扭的直纤维；保持持续转动逐渐增加过扭，使得超柔性的单壁碳纳米管纤维在局部形成螺旋，并且螺旋从纤维一端形成，沿着纤维轴向顺序形成，其中螺旋开始的位置一般在马达转头处，其中，所述的马达转速为70 r/min。
三、配置环氧树脂固化体系：称取环氧树脂，加入固化剂，并在搅拌速度为10r/min的条件下搅拌50min，获得混合物A，其中，所述的环氧树脂与固化剂的质量比为10:1。
四、双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备：将步骤二获得的碳纳米管螺旋纤维进行预拉伸，并将其两端固定；再将步骤三获得的混合物A直接涂覆在预拉伸的碳纳米管螺旋纤维上，常温下静置10 min，待混合物A渗入碳纳米管螺旋纤维中，并除去碳纳米管螺旋纤维表面多余的混合物A，随后在一定温度下静置24h，得到双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构，其中，所述的预拉伸应变为45%，除去多余混合物A后静置的温度条件为60℃。
本实施例所得到的碳纳米管螺旋纤维复合材料，具有类似弹簧形态的微结构，通过施加和撤出外加电压，弹簧螺距发生变化，能够实现双向驱动效果。这种双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构，能够在小于0.8V的电压下实现驱动效果，并能产生超过自重8倍的驱动力，同时能够在5秒内完成整个双向驱动过程。很重要的是，这种双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构能够通过调节施加的电压实现可控的变形与驱动过程。
实施例4：
双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备方法，按以下步骤实现：
一、碳纳米管薄膜的制备：采用化学气相沉积的方法进行碳纳米管薄膜的制备：将20g催化剂二茂铁和0.4g生长促进剂升华硫超声溶解在300mL液态二甲苯中得到催化剂、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迅速汽化，H2/Ar载气将碳源、生长促进剂和催化剂带入管式炉反应区发生裂解，裂解出的碳原子及碳原子团簇在二茂铁裂解出的铁催化剂作用下，生长成为碳纳米管，反应生成的碳纳米管被氩气和氢气的混合气流迅速带出生长区，均匀沉积在产物收集区，形成大面积的碳纳米管薄膜，其中，所述的预热区温度为400℃，反应区温度为1000℃。
二、碳纳米管螺旋纤维的制备：采用机械加捻的方法进行碳纳米管螺旋纤维的制备：取一张步骤一中制备的碳纳米管薄膜，将薄膜一端固定在马达上的转头上，另一端粘结在一个可移动的砝码上（砝码置于光滑玻璃片表面），使薄膜悬空放置于马达与砝码之间；调节马达转速，单壁碳纳米管薄膜在马达的转动下逐步收缩，形成一根直纤维，此时纤维不致密，还有很多大孔存在；随着马达继续转动，使得纤维扭转，变得致密，直径变细，成为一根具有过扭的直纤维；保持持续转动逐渐增加过扭，使得超柔性的单壁碳纳米管纤维在局部形成螺旋，并且螺旋从纤维一端形成，沿着纤维轴向顺序形成，其中螺旋开始的位置一般在马达转头处，其中，所述的马达转速为400 r/min。
三、配置环氧树脂固化体系：称取环氧树脂，加入固化剂，并在搅拌速度为50r/min的条件下搅拌50min，获得混合物A，其中，所述的环氧树脂与固化剂的质量比为15：1。
四、双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备：将步骤二获得的碳纳米管螺旋纤维进行预拉伸，并将其两端固定；再将步骤三获得的混合物A直接涂覆在预拉伸的碳纳米管螺旋纤维上，常温下静置10 min，待混合物A渗入碳纳米管螺旋纤维中，并除去碳纳米管螺旋纤维表面多余的混合物A，随后在一定温度下静置24h，得到双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构，其中，所述的预拉伸应变为15%，除去多余混合物A后静置的温度条件为70℃。
本实施例所得到的碳纳米管螺旋纤维复合材料，具有类似弹簧形态的微结构，通过施加和撤出外加电压，弹簧螺距发生变化，能够实现双向驱动效果。这种双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构，能够在小于0.8V的电压下实现驱动效果，并能产生超过自重8倍的驱动力，同时能够在5秒内完成整个双向驱动过程。很重要的是，这种双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构能够通过调节施加的电压实现可控的变形与驱动过程。

Claims (8)

1.一种双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备方法，其特征在于：所述方法按照以下步骤进行：
步骤一：碳纳米管薄膜的制备：将催化剂二茂铁和生长促进剂升华硫溶解在液态碳源二甲苯中，得到催化剂、生长促进剂和碳源的混合溶液，二茂铁、升华硫和二甲苯的配制比例为每10~500mL的二甲苯溶解0.1~40g二茂铁粉末和0.002~1g的升华硫；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、生长促进剂和催化剂带入管式炉反应区发生反应，形成碳纳米管薄膜；
步骤二：碳纳米管螺旋纤维的制备：将步骤一得到的碳纳米管薄膜两端分别放置在马达和砝码上，转动马达，对碳纳米管薄膜进行机械加捻，得到碳纳米管螺旋纤维；
步骤三：配置环氧树脂固化体系：将固化剂加入液态环氧树脂中，搅拌均匀获得环氧树脂固化体系，其中，所述的环氧树脂与固化剂的质量比为1~20：1；
步骤四：双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备：将步骤二得到的碳纳米管螺旋纤维进行预拉伸，预拉伸应变为5~50%，并固定两端；之后将步骤三配置的环氧树脂固化体系均匀的涂覆在预拉伸的碳纳米管螺旋纤维上，常温下静置10~120 min；待环氧树脂固化体系均匀包覆并渗入碳纳米管螺旋纤维后，用直径1mm的针头刮去碳纳米管螺旋纤维表面多余的环氧树脂固化体系，随后在30~100 ℃条件下静置1~24 h，即得到双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构。
2.根据权利要求1所述的一种双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备方法，其特征在于：步骤一中，所述的二茂铁和升华硫通过超声方式溶解在液态碳源二甲苯中，超声时间为10~300min，超声功率为10~200 kHz，所述的预热区温度为150~500℃，反应区温度为900~1300℃，所述的H2/Ar载气中H2和Ar体积比为1：1~4，载气流速为400~2000 mL/min。
3.根据权利要求1所述的一种双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备方法，其特征在于：步骤一中，H2/Ar载气将碳源、生长促进剂和催化剂带入管式炉反应区发生反应，具体为：首先发生裂解，裂解出的碳原子及碳原子团簇在二茂铁裂解出的铁催化剂作用下，生长成为碳纳米管，反应生成的碳纳米管被氩气和氢气的混合气流迅速带出生长区，均匀沉积在产物收集区，形成碳纳米管薄膜。
4.根据权利要求2所述的一种双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备方法，其特征在于：所述的预热区温度为200~400℃，反应区温度为1000~1300℃。
5.根据权利要求1所述的一种双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备方法，其特征在于：所述步骤二具体为：将步骤一得到的碳纳米管薄膜一端固定在马达的转头上，另一端粘结在一个可移动的砝码上，砝码置于光滑玻璃片表面，使薄膜悬空放置于马达与砝码之间，调节马达转速，碳纳米管薄膜在马达的转动下逐步收缩，形成一根直纤维；随着马达继续转动，使得纤维扭转，成为一根具有过扭的直纤维；保持持续转动逐渐增加过扭，使得超柔性的碳纳米管纤维在局部形成螺旋，并且螺旋从纤维一端形成，沿着纤维轴向顺序形成，即获得碳纳米管螺旋纤维。
6.根据权利要求1所述的一种双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备方法，其特征在于：步骤三中，所述的搅拌速度为100~1000 r/min，搅拌时间为5~60 min。
7.根据权利要求1所述的一种双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备方法，其特征在于：步骤三中，所述的环氧树脂与固化剂的质量比为1~15：1。
8.根据权利要求1所述的一种双向驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构的制备方法，其特征在于：步骤四中，所述的预拉伸应变为10~45%，除去碳纳米管螺旋纤维表面多余的环氧树脂固化体系后，在35~90℃条件下静置1~24h。
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