上海交通大学:可逆循环强人造肌肉-多响应形状(2)
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【关键词】
【摘要】图2. 用于人造肌肉的多功能聚合物复合材料的热力学性能。(a)具有不同PCL含量的复合PU-5AZO11的DMA图。(b)在放热循环中PCL-diOH,PU(50PCL)和PU-5AZO11(
图2. 用于人造肌肉的多功能聚合物复合材料的热力学性能。(a)具有不同PCL含量的复合PU-5AZO11的DMA图。(b)在放热循环中PCL-diOH,PU(50PCL)和PU-5AZO11(50PCL)的DSC曲线。(c)具有不同PCL含量的复合PU-5AZO11的应力-应变图。(d)不同AZO11和Au含量的复合材料的热应力-应变图。(e)加热条件下复合PU-5AZO11/Au(50PCL)的一维X射线衍射图。
假设PCL组件的Tm为53.37°C,这可能触发恢复行为,则在此临界温度之前和之后,Rr和响应时间的值都显着不同,如图3a所示。这种现象表明该材料在人造肌肉等应用中具有广阔的发展潜力。如图3b所示,这通过吊车式提升测试得到了进一步证明。与某些常见类型的人造肌肉执行器相比,这种材料在能量密度和应变之间具有出色的平衡,这意味着它具有超强的可扩展性能以及无与伦比的能量密度和功率密度。 具体来说,最大应变是人骨骼肌的6.9倍,而功率密度是26.6倍,能量密度是46.5倍(图3c)。
图3. 复合PU-5AZO11/Au(50PCL)的人工肌肉性能和重写行为。(a)在不同温度下复合材料的第一个和第十个循环的性能(Rr用颜色表示,红色代表100%,紫色代表0%)。(b)测试人工肌肉性能的经典举重应用的示意图。(c)人造肌肉性能与其他常见执行器材料的比较。(d)PU-5AZO11/Au(50PCL)在原始,刮擦和愈合状态下的重写性能的光学图像和SEM图像。
如图4a所示,当一端固定的复合材料PU-5AZO11/Au(50PCL)暴露于紫外光下,借助于AZO11激活骨架中的偶氮苯,两端之间的弯曲角度可能为180° 在29.3 s中。此外,进行了驱动实验,并通过两个夹子分别施加了2.9525 g的重量(大约是样品质量的300倍)来施加每个应变为100%的复合材料条,如图4b所示。在相同条件下,只需25秒即可完全恢复。为了模仿自然肌肉的行为,复合带的一端(0.0155 g)在预取向后垂直固定,而另一端则连接到负载(0.1280 g)上,如图4c所示。
图4. 复合材料PU-5AZO11/Au(50PCL)的光响应行为。(a)一端固定的复合带材在365 nm处由紫外线引起的弯曲和由NIR 800-900 nm引起的恢复的循环。(b)光驱动应用程序的示意图和相应图像。(c)365 nm的紫外线和800-900 nm的NIR触发的人造肌肉性能。
如图5a所示,由于光强度从6.5 W m-2增加到8.5 W m-2, 偶氮苯异构化在系统中的发生率持续上升,特别是在光源的另一侧,这导致UV趋光性。在NIR响应模拟中,作者使用“传热”程序包和“固体力学”程序包对热回收过程进行建模。作者在这里做了一些简化,直接在样品的外边界设置温度。但是,从NIR转换而来的热量也可以通过射频包来模拟。结果证明,金纳米棒通过光热转化将近红外能量连续转化为热能,从而升高了样品的温度。当达到转变温度时,分子迁移率被重新激活,使系统返回到其最高熵状态,从而释放了在预应变过程中由外力引起的系统熵。因此,将触发形状恢复过程,如图5b所示。总体而言,模拟结果与实验结果完全吻合,从而为研究由紫外线和近红外辐射诱导的光驱动弹性体提供了一种通用方法。
图5. 一端固定在(a)UV和(b)NIR辐射下的一端固定的复合带PU-5AZO11/Au(50PCL)的有限元模型的仿真结果和实验结果。
【陈述总结】
作者开发了具有独特贴片缝合结构的新型多功能可编程纳米复合材料,该复合材料具有出色的形状记忆性能和出色的人造肌肉性能。
由于微相分离,π-π相互作用和氢键的影响,PU-AZO11/Au复合材料很容易变形,经过10个循环后,形状恢复率接近100%,并且在1 s内的瞬时响应临界温度。此外,通过举升实验,可以超乎寻常地发挥出色的驾驶性能,其能量密度为46.51倍,功率密度为26.6倍,人体骨骼肌的应变为6.9倍。由于添加了AZO11,因此可以实现重写行为,这归因于表面在100°C时的自愈特性。同时,由于偶氮苯的光异构化和金纳米棒的光热转化,可以在30 s内完成紫外线触发和NIR光还原的循环。此外,建立了相应的数值模型来模拟光引起的运动,并基于异构化和光热转化总结了光驱动弹性体的一般规律。这些演示清楚地表明,这种创新的纳米复合材料有望在许多领域的 文章来源:《固体力学学报》 网址: http://www.gtlxxbzz.cn/zonghexinwen/2021/0627/619.html