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《CHEM ENG J》北京理工大学邵自强课题组: 湿度梯度驱动的高效驱动器
时间:2023-01-04       来源:网络       阅读:2986

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通过合理的结构设计和简单低成本的制备方法,探索和制造能够在湿度响应和机械完整性(特别是湿拉伸强度)之间实现完美平衡的智能驱动材料,对于仿生设备、软体机器人、人造肌肉和发电机来说至关重要,但这仍然存在挑战性。针对上述问题,北京理工大学材料学院邵自强课题组受天然贝壳层结构的启发,通过一种简便的蒸发诱导自组装方法,展示了一种由羧甲基纤维素(CMC)MXene纳米片和多价铝离子(Al3+)制备成的坚韧及高灵敏度的复合膜基湿度致动器。该复合薄膜作动器可以很好地模拟飞行的蜻蜓、人的手指以及人造肌肉等,并已初步应用于湿气发电机,使其成为一种很有前途的功能材料,在仿生机器人、智能电子等前沿领域具有广阔的应用前景。

本文要点:

1.     本研究以贝壳结构为灵感,提出了一种简单而经济的蒸发自组装方法,首次制备了同时具有大变形、高湿度敏感性、可靠的循环性、优异的力学性能(干、湿)和结构稳定性的高性能羧甲基纤维素(CMC)基致动器。

2.     该体系将MXene纳米片和Al3+引入CMC基体中,通过氢键和离子键的协同增强作用以及致密的分层结构使复合膜具有超高的机械强度(273.6 MPa)、理想的韧性(7.95 MJ/m3),甚至在97%湿度下具有惊人的湿拉伸强度(154.2 MPa)

3.     CMCMXene独特的层状结构和水致膨胀效应协同使复合薄膜在湿度梯度下具有较大的形状变形、灵敏的驱动(小于2.3 s)和出色的循环稳定性(超过1500次循环)

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Figure. 1. Fabrication of the CMC/MXene/Al3+ composite films. (a) Schematic illustration of the strategy for constructing CMC/MXene/Al3+ composite films. (b) TEM and (c) AFM images of MXene nanosheets. (d) Zeta potential of CMC, MXene, and CMC/MXene aqueous dispersion. (e) Optical image of CMC/MXene/Al3+ composite film.

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Figure. 2. The deformation motion and mechanism for CMC/MXene/Al3+ composite film. (a) Optical images of motion process for CMC/MXene/Al3+ composite film when placed on palm. (b) The reversible deformation of CMC/MXene/Al3+ composite film upon exposure to humidity gradients. (c) Schematic illustration the deformation mechanism of CMC/MXene/Al3+ composite film in response to humidity gradients.

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Figure. 3. Application of CMC/MXene/Al3+ composite film as a moist-electric generator. (a) Configuration diagram of moist-electric generator. (b) Output voltage process of the generator in response to the humidity from humidifier, oral breathing, and finger contacting. Output voltage curves under periodic moist stimuli from (c) oral breathing and (d) finger contacting. (e) Output voltage in different RH conditions. (f) Working mechanism of moist-electric generator based on the CMC/MXene/Al3+ composite film.

 

相关论文以题为Nacre-inspired composite film with mechanical robustness for highly efficient actuator powered by humidity gradients发表在《Chemical Engineering Journal》上。北京理工大学材料学院博士研究生魏洁为论文的第一作者,通讯作者为邵自强教授。

论文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722040463