電紡制備Fe3O4/PVA磁性人工肌肉及性能研究

韓維華　袁金秀　郭印達(dá)　信詩(shī)琦　王曉雄　龍?jiān)茲?/p>

摘要： ?為解決微機(jī)電系統(tǒng)中執(zhí)行器的非接觸式遠(yuǎn)程控制問(wèn)題，本文主要對(duì)電紡制備Fe₃O₄/PVA磁性人工肌肉及其性能進(jìn)行研究。采用靜電紡絲技術(shù)，制備出具有磁性的Fe₃O₄/PVA復(fù)合納米纖維，并通過(guò)卷曲和絞制操作，進(jìn)一步制得納米繩索。同時(shí)，利用綜合物理性質(zhì)測(cè)量系統(tǒng)（PPMSVSM），對(duì)制備的Fe₃O₄/PVA復(fù)合納米纖維進(jìn)行磁性表征，并采用Matlab軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，利用有限元方法模擬了永磁體周圍的磁場(chǎng)分布。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所制備的Fe₃O₄/PVA復(fù)合納米纖維具有超順磁性，表現(xiàn)出對(duì)磁場(chǎng)的響應(yīng)特性，說(shuō)明，F(xiàn)e₃O₄/PVA納米繩索可應(yīng)用于人工肌肉執(zhí)行器，且該人工肌肉的反應(yīng)隨著磁場(chǎng)的增加而迅速增加，但該人工肌肉受力不均勻。通過(guò)分析磁體周圍的磁場(chǎng)梯度變化，解釋了力隨著磁場(chǎng)的增加而增加的現(xiàn)象。該研究為微納米人工肌肉的進(jìn)一步研究提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞： ?靜電紡絲; 磁性; 人工肌肉

中圖分類號(hào)： TQ340 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

基金項(xiàng)目： ?青島市博士后科研基金資助項(xiàng)目（2016014）

隨著科技的不斷發(fā)展，電子元器件越來(lái)越豐富，性能也越來(lái)越好。這促進(jìn)了人工智能和其他類人領(lǐng)域的快速發(fā)展。然而，與之形成鮮明對(duì)比的是，對(duì)于簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)控制和理想的執(zhí)行器，人們?nèi)匀粵](méi)有更好的選擇。宏觀執(zhí)行器，如內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)，體積龐大很難為機(jī)器人提供復(fù)雜的精細(xì)運(yùn)動(dòng)控制。莫拉維克悖論[1-2]中也提到了這種情況。目前，用于人工肌肉的執(zhí)行器材料主要基于熱響應(yīng)[3-5]、濕度響應(yīng)[68]、電場(chǎng)響應(yīng)[9-11]、電化學(xué)響應(yīng)[12-15]、光響應(yīng)[16-18]、氣壓響應(yīng)[19]和磁響應(yīng)[20-22]等，然而這些響應(yīng)大部分無(wú)法完成遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)。借鑒內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)的成功經(jīng)驗(yàn)，良好的人工肌肉應(yīng)是依附于某一系統(tǒng)而能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制，如氣體系統(tǒng)和磁場(chǎng)系統(tǒng)。而依附磁場(chǎng)系統(tǒng)工作的人工肌肉執(zhí)行器，具有非接觸式遠(yuǎn)程控制的優(yōu)點(diǎn)，并且不依賴精密的氣密性維護(hù)系統(tǒng)，所以更適合在微型復(fù)雜環(huán)境中使用。聚乙烯醇（polyvinyl alcohol， PVA）作為人工肌肉具有良好的生物相容性[23-25]、彈性[26-27]和一定的鐵彈性[28]。PVA人工肌肉通常是水凝膠材料，體積龐大且難以整合[29-30]?？紤]到人工肌肉更適合于微系統(tǒng)，所以納米磁性人工肌肉的制備可以為微納米執(zhí)行器的研究提供一個(gè)新思路。本研究利用靜電紡絲技術(shù)，制備了Fe₃O₄/PVA復(fù)合納米纖維，并驗(yàn)證了其作為人工肌肉的性能。考慮到常規(guī)釹鐵硼磁體周圍磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度的不均勻性，采用有限元方法對(duì)磁場(chǎng)和磁場(chǎng)梯度進(jìn)行了模擬。該研究為微納米人工肌肉的深入研究奠定了理論基礎(chǔ)。

1樣品制備及表征

所需材料包括PVA（Mw=66 000）、Fe₃O₄納米顆粒（20～30 nm）和去離子水。在60 ℃控制溫度下，將PVA溶于去離子水中，配置成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的溶液，然后加入Fe₃O₄納米顆粒并攪拌，最后獲得均勻分散的紡絲前驅(qū)液。將所得分散體置于5 mL針管中，在針頭和收集極之間施加15 kV的直流電壓，保持12 cm的紡絲距離，并以1 mL/h的速率供應(yīng)紡絲液，以獲得摻雜Fe₃O₄的磁性納米纖維膜。同時(shí)，利用日立TM100掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope， SEM），對(duì)樣品的結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行表征，并利用綜合物理性質(zhì)測(cè)量系統(tǒng)（PPMSVSM），對(duì)制備的人工肌肉磁性行為進(jìn)行表征。仿真計(jì)算采用Matlab軟件。

2結(jié)果與討論

2.1人工肌肉的性能

利用靜電紡絲技術(shù)，分別制備純PVA纖維膜和摻雜Fe₃O₄納米顆粒的納米纖維膜，電紡納米纖維SEM圖像如圖1所示。

圖1a為未摻入磁性粒子的純PVA納米纖維，纖維直徑大多集中在300 nm左右，纖維直徑和厚度分布比較均勻，沒(méi)有明顯的珠串結(jié)構(gòu)。加入10%的磁性粒子后，紡絲效果發(fā)生變化，制備的Fe₃O₄/PVA復(fù)合納米纖維（如圖1b所示）出現(xiàn)串珠結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)閾诫s磁性粒子后發(fā)生表面張力的變化，而且發(fā)現(xiàn)納米纖維比摻雜前更直更細(xì)，這是由于磁粉摻雜引起的電場(chǎng)分布變化及紡絲液的電導(dǎo)率變化引起。

電紡磁性人工肌肉的磁性及磁響應(yīng)如圖2所示。由圖2可以看出，復(fù)合材料表現(xiàn)出超順磁性，沒(méi)有明顯的剩磁和矯頑場(chǎng)產(chǎn)生，飽和磁化強(qiáng)度約為1 A·m²/kg。在制備過(guò)程中，摻雜10%的磁性粒子，但由于一定的凝聚作用，實(shí)際摻雜量應(yīng)小于10%，所以如能摻雜更多的磁粉，該材料可獲得更好的驅(qū)動(dòng)性能。

為了測(cè)試人工肌肉在磁場(chǎng)中的響應(yīng)，將20 cm×20 cm面積的纖維膜卷曲成繩狀，為了更直觀顯示理想納米繩的表觀形貌，采用滾筒收集有序度較高的PVA纖維絞制成繩，繩索的SEM圖像（如圖2b）。實(shí)驗(yàn)用納米繩的直徑經(jīng)多次統(tǒng)計(jì)測(cè)量，平均值為200 μm。其中，磁場(chǎng)由商用釹鐵硼磁體提供，磁場(chǎng)強(qiáng)度用霍爾磁強(qiáng)計(jì)粗略校準(zhǔn)。通過(guò)控制繩索到磁鐵的距離，樣品附近的磁場(chǎng)發(fā)生變化，產(chǎn)生不同的變形響應(yīng)。復(fù)合納米纖維繩索的磁場(chǎng)響應(yīng)照片（如圖2c）。繩索的偏移距離隨磁場(chǎng)變化（如圖2d），隨著距離的接近，纖維逐漸向左側(cè)移位，移位幅度隨著磁場(chǎng)的增大而增大，越靠近磁體，增幅越大，這與以往宏觀磁性人工肌肉行為一致[28]。但由于測(cè)試過(guò)程中纖維繩索本身發(fā)生塑性變形，且局部磁場(chǎng)分布不均勻，數(shù)據(jù)離散增大，因此，人工肌肉通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)定量研究是一個(gè)難點(diǎn)。為解決此問(wèn)題，將人工肌肉的應(yīng)用拓展到微觀領(lǐng)域進(jìn)行理論探索。商用COMSOL軟件對(duì)磁矢量的處理精度較低，因此利用Matlab對(duì)仿真進(jìn)行優(yōu)化。

2.2人工肌肉的有限元分析

將磁鐵劃分為無(wú)數(shù)相同的小磁鐵單元結(jié)構(gòu)，磁鐵分割示意圖如圖3所示，則整個(gè)磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)就是無(wú)數(shù)小磁鐵單元產(chǎn)生磁場(chǎng)的矢量和。當(dāng)每個(gè)磁鐵單元的尺寸足夠小時(shí)，可以用一對(duì)磁偶極子代替，磁偶極子和磁鐵示意圖如圖4所示。磁體相當(dāng)于多個(gè)磁偶極子的有序排列，磁塊的磁偶極子等效圖如圖5所示?？紤]到小單元界面上的正負(fù)磁荷相互抵消，它們對(duì)磁場(chǎng)的貢獻(xiàn)相互抵消。因此，可以沿磁偶極矩的方向，使單元等效為一個(gè)小磁條?？偞艌?chǎng)可以通過(guò)全部偶極子來(lái)計(jì)算，簡(jiǎn)化后的磁鐵分割示意圖如圖6所示。

使用笛卡爾坐標(biāo)系，利用方程（5）構(gòu)造磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量分布。磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)梯度分布模擬分析如圖7所示。首先模擬分析x-z平面磁場(chǎng)強(qiáng)度分布（如圖7a所示），實(shí)際上是系統(tǒng)的對(duì)稱鏡像之一。與感知一致，離磁鐵越近，磁場(chǎng)越強(qiáng)。x-z平面磁場(chǎng)梯度分布，磁場(chǎng)衰減隨著距離的增加而減小，其分布與磁場(chǎng)的大小并不完全相關(guān)。在靠近磁體的位置，磁場(chǎng)梯度很大，磁性粒子受到很大的磁場(chǎng)梯度力。在磁體邊緣方向，磁場(chǎng)梯度很小，說(shuō)明若人工肌肉相對(duì)于磁體的體積不可忽略，則人工肌肉上的磁力分布不均勻。隨著人工肌肉接近磁鐵，磁力逐漸增加，吸引力的大小對(duì)縱向位置敏感。模擬分析y-z平面磁場(chǎng)強(qiáng)度分布可知，分布具有明顯的四重對(duì)稱性，磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著位置從對(duì)稱中心向外而逐漸減小。

y-z平面磁場(chǎng)梯度分布如圖7d所示。由圖7d可以看出，相對(duì)于x-z平面上的磁場(chǎng)梯度，這個(gè)面內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度很小。此外，在磁體的方向上，y-z表面磁場(chǎng)梯度很小。

為了直觀地顯示作為距離函數(shù)磁場(chǎng)力的大小，計(jì)算y=0 mm，z=30 mm線上磁場(chǎng)梯度的大小。從對(duì)稱性來(lái)看，xz平面上的梯度是實(shí)際的梯度，選取線上磁場(chǎng)梯度，線上磁場(chǎng)梯度變化曲線如圖8所示。由圖8可以看出，磁力的大小隨著磁矩接近磁鐵而逐漸增大，并且在一段平緩期后呈急劇增大趨勢(shì)，這正好與圖2d中的行為相對(duì)應(yīng)。

3結(jié)束語(yǔ)

本文利用靜電紡絲技術(shù)成功制備出具有磁性的Fe₃O₄/PVA復(fù)合納米纖維人工肌肉。該人工肌肉對(duì)磁場(chǎng)有良好的響應(yīng)。磁性測(cè)量分析表明，F(xiàn)e₃O₄的實(shí)際摻雜量低于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)值，這是由于Fe₃O₄納米顆粒的團(tuán)聚所致，在后續(xù)納米磁性人工肌肉的制備中應(yīng)引起重視。通過(guò)有限元分析，模擬了釹鐵硼磁體的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)梯度分布，驗(yàn)證了人工肌肉位移隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化。該人工肌肉可以用作微機(jī)電系統(tǒng)中的執(zhí)行器而實(shí)現(xiàn)非接觸式遠(yuǎn)程操控。但如果想要通過(guò)磁場(chǎng)控制實(shí)現(xiàn)人工肌肉的精確運(yùn)動(dòng)，還需要進(jìn)一步對(duì)復(fù)雜的磁場(chǎng)梯度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

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作者簡(jiǎn)介： ?韓維華（1988），男，碩士研究生，助教，主要研究方向?yàn)榫酆衔锛{米材料的制備和物理性質(zhì)。

通信作者： ?王曉雄（1988），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)樽灾稳嵝詨弘姴牧稀?Email： wangxiaoxiong69@163.com

Preparation and Properties of Electrospun Fe₃O₄/PVA Magnetic Artificial Muscle

HAN Weihua¹， YUAN Jinxiu1， GUO Yinda²， XIN Shiqi²， WANG Xiaoxiong²， LONG Yunze²

（1. Shandong Peninsula Blue Economy and Engineering Research Institute， Weifang University of Science and Technology， Weifang 262700， China;

2. College of Physics， Qingdao University， Qingdao 266071， China）

Abstract： ?In order to solve the problem of noncontact and longrange control of actuators in MEMS， Fe₃O₄/PVA composite nanofibers with magnetic properties were prepared by electrospinning technology. And nanoropes were further prepared by crimping and twisting operations. The magnetic properties of Fe₃O₄/PVA composite nanofibers were characterized by PPMSVSM. Matlab software was used for simulation calculation. The magnetic field distribution around the permanent magnet was simulated by the finite element method. The experimental results show that the Fe₃O₄/PVA composite nanofibers have superparamagnetism and show the response to magnetic field. Therefore， Fe₃O₄/PVA nanoropes can be used in artificial muscle actuator， and the reaction of the artificial muscle increases rapidly with the increase of magnetic field. At the same time， it is found that the force on the artificial muscle is not uniform. By analyzing the magnetic field gradient around the magnet， the phenomenon that the force increases with the increase of the magnetic field is explained.

Key words： electrospinning; PVA; magnetic; artificial muscle