CN110485162B - 一种电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的制备方法 - Google Patents

一种电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的制备方法，所述方法包括如下步骤：步骤一、碳纳米管薄膜的制备；步骤二、碳纳米管螺旋纤维的制备；步骤三、配置环氧树脂固化体系；步骤四、碳纳米管螺旋纤维的预拉伸；步骤五、电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的制备。本发明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。本发明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，可通过控制对碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的施加电压大小，实现对复合材料驱动器的驱动性能的调控。

Description

一种电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的制备方法
技术领域
本发明属于材料科学技术领域，涉及一种电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的制备方法。
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。并且由于环氧树脂的粘度较大，使得其在碳纳米管螺旋纤维中的渗透不够充分，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，会对碳纳米管螺旋纤维复合材料的驱动性能会产生影响。此外，目前常见的碳纳米管纤维驱动器多为热致变形，驱动形式较为单一。
发明内容
为了解决现有的碳纳米管纤维驱动器响应时间慢、驱动力小、驱动形式单一，以及现有方法制备的碳纳米管螺旋纤维与环氧树脂的复合材料中，环氧树脂在碳纳米管螺旋纤维中的渗透不够充分，碳纳米管宏观体与树脂基体之间分散性能不理想、力学性能较差等问题，本发明提供了一种电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的制备方法。该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，制备出可实现电致驱动的碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器。由于碳纳米管螺旋纤维具有类似弹簧的独特结构，具有高电导率、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、大形变的电致驱动器；利用碳纳米管的导电性，在对碳纳米管螺旋纤维施加外加电压时，由于电流通过产生的焦耳热会使得碳纳米管螺旋纤维的温度升高，由于碳纳米管螺旋纤维为多孔结构，碳纳米管螺旋纤维体积发生膨胀，孔洞变大，从而使环氧树脂能够更容易地渗入碳纳米管螺旋纤维的内部，从而提高碳纳米管螺旋纤维复合材料中的环氧树脂含量，获得驱动性能更好的碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器。并且，由于碳纳米管的高导电性，对碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器施加电压时，碳纳米管螺旋纤维复合材料会升高温度，使得环氧树脂的模量发生变化，从而使复合材料驱动器在施加电压条件下发生驱动变形，实现碳纳米管螺旋纤维驱动器的电致驱动效果。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、碳纳米管薄膜的制备：
将催化剂和生长促进剂溶解在液态碳源中，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，其中：所述催化剂为二茂铁，生长促进剂为升华硫溶，液态碳源为二甲苯，催化剂、生长促进剂和碳源的配制比例为每10~500mL的液态碳源溶解0.1~40g催化剂和0.002~1g生长促进剂；
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：所述环氧树脂与固化剂的质量比为1~20：1；
步骤四、碳纳米管螺旋纤维的预拉伸：
将步骤二得到的碳纳米管螺旋纤维进行预拉伸，并固定两端，其中：所述预拉伸应变为5~50%；
步骤五、电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的制备：
在步骤四中预拉伸的碳纳米管螺旋纤维的两端施加外加电压，然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1~120 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，而后撤去外加电压，随后在25~100 ℃条件下静置1~60 h，即制备出电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料，其中：所述外加电压的大小为0.5~10V，若施加外加电压过低，则碳纳米管螺旋纤维的孔洞变化不明显，对树脂的渗透影响不大，若施加电压过高，则会破坏碳纳米管螺旋纤维的结构。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
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。
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可逆驱动效果。
3、本发明在灌注树脂时对碳纳米管螺旋纤维进行了施加电压，使得环氧树脂能够更好地渗透进螺旋纤维内部，增加了碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器中的树脂含量，相对于双向驱动结构，本发明制备的碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的输出应力及应变得到提升。
4、由于碳纳米管的导电性，碳纳米管螺旋纤维宏观体在被施加外加电压时，电流通过碳纳米管螺旋纤维产生的焦耳热会使得碳纳米管螺旋纤维的温度升高，由于碳纳米管螺旋纤维是多孔结构，温度升高会使得纤维体积发生膨胀，更有利于环氧树脂的灌注。相对于现有的在碳纳米管螺旋纤维上直接灌注环氧树脂的方法，更能解决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，同时通过施加外加电压使得碳纳米管螺旋纤维体积温度升高，体积膨胀，孔洞增大，可以更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，从而获得驱动性能更好的碳纳米管螺旋纤维复合材料。相比于直接灌注得到的的碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器，通过在灌注时对碳纳米管螺旋纤维两端施加电压，环氧树脂能够更充分的渗透进多孔的碳纳米管螺旋纤维内部，获得的驱动器的输出应力可达6.8MPa以上，应变量可达12%。
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步骤四中所得预拉伸的碳纳米管螺旋纤维的SEM图；
图4为实施例2步骤五中所得电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的SEM图；
图5为实施例2步骤五中所得电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的实物图；
图6为实施例2步骤五中所得电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器在施加2.0V电压下的实物图；
图7为实施例2步骤五中所得电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器在撤去外加电压后的实物图；
图8为实施例2步骤五中所得电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器在不同电压下的输出应力；
图9为实施例2步骤五中所得电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器在不同电压下完成驱动过程的时间；
图10为实施例2步骤五中所得电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器在不同电压的应变大小。
具体实施方式
下面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改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一：本实施方式提供了一种电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的制备方法，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，具体步骤如下：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，其中：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，具体步骤如下：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：环氧树脂与固化剂的质量比为1~20：1；所采用的环氧树脂为LAM-125型环氧树脂，固化剂为PRO-SET226型固化剂。
步骤四、碳纳米管螺旋纤维的预拉伸：
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。
步骤五、电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的制备：
在步骤四预拉伸的碳纳米管螺旋纤维的两端施加外加电压，所施加的外加电压的大小为0.5~10 V；然后将步骤三配置的环氧树脂固化体系均匀的涂覆在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25~100 ℃条件下静置1~60 h，即得到电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器。
本实施方式具有如下有益效果：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高度渗透和均匀灌注，通过控制环氧树脂模量的变化，实现复合材料的可控可逆驱动。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，还可通过调控制备过程中施加的外加电压大小来调控环氧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。四、可通过控制对碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的施加电压大小，实现对复合材料驱动器的驱动性能的调控。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中，所述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；所述预热区温度为150~500℃，反应区温度为900~1300℃；所述H2/Ar载气中，H2和Ar体积比为1：1~4，载气流速为400~2000 mL/min。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：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：本实施方式与具体实施方式二不同的是：所述预热区温度为200~400℃，反应区温度为1000~1300℃。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤二的具体步骤为：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，使碳纳米管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：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中，所述搅拌速度为100~1000 r/min，搅拌时间为5~60 min。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中，所述环氧树脂与固化剂的质量比为1~15：1。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤四中，所述预拉伸应变为10~45%。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤五中，所述施加的外加电压大小为0.5~9 V。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤五中，除去表面多余的环氧树脂固化体系后，在25~90 ℃条件下静置1~60h。
实施例1：
本实施例中，电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器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，所述环氧树脂与固化剂的质量比为20:1；所采用的环氧树脂为LAM-125型环氧树脂，固化剂为PRO-SET226型固化剂。
四、碳纳米管螺旋纤维的预拉伸：
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20 %，并固定两端。
五、电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的制备：
在步骤四预拉伸的碳纳米管螺旋纤维的两端施加外加电压，所施加的外加电压的大小为1.0 V；然后将步骤三配置的环氧树脂固化体系混合物A均匀的涂覆在碳纳米管螺旋纤维上，常温下静置10min；待混合物A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25 ℃条件下静置48 h，即得到电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器。
本实施例所得到的电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器具有类似弹簧形态的微结构，实现了环氧树脂在碳纳米管螺旋纤维中的高度渗透以及均匀分散，并且通过施加和撤出外加电压，弹簧螺距发生变化，能够实现可逆驱动效果。这种可逆驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构，能够在施加电压条件下实现驱动变形，并能产生超过人体肌纤维20倍的驱动力，同时能够在3秒内完成驱动变形。很重要的是，这种可逆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：
本实施例中，电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器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，所述预热区温度为200℃，反应区温度为1150℃。由图1可知，所得碳纳米管薄膜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，所述马达转速为50 r/min。由图2可知，所得碳纳米管螺旋纤维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，所述环氧树脂与固化剂的质量比为10:1；所采用的环氧树脂为LAM-125型环氧树脂，固化剂为PRO-SET226型固化剂。
四、碳纳米管螺旋纤维的预拉伸：
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20 %，并固定两端。
五、电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的制备：
在步骤四预拉伸的碳纳米管螺旋纤维的两端施加外加电压，所施加的外加电压的大小为1.25 V；然后将步骤三配置的环氧树脂固化体系混合物A均匀的涂覆在碳纳米管螺旋纤维上，常温下静置10min；待混合物A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80 ℃条件下静置24h，即得到电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器。
本实施例所得到的电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器具有类似弹簧形态的微结构（如图2所示）。本实施例所得到的电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器实现了环氧树脂在碳纳米管螺旋纤维中的高度渗透和均匀分散，并且通过施加和撤出外加电压，能够实现可逆驱动效果（如图5~7所示）。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可逆驱动效果。这种可逆驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器，能够在施加电压条件下实现驱动变形，并能产生超过人体肌纤维20倍的驱动力（如图8所示），同时能够在3秒内完成变形驱动过程（如图9所示）。很重要的是，这种可逆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，最大应变可达12%以上（如图10所示）。
实施例3：
本实施例中，电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器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，所述环氧树脂与固化剂的质量比为10:1；所采用的环氧树脂为LAM-125型环氧树脂，固化剂为PRO-SET226型固化剂。
四、碳纳米管螺旋纤维的预拉伸：
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20 %，并固定两端。
五、电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的制备：
在步骤四预拉伸的碳纳米管螺旋纤维的两端施加外加电压，所施加的外加电压的大小为1.5 V；然后将步骤三配置的环氧树脂固化体系混合物A均匀的涂覆在碳纳米管螺旋纤维上，常温下静置10min；待混合物A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60 ℃条件下静置36 h，即得到电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器。
本实施例所得到的电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器具有类似弹簧形态的微结构，实现了环氧树脂在碳纳米管螺旋纤维中的高度渗透和均匀分散，并且通过施加和撤出外加电压，弹簧螺距发生变化，能够实现可逆驱动效果。这种可逆驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构，能够在施加电压条件下实现驱动变形，并能产生超过人体肌纤维20倍的驱动力，同时能够在3秒内完成驱动变形。很重要的是，这种可逆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，最大应变可达12%以上。
实施例4：
本实施例中，电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器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，所述环氧树脂与固化剂的质量比为15：1；所采用的环氧树脂为LAM-125型环氧树脂，固化剂为PRO-SET226型固化剂。
四、碳纳米管螺旋纤维的预拉伸：
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15 %，并固定两端。
五、电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的制备：
在步骤四预拉伸的碳纳米管螺旋纤维的两端施加外加电压，所施加的外加电压的大小为2.0 V；然后将步骤三配置的环氧树脂固化体系混合物A均匀的涂覆在碳纳米管螺旋纤维上，常温下静置10min；待混合物A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50 ℃条件下静置36 h，即得到电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器。
本实施例所得到的电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器具有类似弹簧形态的微结构，实现了环氧树脂在碳纳米管螺旋纤维中的高度渗透和均匀分散，并且通过施加和撤出外加电压，弹簧螺距发生变化，能够实现可逆驱动效果。这种可逆驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料结构，能够在施加电压条件下实现驱动变形，并能产生超过人体肌纤维20倍的驱动力，同时能够在3秒内完成驱动变形。很重要的是，这种可逆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，最大应变可达12%以上。

Claims (10)

1.一种电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤一、碳纳米管螺旋纤维的预拉伸：
将碳纳米管螺旋纤维进行预拉伸，并固定两端；
步骤二、电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的制备：
在步骤一中预拉伸的碳纳米管螺旋纤维的两端施加外加电压，然后将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1~120 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，而后撤去外加电压，随后在25~100 ℃条件下静置1~60 h，即制备出电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料。
2.根据权利要求1所述的电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的制备方法，其特征在于所述外加电压的大小为0.5~10V。
3.根据权利要求1所述的电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的制备方法，其特征在于所述预拉伸应变为5~50%。
4.根据权利要求1所述的电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的制备方法，其特征在于所述碳纳米管螺旋纤维的制备方法如下：
步骤（1）碳纳米管薄膜的制备：
将催化剂和生长促进剂溶解在液态碳源中，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（2）碳纳米管螺旋纤维的制备：
将步骤（1）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。
5.根据权利要求4所述的电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的制备方法，其特征在于所述催化剂为二茂铁，生长促进剂为升华硫溶，液态碳源为二甲苯。
6.根据权利要求4或5所述的电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的制备方法，其特征在于所述催化剂、生长促进剂和碳源的配制比例为每10~500mL的液态碳源溶解0.1~40g催化剂和0.002~1g生长促进剂。
7.根据权利要求4所述的电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的制备方法，其特征在于所述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。
8.根据权利要求4所述的电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的制备方法，其特征在于所述预热区温度为150~500℃，反应区温度为900~1300℃；所述H2/Ar载气中，H2和Ar体积比为1：1~4，载气流速为400~2000 mL/min。
9.根据权利要求4所述的电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的制备方法，其特征在于所述步骤2的具体步骤为：将步骤（1）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，使碳纳米管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，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，即获得碳纳米管螺旋纤维。
10.根据权利要求1所述的电致驱动碳纳米管螺旋纤维复合材料驱动器的制备方法，其特征在于所述环氧树脂固化体系中，环氧树脂与固化剂的质量比为1~20：1。
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