鞘状碳纳米管人工肌肉纤维在弱电流刺激下的驱动性能提升机制（英文）

作者：赵增辉; 朱苏峰; 杨光; 董旭峰^*; 邸江涛^*; 齐民; 黄昊

来源：Science China-Materials, 2023, 66(12): 4794-4802.

电热驱动的鞘状人工肌肉已经展示出广阔的应用前景.当受到高电流产生的焦耳热影响时,它们的鞘层会膨胀和软化,有效地释放芯部纤维内储存的扭转能量,这种现象显著地提高了驱动性能.本工作制备了一种包裹在聚二甲基硅氧烷(PDMS)鞘层中的预捻碳纳米管(CNT)人工肌肉纤维.施加频率为0.25 Hz的50 mA电流,其可以产生13.28%的收缩变形和9.82 MPa的收缩应力,功率密度为3.8 Wg-1.得益于非螺旋结构,CNT纤维@PDMS的运行速率可达42%s-1,我们据此开发了快速运行的开关和仿生臂.有趣的是,我们观察到即使在较弱的电流不足以诱导驱动所需的PDMS鞘层膨胀和软化的情况下,CNT纤维@PDMS的驱动性能也有所改善.为了解释这一现象,我们提出了一种鞘层致密化机制.当电流通入CNT纤维时,其内部CNTs间产生的安培吸引力也会引发驱动,PDMS鞘层在固化过程中产生沿CNT纤维径向分布的收缩应力,会使CNTs间距减小,从而提升安培吸引力.我们通过检测CNT纤维@PDMS在不同温度下的驱动行为、内部微观结构、力学和电学性能的变化证实了这种致密化机制的存在,并分析了整个驱动过程中能量的变化.