哈工大《ACS AMI》:基於剛度可變碳納米管納米複合紗線的光致動器

2021-01-08 騰訊網

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成果簡介

基於碳納米管（CNT）紗線的致動器由於其優異的性能和潛在的應用前景，在人工肌肉、傳感器、智慧機器人等方面引起了廣泛的關注。然而，由於具有一維結構的CNT紗線作動器往往只能通過電化學、熱或電刺激來驅動，這限制了CNT紗線激勵器的應用。此外，響應速度慢，輸出應力低，驅動變形不可控，無需外界刺激就能自我恢復，也是一大挑戰。

本文，哈爾濱工業大學彭慶宇教授與赫曉東教授團隊在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊發表名為「A Photoactuator Based on Stiffness-Variable Carbon Nanotube Nanocomposite Yarn」的論文，研究提出了一種基於剛度可變的CNT納米複合紗線（CNT-NCY）的光致動器，其輸出應力大，響應速度快，驅動變形大且可逆。這種CNT-cy光致動器在近紅外（NIR）光的照射下可以實現扭轉和收縮驅動，其驅動的可逆性和可控性至關重要。在扭轉驅動過程中，CNT-cy光致動器的最大轉速約為45rpm，收縮變形可達到9%以上。這種CNT-NCY光致動器可以產生超過12MPa的輸出應力，是人體骨骼肌的40倍。分析了這種碳納米管光碟機動器的驅動機理，論證了其潛在的應用前景。

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圖文導讀

圖1.（a）CNT-NCY光致動器的製造過程示意圖。（b–g）SEM圖像以及（b，e）CNT螺旋紗，（c，f）預拉伸CNT螺旋紗和（d，g）CNT-NCY光致動器的進一步放大。

圖2.（a）可逆扭轉致動過程的光學圖像。（b）CNT-NCY光致動器的光學顯微鏡圖像和（c）紅外熱圖像。NIR光的波長為808 nm，功率目標為0.83 W / cm2。

圖3.（a）「平行彈簧」結構模型的示意圖。CNT-NCY光致動器可以看作是複合彈簧，由CNT彈簧和樹脂彈簧組成。

（b）在可逆扭轉驅動過程中，CNT-NCY光致動器底部槳的旋轉度與時間的關係曲線。

（c）在100次循環致動期間CNT-NCY光致動器的旋轉度的變化。近紅外光的波長為808 nm，功率目標為0.83 W / cm2。

（d）在不同功率密度的近紅外光照射下，CNT-NCY光致動器的收縮變形。內部圖是在不同功率密度的近紅外光照射下CNT-NCY的表觀溫度。

（e）在100次循環致動期間CNT-NCY光致動器的收縮變形的變化。NIR光的波長為808 nm，功率目標為0.83 W / cm2。

圖4.（a）不同功率密度的NIR光照射的CNT-NCY光致動器的溫度變化。

（b）不同功率密度的近紅外光照射的CNT-NCY光致動器的輸出應力變化。

（c）功率密度先增大後減小的近紅外光照射的CNT-NCY光致動器的輸出應力變化。

（d）CNT-NCY光致動器的循環穩定性測試。所有測試中使用的NIR光的波長為808 nm。

（e）用作電路中光控開關的CNT-NCY光致動器的示意圖。

（f）CNT-NCY光致動器用作光控開關的實際顯示。當將近紅外光照射到CNT-NCY光致動器上時，銅片旋轉，燈泡變亮。當近紅外燈被移除時，

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小結

綜上所述，展示了一種基於變剛度CNT納米複合紗線（CNT-NCY）的光致動器。該CNT-NCY光致動器響應速度快、輸出應力大且可控、可重用性好，在開關、微型機器人、傳感器、人工肌肉等方面具有潛在的應用前景。

文獻：

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