[發明專利]一種基于液體驅動的納米多孔驅動器及其應用

有效

• 申請號: 201410024034.4
• 申請日: 2014-01-20
• 公開（公告）號: CN104787717A
• 公開（公告）日: 2015-07-22
• 發明（設計）人: 葉興龍;劉凌志;金海軍
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: B81B3/00
• 分類號: B81B3/00
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 許宗富;周秀梅

技術領域

本發明涉及納米材料驅動器技術領域，具體涉及一種基于液體驅動的納米多孔驅動器及其應用。

背景技術

能夠感知外部激勵信號并做出響應來改變自身形狀或尺寸的材料能夠將外界其它形式的能量轉變為機械能，實現驅動性能，故而這類智能材料常被用作驅動器。常用的這類智能材料包括形狀記憶合金、壓電材料和磁致伸縮材料，以及近些年來發展起來的導電活性聚合物、碳納米管以及納米多孔金屬材料。這些作為驅動器的智能材料的共性是會對外在的物理或者化學激勵信號做出反應，將外在能量如熱能、電能或者化學能轉化為機械能。近十年來，納米多孔金屬作為一種新型的驅動器引起了越來越大的關注。納米多孔金屬由在三維空間互相貫通的固體相和孔相構成，比表面積可達10m²/g。納米多孔金屬作為驅動器的基本原理是通過改變納米多孔金屬中固體相的表面應力，從而改變固體相內部的應力，進而驅動納米多孔金屬發生收縮或膨脹，實現驅動性能。由于納米多孔金屬中的固體相在納米尺度，表面應力造成的固體相內部應力的改變相較于宏觀固體來講會被放大，這即是納米多孔金屬產生宏觀上可見的膨脹或者收縮的原因。對于如何改變固體相的表面應力，目前文獻中通常是采用化學或者電化學的方法來改變納米多孔金屬中固體相的表面電荷狀態。例如，Weissmuller等人通過將納米多孔鉑浸入1M?HClO₄溶液,然后控制施加在納米多孔鉑上的電位可獲得約為0.15%的可逆伸縮幅度[J.Weissmuller,R.N.Viswanath,D.Kramer,P.Zimmer,R.Wurschum,and?H.Gleiter,Science300,312(2003).]。Biener等人通過對納米多孔金交替通以CO和O₃氣體，使納米多孔金表面反復地發生氧化或者還原，能獲得高達0.5%的膨脹收縮幅度[J.Biener,A.Wittstock,L.A.Zepeda-Ruiz,M.M.Biener,V.Zielasek,D.Kramer,R.N.Viswanath,J.Weismuller,M.Baumer?and?A.V.Hamza,Nature?Mater.8,47(2009).]。但上述電化學或化學驅動納米多孔的方法有著很大的缺陷：電化學或化學方法僅限于固體相為導電材質的納米多孔材料；電化學或者化學驅動方法由于電化學或者化學過程的發生對納米結構產生影響，如使得固體相變粗或者蠕變等，造成驅動的可逆性非常差以及不可逆的收縮等；從應用角度看，電化學或者化學驅動方法涉及到腐蝕性電解液，參比電極和對電極的布置，以及電力設備的配給或者有害有腐蝕性的氧化還原氣體，外部激勵方式復雜，給驅動器與其它器件的結合帶來很大不便，同時腐蝕性電解液或者氣體的使用也使驅動器變得危險，對環境造成危害，給防護帶來壓力。這些不利因素是這類驅動器獲得實際應用的主要障礙。因而發展一種無需復雜的驅動方式或者激勵方式，也無需電化學或者化學過程發生，不涉及腐蝕性電解液或者有害氣體的驅動器便具有重要的應用價值。

發明內容

本發明的目的是針對傳統的納米多孔驅動器需要復雜的外部激勵方式，如需要電化學過程或者化學反應的參與、磁場或者電場的使用等，以及驅動過程涉及腐蝕性介質、有毒有害氣體等問題，提出一種基于液體驅動的納米多孔驅動器及其應用，該驅動器激勵方式簡單且對環境友好，該驅動器操作中不涉及腐蝕性介質或其它有害物質，對環境友好，簡單易行，且易于組裝成器件。

為了實現上述目的，本發明所采用的技術方案是：

一種基于液體驅動的納米多孔驅動器，該驅動器包括基體材料和用于驅動的液體；所述基體材料全部或部分為納米多孔材料，納米多孔材料其孔結構是通孔結構，即在三維空間內是互相連通的；所述用于驅動的液體填充于納米多孔材料的孔中，通過改變納米多孔材料中液體的含量，使納米多孔材料表面液體和空氣的界面在平直和彎曲兩種狀態之間進行轉變，從而改變液體表面張力作用在納米多孔材料上的壓應力，使得納米多孔材料的彈性變形發生改變，從而驅動納米多孔材料可逆地收縮或者膨脹，實現其驅動性能。

所述納米多孔材料的孔徑為納米尺度（孔徑可以是均勻的，也可以是不均勻的），且其內部無裂紋，內部無裂紋使得納米多孔驅動器能夠承受外載荷，而不會結構破壞。

所述納米多孔材料為金屬、陶瓷或聚合物材質，可以通過電化學電解脫合金方法、化學自由腐蝕脫合金方法、電解金屬法、模板法、固體燒結法或溶膠凝膠法制備。