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《Science》形状记忆纤维:小身板,高能微引擎!
发布时间:2019-07-17 08:59:28 | 浏览次数:

  本文来源于:高分子科学前沿 高分子科学前沿

 

微型发动机或电动机对于包括微机器人、芯片实验室技术、智能纺织品、微机电系统和小型医疗设备等新兴应用具有实际性的意义。而其实制造具有简单性、坚固性的大冲程、高速、高能旋转微引擎长期以来一直存在着巨大的挑战性。与非扭曲纤维相比,扭曲纤维由于扭曲力的介入可以放大冲程和工作能力,因此,使用扭曲纤维是最有希望实现旋转性能的。然而,现存的包括利用螺旋拓扑结构将体积膨胀转化为拉伸收缩和扭转来提供高重力工作能力的加捻CNT纤维和利用聚合物熵弹性来提供扭转力的加捻聚合物纤维,分别由于高成本、低能量密度等缺陷限制了它们的应用。

电热驱动人造肌肉 Credit: The University of Texas at Dallas

近日,法国波尔多大学Philippe Poulin博士携手德国亥姆霍兹联合会生物材料中心的Andreas Lendlein教授开发了一种基于形状记忆及其纳米复合纤维的高能微引擎。该形状记忆纤维由PVA及其纳米复合材料构成,可以存储机械能并在热刺激下进行释放从而实现高能、快速旋转。通过SWNT、GO的添加,可以实现PVA纳米纤维强度、旋转扭矩、形状恢复时所产生的能量密度的调控。特别在GO的加入后,PVA纤维扭转得到大幅度增强而具有高重量工作能力。此外,优于传统的发动机,该形状记忆过程可以通过操作温度的调控达到存储能量的逐步释放

电热驱动人造肌肉 Credit: The University of Texas at Dallas

图文速递

图一、形状记忆聚合物制备的旋转微引擎

(A)直径40μm的PVA纤维的SEM图。(B)扭曲的PVA纤维的SEM图。(C)加热下,扭曲纤维向未扭曲状态的转变。(D)室温下,纯的PVA纤维和纳米复合PVA纤维的拉伸应力-应变曲线。(E)室温下,纯PVA、PVA-SWNT和PVA-GO纤维扭转发生断裂时所需要的扭矩。

图二、扭曲纤维的温度记忆

(A)在80 ℃至140℃之间的不同温度Td下,以60 rpm的转速将7500转/m的捻度存储在直径40μm,3 cm长的PVA-GO纤维中。记录每个温度下的特定扭矩和扭转角度。(B)不同温度下编程的加捻纤维在无载荷下恢复旋转。(C)旋转速度一阶导数与温度的的关系。(D)两端被固定的扭曲纤维在不同温度加热下的恢复。

图三、形状记忆微引擎的高能量密度

(A)100 ℃的设计温度下,转速为60 rpm,扭转直径23 μm,长3 cm的纯PVA、PVA-SWNT和PVA-GO纤维1885转(10000转/m)所需要的扭矩。扭曲之后,纤维在空气中淬火以形成具有或不具有扭矩平衡的线圈等待进一步表征。(B)经过淬火,在加热时未被固定的扭曲纤维恢复时所产生的扭矩。(C和D)具有不同实用扭矩的纤维在再次加热过程中的恢复角度。(E和F)实用扭矩和最大扭矩的比例与重量工作能力的关系。

小结:该工作创造了一种基于多功能形状记忆纳米复合纤维的旋转微引擎,可以存储机械能,并具有热响应性能。这种形状记忆功能可以通过调节环境温度来触发。通过复合二维氧化石墨烯能够有效增强PVA纤维,从而获得具有高重量工作容量的不受束缚的微引擎。此外,独特的温度记忆功能可实现存储和释放机械能的可调性。

在100℃硅油中,7秒游完1m的距离。

 
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