[发明专利]一种大应变快速响应的电热驱动人工肌肉的制备方法

权利要求书

1.一种大应变快速响应的电热驱动人工肌肉的制备方法，其特征在于，采用由碳纳米管垂直阵列纺丝制成的碳纳米管薄膜，将碳纳米管薄膜加捻后自然退捻；为去除纤维中的杂质及增强纤维的拉伸强度，对加捻后的纤维进行真空高温处理，之后对真空高温处理后的纤维进行轻微酸化处理来改善其亲水性能；再将亲疏水特性可受温度变化而转变的材料均匀喷涂于经过轻微酸化处理的碳纳米管纤维中，最后以电热驱动的方式控制其伸缩，并对其通水雾；当人工肌肉本身温度为室温时，肌肉表面呈亲水特性，通电之后肌肉收缩，同时肌肉吸收水雾促进其膨胀增大了收缩率；当温度超过某一温度时，肌肉表层聚合物表现为疏水性，水滴不会停留在肌肉表面，故水雾会不断带走肌肉的热量，加速其降温，缩短了恢复时间；从而达到了大应变快速响应的目的。

2.如权利要求1所述的一种大应变快速响应的电热驱动人工肌肉的制备方法，其特征在于，将碳纳米管薄膜加捻形成螺旋状纤维的步骤为：将一块碳纳米管薄膜一端与电机输出轴固定，另一端悬挂10 g重物，电机以100 rpm的速度对薄膜进行加捻，随后薄膜形成一根螺旋状的碳纳米管纤维。

3. 如权利要求2所述的一种大应变快速响应的电热驱动人工肌肉的制备方法，其特征在于，悬挂重物不能随电机转动，以防止加捻过程中纤维解捻；通过悬挂不同重量的重物、控制电机的总转动圈数可控制弹簧状纤维的弹簧指数k=D/d；其中，k为弹簧指数，D 为螺旋结构的直径，d为加捻后碳纳米管纤维的直径。

4.如权利要求1所述的一种大应变快速响应的电热驱动人工肌肉的制备方法，其特征在于，对加捻后的纤维进行真空高温处理的步骤为：将自由解捻的纤维两端连接电源，同时上端固定，下端悬挂重物；重物的大小为碳纳米管纤维断裂拉伸强度的20%，再缓慢增加电压使其温度达到2000℃，纤维真空高温退火时间为2 min。

5.如权利要求1所述的一种大应变快速响应的电热驱动人工肌肉的制备方法，其特征在于，对真空高温处理后的纤维进行轻微酸化处理来改善其亲水性能的步骤为：将纤维浸泡在浓硫酸和浓硝酸的混合液中进行亲水化处理，浓硫酸和浓硝酸的体积比为3：1，浸泡时间为1 h。

6.如权利要求1所述的一种大应变快速响应的电热驱动人工肌肉的制备方法，其特征在于，所述亲疏水特性可受温度变化而转变的材料为聚苯乙烯和聚N-异丙基丙烯酰胺（PS和PNIPAM）；将PS1448和PNIPAM265以1：1的质量比混合并溶于四氢呋喃中，组成质量百分浓度为5 wt %的聚合物溶液；将聚合物溶液均匀涂覆于两端固定拉紧的碳纳米管纤维表面，在室温下干燥一小时，待干燥成膜之后放松纤维；聚合物溶液涂覆在碳纳米管纤维上所制得薄膜亲疏水特性可随温度发生转变，当温度为室温25℃时，其表现为亲水性，当温度升高至45℃时，其表现为疏水性。

7.如权利要求1所述的一种大应变快速响应的电热驱动人工肌肉的制备方法，其特征在于，以电热驱动的方式控制其伸缩，并对其通水雾的步骤为：人工肌肉顶端固定在铁架台装置上且位于三通玻璃管内，人工肌肉底部悬挂一定重物且保证重物与重物下方的非接触式位移传感器对心悬挂；人工肌肉两端与直流电源相连，通过控制电源的开关，实现人工肌肉的伸长与收缩，驱动过程中不断向玻璃管内通入水雾；具体过程为：电源开关闭合，产生的焦耳热使人工肌肉纤维发生径向膨胀，轴向缩短，并且此时纤维表面的聚合物为亲水性，会吸附雾气中的水分子，水分子进入碳纳米管纤维外层，引起纤维发生宏观膨胀，增大了收缩的行程；当电源断开时，热量散去，纤维伸长，此时高温下的聚合物转变为疏水性，水分子不会停留在纤维之上，不断流下的水珠会带走热量，加快回复行程的速度；在人工肌肉工作期间，非接触式位移传感器会记录下收缩和回复行程中的长度变化，肌肉纤维的工作负载即为悬挂重物的重量。