聚合物基石墨烯/二氧化钒纳米复合结构驱动材料及器件研究

Electroactive polymer actuators can directly convert electrical energy into mechanical output. They possess many features including lightweight, large strain and flexible, and have wide application prospect in the fields of biomimetic robot, biomedical devices, aerospace and so on. According to the application requirement of large strain and stress output in air for the actuator, the actuator design should be developed from two aspects of high-performance sensitive materials and device structure. The aim of this project is to develop a monolithic polymer electric actuator based on a three-dimensional graphene/VO2 nanowire asymmetric structure. The VO2 nanowire with large deformation and force output caused by the phase transition is used as the actuation active element. Through the ordered alignment assembly of the VO2 nanowires in the polymer matrix, the phase transition induced actuation in the microscale can be accumulated and realized in the macroscale. The three-dimensional graphene and ordered VO2 nanowires are asymmetrically assembled in the same polymer matrix. The three-dimensional graphene is employed to conduct the electrical-to-thermal conversion to stimulate both the phase transition induced contraction actuation and the thermal expansion of the polymer. The electrical-thermal-phase transition-mechanical multi-field coupling is mainly explored combined with the finite element method analysis. Based on these, the actuator design is optimized and the construction of the polymer electrical actuator prototype device with low voltage induced large deformation and force output is realized. The research could promote the further development of the new intelligent materials actuators towards the practical applications.

电活性聚合物智能驱动器能将电能直接转化为机械输出，具有质轻、应变高、柔性等特点，在仿生机器人、生物医疗器件、航空航天等领域具有广泛的应用前景。针对在空气中低压大形变大应力输出的应用需求，智能驱动器需从高性能敏感材料和器件结构两方面进行设计。本项目旨在发展基于三维石墨烯/二氧化钒纳米线非对称结构的单片聚合物电驱动器。以具有大形变大应力输出的相变特性的二氧化钒纳米线作为驱动活性基元，通过二氧化钒纳米线在聚合物基质内的有序定向排列组装，将其微观的相变驱动特性在宏观尺度得以积累和放大；将三维石墨烯与有序二氧化钒在同一聚合物基质内进行非对称组装；通过三维石墨烯的电热转化来刺激相变收缩驱动与聚合物热膨胀。重点探索电驱动器的电-热-相变-机械多场耦合驱动，结合有限元方法模拟分析，优化驱动器设计，实现低压大变形大应力输出的聚合物电驱动器原型器件的构筑，推动新型智能材料驱动器件向实际应用方面的进一步发展。

柔性智能驱动器件能实现外部电、光等能量刺激到机械能的直接转化，在软体机器人、柔性可穿戴器件、航空航天等领域具有广泛的应用前景。针对柔性驱动器的实际应用需求，关键在于发展高性能的驱动材料单元，以及驱动结构设计。二氧化钒是一种具有优异性能的金属氧化物材料，尤其它具有相变变形特性，具备理想驱动材料的潜质。然而，其对于电/光等外部能量的响应较弱，需要与其他外场响应材料单元进行复合。石墨烯、碳纳米管等碳纳米材料具有独特结构特点、优异的电学、光学、力学以及热学性能，能高效地响应外部能量，而且适合于进行不同结构的设计与组装，从而在驱动材料领域具有极大的研究价值。因此，本项目主要研究基于石墨烯、二氧化钒纳米线等复合结构的聚合物基驱动器的设计制备、在外部低电压等能量刺激下的高性能驱动变形，以及在实际应用领域的探索。通过水热法设计制备了具有相变特性的二氧化钒一维纳米线，并通过外部电场诱导等方法将其宏观组装，制备了能在外部电压或者光照刺激下产生驱动变形的二氧化钒纳米线宏观复合薄膜，从而实现了二氧化钒纳米线的微观相变变形在宏观薄膜中的积累；然后，设计并制备了基于石墨烯等碳纳米材料的三维、二维等复合结构材料，并研究了其在外部低电压或者光照刺激下的驱动变形特性；在此基础上，将碳纳米结构与二氧化钒纳米线通过聚合物基体进行非对称有序结构组装，通过收缩变形与热膨胀变形的耦合，发展了能在低电压下产生快速大变形响应的聚合物基柔性驱动器件；并进一步探索了高性能的柔性驱动器在柔性抓取、自主运动等方面的应用研究。相关研究成果已在国内外学术期刊发表学术论文11篇，其中SCI论文10篇，申请发明专利5项，其中授权2项。其研究成果揭示了碳纳米结构、二氧化钒纳米线等纳米活性结构单元在柔性驱动器设计中的重要作用，并且对于柔性驱动器在柔性机械手、软体机器人等领域的应用发展起到了积极的推动作用。