取向氧化鋯納米纖維的形狀記憶驅動用于高溫下的人工肌肉

DOI:10.1021/acsanm.9b02073

人工肌肉是促進機器人技術、自動化和人工智能嵌入式系統發展的關鍵技術之一。本工作旨在開發基于形狀記憶陶瓷（SMC）納米纖維的卷曲紗，用于高溫下的人工肌肉。采用靜電紡絲方法成功地制備了高度取向的片狀碳納米管（氧化鋯基）紗線和彈簧。研究了SMC納米纖維的微觀結構和拉伸性能，以及SMC紗線/彈簧的形狀記憶驅動性能。在328-388℃的驅動溫度下，SMC紗線的形狀記憶效果顯著，可恢復應變高達5%，恢復時間短（0.16 s）。當使用本生燈加熱時，SMC彈簧可升至自身重量的87倍，行程為3.9 mm。SMC紗線/彈簧的輸出應力為14.5-22.6 MPa，工作密度約為15-20 kJ/m3，拉伸強度約為100-200 MPa，遠高于人體肌肉和其他一些基于聚合物的人工肌肉。SMC納米纖維基紗線/彈簧具有輸出應力大、拉伸強度高、驅動溫度高、響應快等優點，在用作高溫下人工肌肉方面具有巨大的潛力。

圖1.SMC納米纖維、紗線和彈簧的制造過程示意圖。

圖2.在不同溫度和不同停留時間下燒結的納米纖維的SEM圖像：（A）700℃/1 h，（B）1200℃ /0 h，（C）1300℃/0 h和（D）1200℃/ 2 h；（E）納米纖維的XRD圖譜，其中“m”代表單斜晶相，“t”代表四方晶相；（F） 燒結溫度（虛線左側：停留時間為0 h，700℃停留時間為1 h）和停留時間（虛線右側：固定在1200℃）對納米纖維四方相wt%和晶粒尺寸的影響。（F）中的燒結Tem.表示燒結溫度。

圖3.（A）在不同的溫度下無停留燒結的SMC紗線的拉伸應力-應變曲線；（B）標距長度為5 mm的SMC紗線的拉伸強度與燒結溫度的關系。

圖4.（A）照片顯示了彎曲然后釋放紗線的過程。（B）彎曲成不同直徑后的紗線樣品的XRD圖譜。標記“m”和“t”分別表示單斜晶相和四方晶相。（C）單斜相的重量分數與彎曲直徑的關系圖。（D）紗線彎曲不同時間的XRD圖案。

圖5.（A）彎曲前、彎曲成不同直徑后以及在600℃加熱30分鐘后的紗線樣品照片。彎曲之前、彎曲到（B）6 mm或（C）2 mm以及加熱后紗線的XRD圖案。

圖6.SMC納米纖維的掃描電鏡圖像：（A）原始狀態，（B）彎曲時，（C）彎曲后，（D）在500℃加熱30分鐘后。

圖7.彎曲紗線的偏轉角（α）隨加熱溫度的變化；插圖是在加熱溫度從32℃到388℃再到28℃時拍攝的紗線圖像。粉紅色區域的溫度范圍表示反向馬氏體轉變溫度。

圖8.（A-H）顯示SMC紗線與預熱熱板接觸時形狀變化的照片；（I-K）紗線樣品在原始形狀（I）、彎曲后（J）和加熱后（K）的照片。

圖9.照片顯示了一個SMC彈簧在拉伸載荷下的形狀恢復過程中升高了其自身重量的87倍（AD），而另一個彈簧在壓縮載荷下升高了自身重量的23倍（E-H）。L是彈簧的長度，直接從彈簧上測量。照片中標尺指示的長度是不準確的，因為它是彈簧投射到標尺上的結果。

圖10.（A）在拉伸載荷下的第一個到第三個循環中測試的SMC彈簧的輸出剪切應力；將SMC彈簧在1200℃下燒結30分鐘。（B）SMC彈簧的輸出剪切應力和工作密度與熱處理條件的關系。彈簧以拉伸模式加載。