CNT/SMP非对称复合结构单片光驱动材料器件研究

The ability for the intelligent actuation device to respond to the environment stimuli is the important foundation for the artificial muscle technique, and the related materials and technique have widely potential application in the field of biomedicine, robot, aerospace and so on. For the purpose of realizing energy storage, transfer and succesively reversible stress-strain process, the combination of multilayer structures with different function materials is the common design for the existing actuator. Therefor, the coupling of the interface structures and properties is the key point for actuation device research. In this project, we aim to develop a photomechanical single ply intelligent composite structure based on one same substrate material. By taking advantage of the unique optical, mechanical and thermal properties of CNT,the shape memory character of macromolecule and the Interpenetrating Polymer Network (IPN) assembly technique, the composite structure with gradient distribution of CNT and different internal properties can be formed. The mechanical property, as well as photothermal conversion and Shape memory temperature enhanced effect are investigated by the assembly of shape memory polymer with high mass fraction CNT. The coupling of photo-thermal-mechanical under the gradient distribution of nanomaterials and the round trip photothermal actuation feature are also studied. By developing the synergistic effect of the designed intelligent structures and sensitive materials, the designated actuation and force output under the simple construction is achived, which lays the application foundation for exploring new artificial muscle biomimetic structure.

智能驱动器件通过感知环境刺激产生变化，是仿生人工肌肉技术的重要基础，相关材料和技术在生物医学、机器人、航天航空等领域有着广泛的应用前景。为实现能量的存储、转换以及连续可恢复应力应变过程，不同功能材料的多层结构复合是现有驱动器最常见的设计，因而材料间界面结构与性能耦合成为驱动器件研究中的关键。本项目旨在发展一种具有同一基底材质的光-机械单片智能复合结构；发挥碳纳米管优良光、力、热学特性以及特种高分子独有的形状记忆功能；利用互穿聚合物网络组装技术，形成碳纳米管梯度分布的、材料内部性能差异的复合结构；研究形状记忆高分子在高质量分数碳纳米管组装调控下的力学、光热转换以及形状温度记忆增强效应、研究纳米材料梯度分布下的光-热-机械耦合、以及赋予的双程光热驱动特性；发挥敏感材料和智能结构设计的协同作用，实现简单构造、特定力学驱动输出的目的，为探新型人工肌肉仿生材料结构奠定重要应用基础。

智能驱动器件可将外部刺激能量直接转化为机械能输出，在生物医学、机器人、航天航空等领域有着广泛的应用前景。碳纳米材料是一类集优良的电学、力学、光学、热学等性能于一身的特殊纳米材料，在驱动材料的研究方面具有较大的发展价值。此外，在驱动器件的结构设计中，不同功能材料的非对称结构复合已成为重要的方法之一。基于此，本项目主要研究基于纳米材料与高分子聚合物组装的非平衡结构智能驱动器件的构筑，以及其在光刺激下的多次连续可恢复形变的驱动性能的实现。我们以碳纳米管、石墨烯等纳米材料为核心组元，并与具有良好的热响应性和稳定性等优异性能的高分子聚合物材料相复合，通过结构设计调控，发展具有非对称结构的复合功能薄膜驱动材料，并通过发挥复合薄膜的形状记忆特性，以及碳纳米管等的光热转化特性，实现了基于复合薄膜的智能驱动器在外界信号刺激下的多次连续可恢复形变驱动，并对于纳米材料的复合在智能驱动中所起到关键作用进行了探究。相关研究成果已在Advanced Materials等著名学术期刊上发表SCI论文6篇，申请发明专利3项。其研究成果揭示了纳米材料结构对于驱动性能的提升作用，将对新型光驱动智能器件的设计以及在智能窗帘、光控机器人、自展开的太阳帆等领域的应用起到积极的推动。