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石墨烯-碳納米管-鎳納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)人造肌肉

來(lái)源: X-MOL 2017-09-12 14:31:38

“人造肌肉”是一類(lèi)智能材料，能夠在外加刺激下（例如電場(chǎng)）通過(guò)材料的結(jié)構(gòu)改變實(shí)現(xiàn)類(lèi)似真正肌肉的伸縮、彎曲等動(dòng)作，在生物醫(yī)學(xué)材料、機(jī)器人、傳感器、柔性電子器件等多個(gè)領(lǐng)域都有潛在的用途。在人造肌肉研究領(lǐng)域中，仿生柔性離子致動(dòng)器（ionic actuators），以其低能耗、空氣中高穩(wěn)定性、變形響應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛深入的研究。特別是離子聚合物-金屬?gòu)?fù)合材料（ionic polymer-metal composite，IPMC）致動(dòng)器，在柔性電子器件領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展前景。不過(guò)柔性離子致動(dòng)器也有不少難以避免的不足，比如輸出力較弱、制備復(fù)雜、不耐干燥等等，這大大限制了它的應(yīng)用范圍。

近日，韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院（KAIST）的Il-Kwon Oh課題組在Small 雜志上發(fā)表封面文章，研究了三維石墨烯-碳納米管-鎳納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)（G-CNT-Ni）在人造肌肉中的應(yīng)用。通過(guò)該材料和離子聚合物的復(fù)合，形成導(dǎo)電三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，既能保證人造肌肉的機(jī)械性能，又能提高離子導(dǎo)電率（0.254 S?m?1）。基于G-CNT-Ni的人造肌肉具有良好的電活性致動(dòng)性能，包括更大的彎曲形變、更強(qiáng)的輸出力以及更持久的穩(wěn)定性。

作者通過(guò)連續(xù)微波法制備了G-CNT-Ni納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)。其中二茂鎳可以作為催化劑，催化碳納米管在石墨烯表面垂直生長(zhǎng)。該材料在商用微波爐中即可完成制備。

隨后，作者將G-CNT-Ni材料和離子聚合物混合，以增強(qiáng)復(fù)合層的電導(dǎo)率和機(jī)械性能。其中，全氟磺酸樹(shù)脂（Nafion）是半結(jié)晶聚合物，由不導(dǎo)電的結(jié)晶區(qū)和導(dǎo)電的非晶區(qū)組成。G-CNT-Ni材料的嵌入，可以連接非晶區(qū)，從而導(dǎo)致離子更快地傳輸，提高導(dǎo)電率。

復(fù)合材料的機(jī)械性能的提高非常明顯。當(dāng)G-CNT-Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到10%時(shí)，復(fù)合膜的拉伸模量為69.28 MPa，是純?nèi)撬針?shù)脂的2.66倍（26.07 MPa）；拉伸強(qiáng)度也比全氟磺酸膜提高了98%。

隨后，作者對(duì)復(fù)合膜進(jìn)行了電活性人造肌肉的致動(dòng)測(cè)試。通過(guò)外加電場(chǎng)，加入G-CNT-Ni的復(fù)合材料的正弦彎曲偏移曲線(xiàn)更加明顯。其主要原因是該材料具有更強(qiáng)的輸出力。此外，在高頻下，復(fù)合膜具有更好地致動(dòng)性能。持續(xù)4小時(shí)連續(xù)致動(dòng)下，耐久性能保持在93%的水平。

“人造肌肉”領(lǐng)域其實(shí)涉及電致形變、離子導(dǎo)體聚合物等許多熱門(mén)方向。或許，這一領(lǐng)域可以拓展許多新材料的應(yīng)用范圍。

材料學(xué)

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