CN114216771A - 碳纳米管纤维加捻实验台及测试实验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了碳纳米管纤维加捻实验台及测试实验方法，在实验台下铺设有平整的垫板，能够使得实验台中的载物台小车能够在垫板上平顺移动。载物台小车放置于平整的垫板上，载物台小车上放置于固定S钩装置，以保证纤维能够系挂住载物台小车上边。载物台小车上设置有凹槽，凹槽中能够放置不同重量的砝码都并且保证砝码不会掉落。本发明使纤维在加捻过程中得到均匀且捻度相同的螺旋结构，同时也可以减少因加捻时产生不均匀的螺旋结构导致纤维强度不够的影响，减少加捻过程中产生的误差，使实验结果更加准确。同时利用纤维致动性能设计的人工肌肉具有广泛的应用前景，可以为人工肌肉结构的设计起到材料结构支撑作用。

Description

碳纳米管纤维加捻实验台及测试实验方法
技术领域
本发明涉及一种实验台，特别是涉及碳纳米管纤维加捻实验时所使用的实验台。本发明还涉及使用上述的实验台进行碳纳米管纤维加捻实验后测试性能的方法，属于机械性能测试技术领域。
背景技术
近年来，人工肌肉因其质量轻、工艺便捷、柔韧性好等诸多优势，受到了人们广泛的关注和研究。在航天、水下装备、仿生制造、生物医疗及能量收集等领域具有重大的应用潜力。而随着材料的不断革新，人工肌肉也逐渐向轻量化、柔性化和智能化发展，近年来纳米材料在其结构和性能上的巨大突破也推进了人工肌肉领域的重大发展。碳纳米管纤维作为纳米材料的代表其具有一系列优异的性能，如高导电，高强度，大的比表面积，良好的柔性、质轻、高导热、表面可修饰性等，可以对多种刺激信号产生响应，因而被广泛应用于人工肌肉领域。使用碳纳米管纤维作为人工肌肉的驱动材料可以推动仿生机器人和医疗领域的发展。然而人们并未提出一套完整的碳纳米管纤维加捻实验装置及测试方法，可以使纤维呈现良好的加捻状态和纤维强度。由于碳纳米管纤维质量轻、尺寸微小，在操作难度上大，普通加捻后纤维呈现不均匀状态。因此，对基于碳纳米管纤维的加捻实验装置和实验的测试方法的研究具有重要的实用价值。
发明内容
本发明的碳纳米管纤维加捻实验台可以实现碳纳米管纤维室内环境下进行加捻实验，并可以使纤维得到稳定的螺旋结构，并用纳米拉伸仪测试其测试，可以得到稳定的强度。该加捻方法增强了碳纳米管的力学性能和电驱动性能，有助于推动碳纳米管纤维研究与应用的进一步发展。
本发明采用的技术方案为碳纳米管纤维加捻变形实验台，其特征在于：在实验台下铺设有平整的垫板，能够使得实验台中的载物台小车能够在垫板上平顺移动。载物台小车放置于平整的垫板上，载物台小车上放置于固定S钩装置，以保证纤维能够系挂住载物台小车上边。载物台小车上设置有凹槽，凹槽中能够放置不同重量的砝码都并且保证砝码不会掉落。
所述的碳纳米管纤维加捻变形实验台进行纤维加捻实验的方法，操作步骤如下：
a.将碳纳米管纤维的一端固定在电机的S钩处，另一端固定在载物台小车
S钩，保证两者处于同一水平位置。
b.取出砝码，将砝码放置于载物台小车的孔位处，采用螺钉进行进行固定保证不会掉落。
c.打开加捻电机调整加捻速度与加捻方向，以保证载物台小车能够平稳平顺的向前移动。
d.逐步增加电机转速，且在同一转速下，逐步增加载物台小车上的砝码质量，从而形成多根单螺旋纤维，观察其加捻状态。
e.将加捻完成的呈单螺旋结构的碳纳米管纤维取下，将碳纳米管纤维两端对折形成稳定的双螺旋结构。
f.将双螺旋结构的碳纳米管纤维，放置于原位力学拉伸仪中进行拉伸测试加捻后的碳纳米管纤维强度。
本发明的碳纳米管纤维加捻实验测试平台可以尽可能的使纤维在加捻过程中得到均匀且捻度相同的螺旋结构，同时也可以减少因加捻时产生不均匀的螺旋结构导致纤维强度不够的影响。再将加捻好的纤维放置于原位力学拉伸仪中进行拉伸，减少加捻过程中产生的误差，使实验结果更加准确。同时利用纤维致动性能设计的人工肌肉具有广泛的应用前景，可以为人工肌肉结构的设计起到材料结构支撑作用。
附图说明
图1碳纳米管纤维加捻实验台结构图；(a)碳纳米管纤维加捻实验台初始状态(b)加捻中即将产生螺旋的碳纳米管纤维(c)完全加捻后得到的稳定的螺旋结构碳纳米管纤维。
图2碳纳米管纤维加捻实验台部件图；(a)碳纳米管纤维加捻实验台初始状态(b)加捻中即将产生螺旋的碳纳米管纤维。
具体实施方式
以下结合附图1和图2、对本发明的碳纳米管纤维加捻实验台及利用该实验台进行碳纳米管纤维加捻后纤维的力学测试的方法作进一步详细说明。
如图1所示为碳纳米管纤维加捻实验台结构图，包含以下部件：电机(1)、夹持器(2)、S型弯钩(3)、碳纳米管纤维(4)、直角弯钩(5)、载物台小车(6)、砝码(7)、螺钉(8)和平顺木板(9)。
其特征在于：本装置主要由电机加持装置，载物台小车加持装置，力学测定装置等几部分组成。电机(1)放置于平顺木板(9)的一端，夹持器(2)固定于电机(1)的头部，进而保证电机(1)转动时能够带动夹持器(2)进行转动且不发生滑移。将S型弯钩(3)横挂在夹持器(2)的横柱处，以保证能够随夹持器(2)同步稳定转动。载物台小车(6)放置于平顺木板(9)的另一端，将直角弯钩(5)固定在载物台小车(6)最前边，保持S型弯钩(3)和直角弯钩(5)处于同一水平面且在载物台小车(6)前进过程中，直角弯钩(5)不会发生变形或脱落。砝码(7)放置于载物台小车(6)上的凹槽处，砝码(7)通过螺钉(8)进行旋转固定，保证不同大小的砝码(7)能够牢固稳定的固定在载物台小车(6)上，在纤维拉动时不会产生晃动。
本发明的实验方法，其具体步骤如下：将碳纳米管纤维一端固定在电机的S型弯钩处，保持牢固。将碳纳米管纤维的另一端固定在载物台小车的直角弯钩处。将不同质量的砝码放入载物台小车凹槽中，使用螺钉进行固定加紧。将载物台小车放置于木板上另一侧，保证碳纳米管纤维保持的伸直且拉紧状态。调动电机的参数改变其旋转的速度与旋转的方向，使碳纳米管纤维开始旋转加捻。通过不断改变载物台小车上砝码的重量和电机的旋转速度以得到不同捻度的纤维。当碳纳米管纤维都产生螺旋结构后，将碳纳米管纤维的两端取下，尾部末端对折，依据自身的结构可形成稳定的双螺旋结构纤维。将加捻对折后的碳纳米管纤维两端分别固定在原位力学拉伸仪两端固定，调节原位力学拉伸仪对其进行拉伸测试，直至纤维拉断，通过原位力学拉伸仪输出的位移载荷曲线，最终得到加捻后纤维强度最高的纤维参数和该纤维的电机旋转速度和载物台小车的负重量。

Claims (2)

1.碳纳米管纤维加捻变形实验台，其特征在于：在实验台下铺设有平整的垫板，能够使得实验台中的载物台小车能够在垫板上平顺移动；载物台小车放置于平整的垫板上，载物台小车上放置于固定S钩装置，以保证纤维能够系挂住载物台小车上边；载物台小车上设置有凹槽，凹槽中能够放置不同重量的砝码都并且保证砝码不会掉落。
2.利用权利要求1所述碳纳米管纤维加捻变形实验台进行的纤维加捻实验的方法，其特征在于，该方法的操作步骤如下：
a.将碳纳米管纤维的一端固定在电机的S钩处，另一端固定在载物台小车S钩，保证两者处于同一水平位置；
b.取出砝码，将砝码放置于载物台小车的孔位处，采用螺钉进行进行固定保证不会掉落；
c.打开加捻电机调整加捻速度与加捻方向，以保证载物台小车能够平稳平顺的向前移动；
d.逐步增加电机转速，且在同一转速下，逐步增加载物台小车上的砝码质量，从而形成多根单螺旋纤维，观察其加捻状态；
e.将加捻完成的呈单螺旋结构的碳纳米管纤维取下，将碳纳米管纤维两端对折形成稳定的双螺旋结构；
f.将双螺旋结构的碳纳米管纤维，放置于原位力学拉伸仪中进行拉伸测试加捻后的碳纳米管纤维强度。
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