CN112664420B - 一种高频快速驱动的形状记忆驱动器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高频快速驱动的形状记忆驱动器及其制备方法。高频快速驱动的形状记忆驱动器包括形状记忆材料本体和水凝胶涂层，所述水凝胶涂层包覆所述形状记忆材料本体，所述水凝胶涂层与所述形状记忆材料本体之间形成粘合界面。本发明中的形状记忆材料本体在水凝胶涂层的包裹下，由于水凝胶具有较大的热容，可以加速冷却过程，能够一种高频快速驱动。本发明的形状记忆材料驱动器可通过调整水凝胶涂层的厚度来满足所需要达到的循环次数或者驱动频率的要求。

Description

一种高频快速驱动的形状记忆驱动器及其制备方法
技术领域
本发明涉及智能材料驱动器技术领域，具体为形状记忆驱动器，尤其是一种高频快速驱动的形状记忆驱动器及其制备方法。
背景技术
形状记忆材料主要包括形状记忆合金(SMA)和形状记忆聚合物(SMP),是一类能够记忆其初始形状、同时具有传感和驱动功能的智能材料。形状记已经在工业、医学领域得到了较为广泛的应用。但是目前以形状记忆材料作为驱动器的主要瓶颈在于其加热后冷却速度慢，导致驱动器的动作频率较低。目前针对形状记忆材料的常用冷却方式主要有空气与水的强制对流方法和半导体散热片。
Robert D.Howe等设计了一种形状记忆合金驱动的触觉形状显示器，用气体喷嘴强制对流加快冷却过程。Y.Taddnsse等用2.7m/s的水流通过碳纤维管来给形状记忆合金丝降温，冷却时间相比空气自然对流提升了约5倍。Brian Selden等设计了一种分段的形状记忆合金驱动器，利用帕尔贴效应的热电器件来加速冷却过程，实现了分段的选择性加热和冷却。发明专利(CN104847611A)也公开了一种基于微管道冷却的形状记忆合金驱动器，其采用内置的微管道来加速SMA丝的冷却过程，从而提高SMA驱动器的往复动作频率。这些方法都可以显著降低形状记忆材料的冷却时间，提高驱动器的动作频率，但是不可避免的引入了电源、泵等外接机械设备，从而造成了驱动器整体重量和体积的增大，还导致了驱动器整体能耗的增加。
本发明提出一种采用水凝胶材料作为形状记忆材料的涂层以提升形状记忆材料的散热性能，从而提高形状记忆材料响应频率的方法。水凝胶是一种以水为分散介质的凝胶物质，其含水量高，性质柔软，广泛应用于生物工程，药物工程等。水凝胶在近年来吸引了各界学者的研究，其理论研究和实际应用都得到了较大的发展。水凝胶材料中具有大量的水分，而水的高比热容使其能够帮助高温物体迅速降温，我们利用该特性，并通过涂层的方式将其应用于形状记忆材料的快速降温中，达到提升形状记忆材料驱动速度以及响应频率的效果。
发明内容
本发明的目的在于克服现有形状记忆驱动器在其冷却系统笨重和其响应频率不高的问题，提出一种高频快速驱动的形状记忆驱动器及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种高频快速驱动的形状记忆驱动器，其特征在于，包括形状记忆材料本体和水凝胶涂层，所述水凝胶涂层包覆所述形状记忆材料本体，所述水凝胶涂层与所述形状记忆材料本体之间形成粘合界面。
进一步的，所述形状记忆材料本体为形状记忆合金或形状记忆聚合物。
进一步的，所述形状记忆材料的形状为丝状、绞线状、平面状和弹簧等三维形状。
进一步的，所述水凝胶涂层由亲水高分子和水分组成。
进一步的，所述水凝胶通过化学键、氢键或物理搭接方式与形状记忆材料本体表面形成粘结界面。
进一步的，所述水凝胶涂层可具有不同的厚度，以使所述形状记忆驱动器获得不同的循环次数和驱动频率。
本发明还提供一种高频快速驱动的形状记忆驱动器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、准备一形状记忆合金材料本体；
S2、制备水凝胶：取7.1g丙烯酰胺(AAm)于离心管中，加入42.4mL去离子水、0.5mL浓度为0.1mol/L的α-酮戊二酸(α-keto)水溶液、95μL三甲氧基硅烷(TMSPMA)以及50对苯二甲酸(CTA)。振荡摇匀，离心去泡后，将溶液转移至预制聚四氟乙烯模具中，于无氧条件下在波长365nm紫外光下光照30min，使溶液形成水凝胶涂料；
S3、将形状记忆材料本体置于水凝胶涂料中旋涂或蘸涂，使形状记忆材料本体被水凝胶均匀包裹；
S4、将上述带有水凝胶涂层的形状记忆材料本体封装，保持湿度，在65℃温度下置于烘箱中静置8小时，待液态水凝胶涂料固化形成固体水凝胶，即制作完成。
本发明所取得的有益技术效果是：本发明所述水凝胶涂层具有高效传热和可大变形的特性，确保了本发明的驱动器具有良好的安全性、柔韧性和灵活性。
本发明所述的形状记忆材料本体在水凝胶涂层的包裹下，由于水凝胶具有较大的热容，可以加速冷却过程，实现了一种高频快速驱动。
本发明的高速驱动形状记忆材料驱动器可单独运行，也可进行串联和/或并联，从而实现高负载的驱动。
本发明可实现单向的线性驱动，也可配合偏置弹簧或者偏置负载实现双向的可逆运动。
本发明所制备具有水凝胶涂层的形状记忆材料具有良好的一体性，水凝胶材料由于与形状记忆材料粘接良好，不会从表面脱落。
本发明所制备的形状记忆材料驱动器可通过调整水凝胶涂层的厚度来满足所需要达到的循环次数或者驱动频率的要求。
本发明所述的水凝胶涂层质量轻，并且与形状记忆材料贴合，不会明显增大驱动器的整体体积和重量，且制备方法操作简单，成本低。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
附图中：1-形状记忆材料本体，2-水凝胶涂层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种高频快速驱动的形状记忆驱动器，其特征在于，包括形状记忆材料本体1和水凝胶涂层2，所述水凝胶涂层2包裹所述形状记忆材料本体1，所述水凝胶涂层2与所述形状记忆材料本体1之间形成粘合界面。
所述形状记忆材料本体1为但不限于形状记忆合金或形状记忆聚合物等具有形状记忆功能的智能材料。
所述形状记忆材料本体1的形状可以为但不限于丝状、绞线状、平面状或螺旋状等三维形状。
所述水凝胶涂层2由亲水高分子和水分组成，且均匀包裹在形状记忆材料本体1的表面。
所述水凝胶涂料通过化学键、氢键或物理搭接方式与形状记忆材料本体1表面形成粘结界面。
所述水凝胶涂层可具有不同的厚度，以使所述形状记忆驱动器获得不同的循环次数和驱动频率。
本发明还提供一种高频快速驱动的形状记忆驱动器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、准备一形状记忆合金材料本体；
S2、制备水凝胶：取7.1g丙烯酰胺(AAm)于离心管中，加入42.4mL去离子水、0.5mL浓度为0.1mol/L的α-酮戊二酸(α-keto)水溶液、95μL甲氧基硅烷(TMSPMA)以及50对苯二甲酸(CTA)。振荡摇匀，离心去泡后，将溶液转移至预制聚四氟乙烯模具中，于无氧条件下在波长365nm紫外光下光照30min，使溶液形成水凝胶涂料；
S3、将形状记忆材料本体置于水凝胶涂料中旋涂或蘸涂，使形状记忆材料本体被水凝胶均匀包裹；
S4、将上述带有水凝胶涂层的形状记忆材料本体封装，保持湿度，在65℃温度下置于烘箱中静置8小时，待液态水凝胶涂料固化形成固体水凝胶，即制作完成。
本发明所取得的有益技术效果是：
本发明所述水凝胶涂层具有高效传热和可大变形的特性，确保了本发明的驱动器具有良好的安全性、柔韧性和灵活性。
本发明所述的形状记忆材料本体在水凝胶涂层的包裹下，由于水凝胶具有较大的热容，可以加速冷却过程，实现了一种高频快速驱动。
本发明的高速驱动形状记忆材料驱动器可单独运行，也可进行串联和/或并联，从而实现高负载的驱动。
本发明可实现单向的线性驱动，也可配合偏置弹簧或者偏置负载实现双向的可逆运动。
本发明所制备具有水凝胶涂层的形状记忆材料具有良好的一体性，水凝胶材料由于与形状记忆材料粘接良好，不会从表面脱落。
本发明所制备的形状记忆材料驱动器可通过调整水凝胶涂层的厚度来满足所需要达到的循环次数或者驱动频率的要求。
本发明所述的水凝胶涂层质量轻，并且与形状记忆材料贴合，不会明显增大驱动器的整体体积和重量，且制备方法操作简单，成本低。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (1)

1.一种高频快速驱动的形状记忆驱动器，其特征在于，包括形状记忆材料本体和水凝胶涂层，所述水凝胶涂层包覆所述形状记忆材料本体，所述水凝胶涂层与所述形状记忆材料本体之间形成粘合界面，所述形状记忆材料本体为形状记忆合金或形状记忆聚合物，所述形状记忆材料的形状为丝状、绞线状、平面状或螺旋状等三维形状，所述水凝胶涂层由亲水高分子和水分组成，所述水凝胶通过化学键、氢键或物理搭接方式与形状记忆材料本体表面形成粘结界面，所述水凝胶涂层可具有不同的厚度，以使所述形状记忆驱动器获得不同的循环次数和驱动频率，
该高频快速驱动的形状记忆驱动器的制备方法，包括以下步骤：
S1、准备一形状记忆合金材料本体；
S2、制备水凝胶：取7.1g丙烯酰胺(AAm)于离心管中，加入42.4mL去离子水、0.5mL浓度为0.1mol/L的α-酮戊二酸(α-keto)水溶液、95μL三甲氧基硅烷(TMSPMA)以及50对苯二甲酸(CTA)；振荡摇匀，离心去泡后，将溶液转移至预制聚四氟乙烯模具中，于无氧条件下在波长365nm紫外光下光照30min，使溶液形成水凝胶涂料；
S3、将形状记忆材料本体置于水凝胶涂料中旋涂或蘸涂，使形状记忆材料本体被水凝胶均匀包裹；
S4、将上述带有水凝胶涂层的形状记忆材料本体封装，保持湿度，在65℃温度下置于烘箱中静置8小时，待液态水凝胶涂料固化形成固体水凝胶，即制作完成。
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