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哈尔滨工业大学等研制出石墨烯纳米片基超薄柔性驱动器《资讯》

发布时间:2020-08-17 14:07:54 阅读: 来源:纸筒厂家

07-08

近日,哈尔滨工业大学柔性电子与热管理课题组与中国航天科技集团西安微电子技术研究所和澳大利亚新南威尔士大学合作,利用石墨烯极低的平面热膨胀系数以及具有电热效应的特点,共同研制了基于石墨烯纳米片的超薄型柔性机械手(驱动器)。该柔性机械手(驱动器)的厚度小于0.2mm,具有双层结构,能够实现低电压驱动弯曲,并用来制备柔性手指、柔性手掌、柔性章鱼爪等器件,实现物质抓取和举起等动作。该项目的创新点在于:1)通过界面工程实现了石墨烯纳米片在复合膜中的取向分布,从而让复合膜具有了良好的导电性和很小的平面膨胀系数;2)能够通过电压(3-48V)的精细控制实现柔性驱动器的定量弯曲;3)加工工艺简单、高效,可规模化生产。相关成果发表于期刊Carbon上(Electro-thermally driven flexiblerobot arms based on stacking-controlled graphite nanocomposites, 2019, 152:873-881, https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.06.075),王华涛副教授和吴韬教授为论文的共同通讯作者。

图1. 柔性驱动器的制备工艺图

柔性驱动器有别于普通驱动器,不但能够将能量转换为机械能,实现驱动,而且具有柔性的特点,在人造肌肉、柔性机器人、微型机器手臂等领域具有广阔的应用前景。

图2. 柔性驱动器复合膜的显微结构示意图和SEM照片

图3 柔性驱动器的结构和性能表征(a)结构示意图和弯曲机理;(b)双层结构的室温照片和(c)高温下的弯曲(d)驱动器电热回路结构图和(e)实物图、(f)弯曲图;(g、h)双层结构良好的柔性;(i、j)驱动器弯曲图和多次循环测试

石墨烯纳米片的批量化生产制备是实现多种应用的关键之一,包括传感器、生物传感器、纳米器件、储能设备以及催化剂等方面。而在这其中,应力传感器是能够实现健康监测的方案之一。与传统的方案相比较,纳米结构传感器是能够制备新型、高灵敏性以及柔性应力传感器的潜在候选者之一。基于ZnO、CNTs和金属纳米线的应力传感器已经背广泛报道,石墨烯纳米片的二维结构和出色的力学特性和电学特性,非常有助于构建下一代高性能应力传感器。

目前石墨烯的制备主要是基于剥离氧化石墨烯方案。这种方案可以实现批量化生产制备石墨烯,但是制备的石墨烯质量难以保证。

图5. 柔性手掌抓取物体

图6. 柔性章鱼爪抓取物体

开发具有低驱动电压和低成本制造工艺的柔性执行器是一项巨大的技术挑战。在这里,我们报告了一种基于聚酰亚胺(PI)薄膜的软致动器,其具有一层石墨纳米板(GN)和羧甲基纤维素钠(CMC)纳米复合材料。GN / CMC复合材料是由堆叠控制的GN和CMC组成的各向异性低成本纳米复合材料。由于GN和PI之间的热膨胀系数(CTE)差异很大,GN / PI双层表现出优异的弯曲能力。这种异质双层的变形可以通过产生所需热梯度的外部电压精确控制。GNs作为柔性执行器的柔性电极具有独特的优点:它们稳定,价格低廉,具有超低CTE; 他们的复合材料在表面活性剂定向合成中具有很高的导向性,导致低电阻(10-40mΩcm)并能够实现低电压操作。我们展示了原型架构,包括GN-Fingers,Robot-Hands和Octopus-Arms。它们可以在3-48 V的低驱动电压下可逆地弯曲至270°,最大弯曲曲率可以达到2.2 cm-1。此外,基于GN的Robot-Hands和Octopus-Arms可以抓取和释放物体,GN-Arrays可以提升物体,强调了基于GN的软驱动器的潜力。

文章来源:高分子科学前沿

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