卷曲和非卷曲加捻納米纖維紗線及聚合物纖維扭轉(zhuǎn)和拉伸驅(qū)動器制造技術(shù)

包括捻紡納米纖維紗線或插捻聚合物纖維的驅(qū)動器(人造肌肉)在經(jīng)電、光、化學(xué)、熱、通過吸收或通過其它方式供能時產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)和/或拉伸驅(qū)動。這些人造肌肉利用非卷曲或卷曲紗線并且可為純的或包括客體。還描述了包括這些人造肌肉的設(shè)備。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】卷曲和非卷曲加捻納米纖維紗線及聚合物纖維扭轉(zhuǎn)和拉伸驅(qū)動器相關(guān)申請案的交叉引用本申請要求2012年8月1日提交的，標題為“CoiledAndNon-CoiledNanofibersYarnTorsionalAndTensileActuators”的美國專利申請序列號61/678,340和2013年3月14日提交的，標題為“CoiledAndNon-CoiledTwistedNanofiberYarnAndPolymerFiberTorsionalAndTensileActuators”的美國專利申請序列號61/784,126的優(yōu)先權(quán)，所述專利申請為本專利技術(shù)的所有人共同擁有。這些專利申請?zhí)卮艘砸玫姆绞秸w并入用于所有目的。政府利益本專利技術(shù)受政府支持在空軍科學(xué)研究處授予的批準號FA9550-09-1-0537和FA9550-12-1-0211、空軍授予的批準號AOARD-10-4067和海軍研究辦公室授予的MURI批準號N00014-08-1-0654下進行。政府具有本專利技術(shù)的某些權(quán)利。本專利技術(shù)還受來自韋爾奇基金會(RobertA.WelchFoundation)的批準號AT-0029的支持。
適當(dāng)拴系的捻紡納米纖維紗線和加捻纖維提供了高度可逆的電、光、熱或化學(xué)驅(qū)動的扭轉(zhuǎn)或拉伸驅(qū)動，無需液體或固體電解質(zhì)存在。歸因于紗線或纖維過捻或合股的紗線卷曲或纖維卷曲，顯著地增加了驅(qū)動器拉伸沖程，與充滿在驅(qū)動期間改變尺寸的客體的紗線一樣。專利技術(shù)背景已經(jīng)探索了將電、化學(xué)、熱或光子能轉(zhuǎn)化為機械能的驅(qū)動器材料和機制一個世紀。然而，人類在復(fù)制天然肌肉的奇妙特性中幾乎沒有成功，這意味著最先進的假肢、外骨骼和人形機器人均缺乏迫切需要的能力。對于如此多與碳納米管根本不同的驅(qū)動器而言，可能尚未描述其它材料。已探明的電供能和燃料供能的納米管驅(qū)動器提供百分之幾的驅(qū)動器沖程和高于天然肌肉上百倍的應(yīng)力產(chǎn)生。已經(jīng)證明大沖程氣動納米管驅(qū)動器在納米管薄板中使用電化學(xué)氣體生成。在其它研究中，納米管已經(jīng)用作電極或添加劑以大大地改變其它驅(qū)動材料-如電介質(zhì)、離子導(dǎo)電、光敏、形狀記憶和液晶聚合物的反應(yīng)。下面提供了這些不同類型的基于碳納米管的驅(qū)動器的實例。兩個納米管之間的靜電吸引和排斥用于基于懸臂的納米鑷子[P.Kim,C.M.Lieber,Science286,2148-2150(1999)]及機械開關(guān)和邏輯元件[T.Rueckes,K.Kim,E.Joselevich,G.Y.Tseng,C.-L.Cheung,C.M.Lieber,Science289,94-97(2000)；V.V.Deshpande,H.-Y.Chiu,H.W.Ch.Postma,C.Mikó,L.Forró,M.Bockrath,NanoLetters6,1092-1095(2006)]。從宏觀的角度看，電供能[R.H.Baughman等，Science284,1340-1344(1999)；U.Vohrer,I.Kolaric,M.H.Haque,S.Roth,U.Detlaff-Weglikowska,Carbon42,1159-1162(2004)；S.Gupta,M.Hughes,A.H.Windle,J.Robertson,J.Appl.Phys.95,2038-2042(2004)]和燃料供能[V.H.Ebron等，Science311,1580-1583(2006)]的碳納米管驅(qū)動器提供百分之幾的驅(qū)動器沖程和高于天然肌肉上百倍的應(yīng)力產(chǎn)生。已經(jīng)證明的大沖程氣動納米管驅(qū)動器在納米管薄板中使用電化學(xué)氣體生成[G.M.Spinks等，AdvancedMaterials14,1728-1732(2002)]。具有有機聚合物的碳納米管復(fù)合材料提供光敏[S.V.Ahir,E.M.Terentjev,NatureMaterials4,491-495(2005)]、形狀記憶[H.Koerner,G.Price,N.A.Pearce,M.Alexander,R.A.Vaia,NatureMaterials3,115-120(2004)]和機電[S.Courty,J.Mine,A.R.Tajbakhsh,E.M.Terentjev,EurophysicsLetts.64,654-660(2003)]驅(qū)動器。先前的工作還已證明聚合物填充的未加捻碳納米管紗線作為熱供能形狀記憶材料的用途，但是未實現(xiàn)可逆驅(qū)動[P.Miaudet等，Science318,1294-1296(2007)]。在其它工作中，已經(jīng)將分散的碳納米管或納米管薄板用于電加熱熱驅(qū)動材料以提供懸臂偏轉(zhuǎn)[A.T.Sellinger,D.H.Wang,L.-S.Tan,R.A.Vaia,Adv.Mater.22,3430(2010)；L.Chen,C.Liu,K.Liu,C.Meng,C.Hu,J.Wang,S.Fan,ACSNano5,1588(2011)；和Y.Hu,W.Chen,L.H.Lu,J.H.Liu,C.R.Chang,ACSNano4,3498–3502(2010)]。對于上述碳納米管人造肌肉以及任何類型的先前技術(shù)人造肌肉而言，存在較多限制。這些限制包括反應(yīng)慢、低沖程或力生成、循環(huán)壽命短、驅(qū)動器反應(yīng)滯后、使用電解質(zhì)或操作的溫度范圍狹窄-并且在大多數(shù)情況下，包括這些和其它限制的組合(如能量轉(zhuǎn)換效率低)。已經(jīng)研發(fā)了基于碳納米管人造氣凝膠薄板的人造肌肉，其可以在先前技術(shù)的肌肉不可以操作的極端溫度(接近0K至1900K以上)下操作。其在一個方向上提供了可超過4×104％/s和250％的沖數(shù)和沖程并且產(chǎn)生比相同重量和長度的天然肌肉高30倍以上的力[A.E.Aliev等，Science323,1575-1578(2009)和A.E.Aliev等，PCT國際申請WO2010/019942A2(2010)]。不幸的是，這些碳納米管肌肉通常使用成千上萬伏的外加電壓并且在厚度方向上不能成比例以提供可以支撐重載荷的肌肉。電化學(xué)供能的多壁碳納米管(MWNT)紗線肌肉[J.Foroughi等，Science334,494-497(2011)]可按長度產(chǎn)生比基于形狀記憶合金[A.C.Keefe,G.P.Carman,SmartMater.Struct.9,665-672(2000)]、鐵電陶瓷[J.Kim,B.Kang,SmartMater.Struct.10,750-757(2001)]或?qū)щ娋酆衔颷Y.Fang,T.J.Pence,X.Tan,IEEE/ASMETrans.Mechatronics16,656-664(2011)]的先前扭轉(zhuǎn)肌肉大上千倍的轉(zhuǎn)動。捻紡驅(qū)動紗線可在1.2s內(nèi)使槳葉加速到590轉(zhuǎn)/分鐘[J.Foroughi等，Science334,494-497(2011)]并按紗線重量提供與大型電動機的重量能力相似的扭矩和機械發(fā)電。然而，這些優(yōu)點付出了代價。因為驅(qū)動由電化學(xué)雙層電荷注入期間離子流入產(chǎn)生的紗線體積變化引起，系統(tǒng)整體重量性能因需要電解質(zhì)、反電極和設(shè)備包裝而降低，這樣向驅(qū)動器增加了比驅(qū)動紗線重得多的重本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種非電化學(xué)驅(qū)動器，包括：(a)第一驅(qū)動捻紡納米纖維紗段，其包括納米纖維和可操作以通過選自加熱、暴露于輻射、暴露于化學(xué)品或化學(xué)品混合物及其任何組合的變化過程，經(jīng)受體積的重大變化的驅(qū)動紗線客體；(b)與所述第一驅(qū)動捻紡納米纖維紗段直接或間接耦合的第一附件，其中(i)所述非電化學(xué)驅(qū)動器可操作以提供選自拉伸驅(qū)動、扭轉(zhuǎn)驅(qū)動、拉伸驅(qū)動和扭轉(zhuǎn)驅(qū)動的同時可用組合及其任何組合的驅(qū)動；(ii)所述第一附件可操作以使得能夠利用所述驅(qū)動，其中所述驅(qū)動至少部分由所述第一驅(qū)動捻紡納米纖維紗段產(chǎn)生。

【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】2012.08.01 US 61/678,340;2013.03.14 US 61/784,1261.一種熱供能卷曲聚合物纖維拉伸驅(qū)動器，包括加捻聚合物纖維，所述加捻聚合物纖維具有卷曲形狀，其中
(a)在施加的載荷下，所述熱供能卷曲聚合物纖維拉伸驅(qū)動器歸因于溫度變化可逆地膨脹或收縮所述卷曲形狀；
(b)對于呈自由態(tài)卷曲的聚合物纖維而言，所述熱供能卷曲聚合物纖維拉伸驅(qū)動器具有至少為5的沖程放大因子，其中所述沖程放大因子是對于環(huán)境和載荷條件的相同變化而言，聚合物纖維插捻之后以百分比表示的驅(qū)動器沖程與聚合物纖維插捻之前的驅(qū)動器沖程之比；且
(c)其中所述加捻聚合物纖維是熱供能、非電化學(xué)卷曲聚合物纖維拉伸驅(qū)動器。


2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱供能卷曲聚合物纖維拉伸驅(qū)動器，其中所述熱供能卷曲聚合物纖維拉伸驅(qū)動器包括第一末端和第二末端，并且其中所述第一末端和第二末端扭轉(zhuǎn)拴系以阻止在所述熱供能卷曲聚合物纖維拉伸驅(qū)動器驅(qū)動期間，所述第一末端和第二末端之間的相對轉(zhuǎn)動。


3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱供能卷曲聚合物纖維拉伸驅(qū)動器，進一步包括減少達到反向驅(qū)動的冷卻時間的裝置，其中所述裝置選自(i)在含氦氣氛中操作所述熱供能卷曲聚合物纖維拉伸驅(qū)動器，(ii)在含氫氣氛中操作所述熱供能卷曲聚合物纖維拉伸驅(qū)動器，(iii)于水浴中操作所述熱供能卷曲聚合物纖維拉伸驅(qū)動器，和(iv)在流動液體中操作所述熱供能卷曲聚合物纖維拉伸驅(qū)動器。


4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱供能卷曲聚合物纖維拉伸驅(qū)動器，其中所述聚合物纖維進一步包括熱退火聚合物纖維以至少部分提供熱定型。


5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱供能卷曲聚合物纖維拉伸驅(qū)動器，其中所述聚合物纖維包含選自尼龍6、尼龍6,6、聚乙烯、聚偏氟乙烯及其組合的聚合物纖維。


6.一種驅(qū)動器系統(tǒng)，包括根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的熱供能卷曲聚合物纖維拉伸驅(qū)動器，其具有以下至少一種
(1)使得所述熱供能卷曲聚合物拉伸纖維驅(qū)動器的電加熱成為可能的電線接頭，
(2)使得所述熱供能卷曲聚合物拉伸纖維驅(qū)動器的光熱加熱成為可能的輻射源和輻射途徑，
(3)用于遞送其反應(yīng)引起所述熱供能卷曲聚合物拉伸纖維驅(qū)動器的加熱的化學(xué)品的遞送系統(tǒng)。


7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的驅(qū)動器系統(tǒng)，進一步包括使用選自以下的加熱元件通過電加熱進行熱驅(qū)動的加熱設(shè)備：
(1)所述熱供能卷曲聚合物纖維拉伸驅(qū)動器的所述加捻聚合物纖維上的導(dǎo)電涂層；
(2)所述熱供能卷曲聚合物纖維拉伸驅(qū)動器的聚合物卷上的導(dǎo)電涂層；
(3)纏繞所述熱供能卷曲聚合物纖維拉伸驅(qū)動器的所述加捻聚合物纖維的導(dǎo)電電線、紗線或薄板條；
(4)纏繞所述熱供能卷曲聚合物纖維拉伸驅(qū)動器的一個卷的導(dǎo)電電線、紗線或薄板條；
(5)纏繞所述熱供能卷曲聚合物纖維的所述加捻聚合物纖維的導(dǎo)電納米纖維；
(6)纏繞所述熱供能卷曲聚合物纖維拉伸驅(qū)動器的一個卷的導(dǎo)電納米纖維；
(7)所述熱供能卷曲聚合物纖維拉伸驅(qū)動器內(nèi)的導(dǎo)電組分；以及
(8)十分靠近所述熱供能卷曲聚合物纖維拉伸驅(qū)動器的電熱器。


8.一種物品，其包括根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的熱供能卷曲聚合物纖維拉伸驅(qū)動器，其中
(a)所述物品可操作以熱驅(qū)動；以及
(b)所述物品選自(i)紡織品或編織物，(ii)用于打開和關(guān)閉百葉窗或窗簾以調(diào)節(jié)光透射或氣流的機械裝置，(iii)用于醫(yī)療設(shè)備或玩具的機械傳動裝置，(iv)大型或微型泵、閥門傳動裝置或流體混合器，(v)用于打開和關(guān)閉電路或打開和關(guān)閉鎖的機械繼電器，(vi)用于高度靈敏的電化學(xué)分析物分析的旋轉(zhuǎn)電極的扭轉(zhuǎn)傳動裝置，(vii)用于光學(xué)設(shè)備的機械傳動裝置，(viii)用于光學(xué)設(shè)備，打開和關(guān)閉快門，使鏡頭或燈光擴散器平移或旋轉(zhuǎn)，提供改變?nèi)嵝早R頭焦距變化的變形，或使顯示器上的像素旋轉(zhuǎn)或平移以在顯示器上提供變化圖像的機械傳動裝置，(ix)提供觸覺信息的機械傳動裝置，(x)為外科醫(yī)生手套中的觸覺設(shè)備或盲文顯示器提供觸覺信息的機械傳動裝置，(xi)用于智能表面，使得表面結(jié)構(gòu)能夠變化的機械傳動系統(tǒng)，(xii)用于外骨骼、假肢或機器人的機械傳動系統(tǒng)，(xiii)用于為人形機器人提供逼真面部表情的機械傳動系統(tǒng)，(xiv)用于溫度敏感性材料，響應(yīng)于環(huán)境溫度打開和關(guān)閉通風(fēng)孔或改變孔隙率的智能包裝，(xv)響應(yīng)于環(huán)境溫度或由光熱加熱產(chǎn)生的溫度打開或關(guān)閉閥門的機械系統(tǒng)，(xvi)使用光熱加熱或電加熱，控制太陽能電池相對于太陽方向的取向的機械傳動裝置，(xvii)光熱驅(qū)動的微型裝置，(xviii)使用溫度的波動產(chǎn)生作為電能采集的機械能的熱或光熱驅(qū)動能量采集器，(xix)貼身衣服，其中使用熱驅(qū)動以便于進入所述衣服，(xx)用于提供可調(diào)節(jié)順應(yīng)性的設(shè)備，其中通過電熱驅(qū)動提供所述可調(diào)節(jié)順應(yīng)性，和(xxi)平移或旋轉(zhuǎn)定位器。


9.一種紡織品或編織物，包含一根以上根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱供能卷曲聚合物纖維拉伸驅(qū)動器，其中由于根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱供能卷曲聚合物纖維拉伸驅(qū)動器，所述紡織品或編織物可操作以在大部分中熱驅(qū)動。


10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的紡織品或編織物，
(a)其中所述紡織品或編織物可操作以歸因于溫度變化而熱驅(qū)動，完成選自以下的驅(qū)動：(1)完成機械作業(yè)，(2)產(chǎn)生力，(3)改變紡織品或編織物尺寸，(4)打開和關(guān)閉紡織品或編織物孔隙，和(5)其組合，并且
(b)所述溫度變化可對應(yīng)于環(huán)境溫度變化或由電或光熱加熱引起的溫度變化。


11.一種制造非電化學(xué)扭轉(zhuǎn)聚合物纖維驅(qū)動器的工藝，包括：
(a)選擇高強度、鏈高度定向的前體聚合物纖維，其中所述前體聚合物纖維為單絲或多絲；并且
(b)通過加捻方法插入捻度至所述前體聚合物纖維以形成加捻聚合物纖維，其中所述加捻方法選自下組：
(i)向所述前體聚合物纖維中插捻，其中捻度低于產(chǎn)生所述聚合物纖維的卷曲所需的高捻度，
(ii)向所述前體聚合物纖維中插捻直至發(fā)生卷曲，
(iii)向所述前體聚合物纖維中插捻直至大體上沿著整個纖維長度發(fā)生卷曲，
(iv)在第一方向上向所述前體聚合物纖維和第二前體聚合物纖維中插捻，然后通過對合股使用與插捻相反的方向，使所述前體聚合物纖維和所述第二前體聚合物纖維合股在一起制成雙股纖維；以及
(c)拴系所述加捻聚合物纖維以阻止解捻，其中所述加捻聚合物纖維因于溫度變化可逆地膨脹或收縮，以用作熱供能聚合物纖維扭轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)中的聚合物纖維驅(qū)動元件。


12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的工藝，其中所述聚合物纖維驅(qū)動元件包括第一末端和第二末端，并且其中所述聚合物纖維驅(qū)動元件的所述第一末端和所述第二末端扭轉(zhuǎn)拴系以阻止在所述聚合物纖維...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：李娜，C·S·海恩斯，M·D·利瑪，M·容德安德雷德，S·方，J·歐，M·E·科茲洛夫，F·高科泰普，O·高科泰普，D·徐，R·H·鮑曼，
申請(專利權(quán))人：德克薩斯州大學(xué)系統(tǒng)董事會，
類型：發(fā)明
國別省市：美國;US