[發明專利]一種MXene復合材料基電化學致動器、其制備方法和用途

在審

• 申請號: 202010600660.9
• 申請日: 2020-06-28
• 公開（公告）號: CN111740000A
• 公開（公告）日: 2020-10-02
• 發明（設計）人: 王彤;趙軍;張忠;翁傳欣;張暉
• 申請（專利權）人: 國家納米科學中心
• 主分類號: H01L41/047
• 分類號: H01L41/047;H01L41/09;H01L41/22
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 鞏克棟

本發明涉及一種MXene復合材料基電化學致動器、其制備方法和用途。所述MXene復合材料基電化學致動器包括兩層電極層和一層電解質層，所述電解質層夾在兩層電極層中間形成三明治結構；所述兩層電極層中包括MXene。本發明所述MXene復合材料基電化學致動器表現出優異的致動性能，具有彎曲形變大、驅動電壓低、響應速度快、穩定性良好、可實現對頻率的響應等特性；且本發明所述MXene復合材料基電化學致動器可以用作仿生設備，包括用作機械爪來實現物品的抓取，模仿昆蟲翅膀的振動、樹葉的擺動、花朵的開合等。此外，本發明所述MXene復合材料基電化學致動器的制備工藝簡單，無需復雜設備。

技術領域

本發明屬于智能高分子材料領域，具體涉及一種MXene復合材料基電化學致動器、其制備方法和用途。

背景技術

動物肌肉可以進行伸縮、彎曲、扭轉等復雜運動并產生大的變形，其結構功能達到了令人難以置信的協調。(Madden JDW et al.Artificial muscle technology:physicalprinciples and naval prospects[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering:2004,29:706-728.)一直以來，人們都想模仿動物肌肉的運動，因此，人們一直都在致力于發展出可與動物肌肉媲美的人工肌肉，也稱為致動器。我們最常見的致動器是內燃機、電動機和壓電陶瓷。內燃機通常在連續運行時效率最高，因此不適于運動頻繁中斷的應用，例如閥門或步行機器人。與肌肉相比，電動機的扭矩質量低，因此在醫療、機器人和流體應用中體積龐大。壓電陶瓷具有較高的功率密度，但應變很小(0.1％)，如果需要大的位移，則必須進行大規模的機械放大。與剛性系統相比，軟系統可能容易變形并能夠適應不斷變化的環境和動態任務設置，對高負載具有彈性，在人類環境中具有順應性和安全性，并且可進行廉價的批量生產。而聚合物致動器相比于內燃機、電動機和壓電陶瓷就屬于軟材料系統，可以滿足上述要求。(Behl M,Lendlein A.Shape-memory polymers[J].Materials Today:2007,10:20-28.)

聚合物致動器就是高度可變形的材料或復合材料，可以通過外界刺激激活以產生所需的運動/變形和力/扭矩。聚合物致動器根據使用材料的不同可以分為流體致動器、凝膠致動器和固態材料致動器，不同的材料可響應的外界刺激和所能應用的領域都不盡相同。Ueno等人利用電動流體噴射現象制備了微型泵，用來模仿蠕蟲的運動。在電動流體微型泵中，電共軛流體與電場相互作用，產生強射流，使設備中的可變形腔室產生較高的流體壓力，從而產生運動。(Ueno S et al.Micro inchworm robot using electro-conjugatefluid[J].SensorsActuators A Physical:2014,216:36-42.)Gu等人利用陰離子凝膠制備了仿生章魚，凝膠浸沒在離子溶液中，由于凝膠內部和外部之間的離子濃度不同，因此在施加的電場下凝膠能夠吸收大量流體，導致其向陰極不對稱溶脹，從而產生運動。(Gu HKet al.Biomimetic soft multifunctional miniature aquabots[J].Small:2008,4:2148-2153.)Taccola等人利用電熱吸濕材料制備了仿生花，當水分或濕度變化時，吸濕性材料會膨脹或收縮。對于某些凝膠和聚合物，這種溶脹是可以通過溫度變化來控制的，這些材料在臨界溫度下會經歷從親水性溶脹到疏水性收縮的相變。(Taccola S et al.Towarda new generation of electrically controllable hygromorphic soft actuators[J].Advanced Materials:2015,27:1668-1675.)