石墨烯復(fù)合軟材料人工肌肉傳熱性能的研究

石強(qiáng)盛杰，黎相孟,2，藥芳萍

(1. 中北大學(xué) a. 機(jī)械工程學(xué)院； b. 先進(jìn)制造技術(shù)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2. 西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

0 引言

在軟體機(jī)械手[1-2]的發(fā)展過程中，驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)是最重要的組成部分之一。人工肌肉[3-4]的問世促進(jìn)了軟體機(jī)器人[5]的發(fā)展。人工肌肉一般指在外界因素刺激下發(fā)生彎曲變形膨脹等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以此對(duì)外做功的柔性部件，其刺激方式包括光[6-7]、電[8]、熱[9]及壓差[10]等。美國(guó)哥倫比亞大學(xué)機(jī)械工程系 MIRIYEV A等[11]研制了一種柔韌性較好的復(fù)合材料用于制作人工肌肉，其具有高應(yīng)變和高應(yīng)力，內(nèi)部摻雜的無水乙醇在電熱絲的加熱下實(shí)現(xiàn)液-汽相變的極端體積變化，驅(qū)動(dòng)人工肌肉膨脹并對(duì)外界做功，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)功能。除此之外，較低的成本及較好的環(huán)境友好性使得這種復(fù)合材料具有良好的發(fā)展前景。

然而，電-熱驅(qū)動(dòng)人工肌肉的方式?jīng)Q定了復(fù)合材料傳熱性能是影響軟體機(jī)械手工作效率的重要因素之一[12]。更加優(yōu)異的熱傳導(dǎo)能力意味著更快的響應(yīng)速度及更高效的工作效率，能大大加強(qiáng)軟體機(jī)械手[13]的工作能力。傳統(tǒng)的硅橡膠柔性好、質(zhì)量輕、耐腐蝕、耐疲勞且絕緣性能良好，但材料熱導(dǎo)率較低，傳熱性能有待提高。而石墨烯是一種單層碳原子堆積形成的二維晶體結(jié)構(gòu)，常溫下熱導(dǎo)率高達(dá)5 300W/(m·K)[14]。將石墨烯加入到硅橡膠中制備導(dǎo)熱性更好的復(fù)合材料[15]。復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能能得到很大提升，使得人工肌肉在工作時(shí)能更快速膨脹，大大提升軟體機(jī)械手的工作效率[16]。

本文通過向復(fù)合軟材料[17]中摻雜石墨烯來制備人工肌肉樣品，通過改變石墨烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，探究石墨烯的含量對(duì)于復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響。使用加熱平臺(tái)及熱成像儀獲得樣品溫度變化過程，使用導(dǎo)熱儀測(cè)定樣品的導(dǎo)熱系數(shù)及熱擴(kuò)散系數(shù)，分析不同配比的石墨烯對(duì)復(fù)合材料熱傳導(dǎo)能力的影響，為后期將復(fù)合材料制備的人工肌肉應(yīng)用于軟體機(jī)械手提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

基質(zhì)材料選用延展性較好鉑催化的雙組分硅橡膠Ecoflex00-50(Smooth-On, 賓夕法尼亞州, 美國(guó))，參數(shù)如表1所示；石墨烯選用單層石墨烯(深圳某公司，中國(guó))，參數(shù)如表2所示；相變材料為無水乙醇(天津某公司，中國(guó))。

表1 Ecoflex00-50參數(shù)

表2 石墨烯參數(shù)

1.2 樣品制備

首先，將Ecoflex00-50的A部分與B部分按1∶1的比例分別稱取10g，共計(jì)20g；然后按照20 wt.%量取無水乙醇4g，石墨烯的含量為0.5 wt.%、1 wt.%、1.5 wt.%、2 wt.%、2.5 wt.%、3 wt.%，將不同含量的石墨烯加入稱量好的無水乙醇中，分別超聲震蕩30min；最后將各組分充分混合攪拌10min；最后將攪拌好的膠體倒入模具中，室溫下固化3h，得到6組含石墨烯人工肌肉的樣品以及一組不含石墨烯的空白對(duì)照(圖1)。制備流程圖如圖2所示。

圖1 復(fù)合材料人工肌肉樣品

圖2 樣品制備流程圖

1.3 表征及測(cè)量

在室溫封閉環(huán)境下使用恒溫加熱平臺(tái)在100℃下加熱各組分樣品，并使用熱成像儀(圖3)拍攝各組樣品加熱過程的溫度變化情況。之后采用DZDR-S型導(dǎo)熱儀測(cè)量各組人工肌肉樣品的導(dǎo)熱系數(shù)與熱擴(kuò)散系數(shù)，探究各組樣品的導(dǎo)熱性能變化與石墨烯含量的關(guān)系(圖4)。

圖3 熱成像儀

圖4 DZDR-S型導(dǎo)熱儀及樣品夾持平臺(tái)

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度變化分析

為了探究復(fù)合材料在摻雜石墨烯后的傳熱能力，本文采用熱成像實(shí)驗(yàn)來探究石墨烯含量占比不同對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響(圖5)。在室溫封閉的環(huán)境下，使用恒溫加熱平臺(tái)加熱至100℃，保持溫度不變，分兩組放置圓柱狀復(fù)合材料人工肌肉樣品于加熱平臺(tái)上，復(fù)合材料樣品石墨烯含量從1到7依次為0 wt.%、0.5 wt.%、1.0 wt.%、1.5 wt.%、2.0 wt.%、2.5 wt.%、3.0 wt.%(圖6)。使用熱成像儀拍攝各個(gè)樣品的溫度變化情況，從0s開始每隔20s記錄一次溫度。單個(gè)樣品一共截取17組數(shù)據(jù)，并繪制如圖7所示點(diǎn)線圖。

圖5 恒溫加熱平臺(tái)加熱復(fù)合材料樣品

圖6 樣品溫度變化

圖7 復(fù)合材料樣品溫度隨時(shí)間變化點(diǎn)線圖

由圖7可以看出，在封閉的室溫環(huán)境下復(fù)合材料樣品在恒溫加熱平臺(tái)加熱的過程中升溫趨勢(shì)整體相同，各個(gè)組分樣品隨時(shí)間增加溫度上升。升溫過程中。石墨烯含量為0.5 wt.%的復(fù)合材料人工肌肉樣品溫度變化情況與不含石墨烯的空白對(duì)照樣品基本相同，石墨烯含量為1 wt.%、1.5 wt.%、2 wt.%、2.5 wt.%、3 wt.%的5組樣品雖然在放置過程中初始溫度有細(xì)微差別，但是在升溫過程中不論是升溫速度還是實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)達(dá)到的最高溫度均高于不含石墨烯的空白對(duì)照樣品與石墨烯含量為0.5 wt.%的人工肌肉樣品，且隨人工肌肉樣品石墨烯含量增加，樣品的升溫速度以及同一時(shí)間下所達(dá)到的溫度逐漸增大，復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能逐漸增強(qiáng)。但是根據(jù)現(xiàn)有的研究表明，石墨烯的占比與材料傳熱性能的關(guān)系并不是始終呈現(xiàn)正相關(guān)，而是先升后降的關(guān)系。

2.2 復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)與熱擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量與分析

隨后采用瞬態(tài)平面熱源法使用DZDR-S型導(dǎo)熱儀測(cè)量組分配比不同的人工肌肉樣品的導(dǎo)熱系數(shù)及熱擴(kuò)散系數(shù)，進(jìn)一步探究石墨烯含量不同的復(fù)合材料人工肌肉樣品導(dǎo)熱能力與石墨烯含量的基本關(guān)系。各組分樣品的導(dǎo)熱系數(shù)曲線如圖8所示，熱擴(kuò)散系數(shù)如圖9所示。

圖8 導(dǎo)熱系數(shù)點(diǎn)線圖

圖9 熱擴(kuò)散點(diǎn)線圖

由圖8、圖9點(diǎn)線圖可以看出，摻雜石墨烯的復(fù)合材料人工肌肉樣品的導(dǎo)熱系數(shù)與熱擴(kuò)散系數(shù)總體呈上升趨勢(shì)，材料的導(dǎo)熱系數(shù)與熱擴(kuò)散系數(shù)隨石墨烯含量增加而上升且均高于不含石墨烯的空白對(duì)照樣品?；旌鲜悠返膶?dǎo)熱系數(shù)按照所含石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)從小到大分別比不含石墨烯的空白對(duì)照樣品提高了19.37%、23.51%、32.77%、43.26%、59.26%和71.21%；熱擴(kuò)散系數(shù)則提高了21.05%、26.32%、47.37%、73.68%、121.05%和126.32%。由此可見，摻雜石墨烯的復(fù)合材料導(dǎo)熱性能優(yōu)于不含石墨烯的復(fù)合材料，且復(fù)合材料的傳熱能力隨石墨烯含量占比的增加而增加。

導(dǎo)熱系數(shù)是指：在穩(wěn)定傳熱條件下，1m厚的材料，兩側(cè)表面的溫差為1K，在一定時(shí)間內(nèi)，通過1m2面積傳遞的熱量，單位為W/(m·K)。根據(jù)傅里葉定律，熱導(dǎo)率的定義式為

對(duì)于各向同性的材料來說，各個(gè)方向上的熱導(dǎo)率是相同的。

熱擴(kuò)散系數(shù)是物體中某一點(diǎn)溫度的擾動(dòng)傳遞到另一點(diǎn)的速率量度。以物體受熱升溫的情況為例分析，在物體受熱升溫的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程中，進(jìn)入物體的熱量沿途不斷地被吸收而使局部溫度升高，此過程持續(xù)到物體內(nèi)部各點(diǎn)溫度全部相同為止。熱擴(kuò)散系數(shù)可由下式求得：

式中：α為熱擴(kuò)散率或熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；ρ為密度，kg/m3；c為比熱容，J/(kg·K)。

由此可見，更高的導(dǎo)熱系數(shù)意味著同一方向更大的熱通量，復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)能力更加優(yōu)異。更高的熱擴(kuò)散系數(shù)說明復(fù)合材料內(nèi)部能更快達(dá)到相同且更高的溫度，進(jìn)一步說明材料的導(dǎo)熱能力隨二者的增大而增強(qiáng)。

2.3 觀測(cè)微觀形貌

使用激光共聚焦顯微鏡(OLYMPUSOLS5000，奧林巴斯有限公司)觀測(cè)石墨烯含量0.5 wt.%～ 3 wt.%的復(fù)合材料人工肌肉樣品表面微觀形貌，如圖10所示。

圖10 聚焦顯微鏡下觀測(cè)圖

從圖10可以看出，隨著石墨烯的含量增加，圖中黑色物質(zhì)則更加密集，更有利于傳導(dǎo)熱量。但微觀下石墨烯由于分散不夠均勻存在一定團(tuán)聚現(xiàn)象(圖中黑色斑點(diǎn))，一定程度影響復(fù)合材料導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的搭建以及材料的熱傳導(dǎo)性能。

3 結(jié)語

通過制備石墨烯含量不同的人工肌肉樣品，使用恒溫加熱平臺(tái)在100℃下加熱各組樣品，并使用熱成像儀拍攝加熱過程中各組樣品溫度變化情況；使用DZDR-S型導(dǎo)熱儀測(cè)量各組樣品的導(dǎo)熱系數(shù)與熱擴(kuò)散系數(shù)，進(jìn)一步探究石墨烯含量的增加對(duì)二者的影響；使用激光共聚焦顯微鏡觀測(cè)各組樣品的表面微觀形貌。得到以下結(jié)論：

1)石墨烯的加入可以改善復(fù)合材料人工肌肉的傳熱性能，且復(fù)合材料的傳熱能力在一定范圍內(nèi)與石墨烯的占比呈正相關(guān)，即在實(shí)驗(yàn)中石墨烯含量為3 wt.%時(shí)復(fù)合材料傳熱性能較好, 石墨烯含量超過3 wt.%的復(fù)合材料在一定范圍內(nèi)依然會(huì)呈現(xiàn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，導(dǎo)熱性能越強(qiáng)的趨勢(shì)，但隨著含量增加，石墨烯團(tuán)聚現(xiàn)象的發(fā)生會(huì)更加顯著，這種傳熱導(dǎo)熱會(huì)趨于平緩甚至趨于下降。除此之外，石墨烯含量的增加也會(huì)導(dǎo)致制造成本的顯著上升。對(duì)于人工肌肉而言，更好的傳熱能力意味著材料能更快速地膨脹，從而驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)械手的手指運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)更高工作效率；

2)石墨烯在鉑催化硅橡膠中的分散效果影響著復(fù)合材料的傳熱性能，更有效的物理、化學(xué)方法可以減少石墨烯的團(tuán)聚現(xiàn)象，增加石墨烯在硅橡膠中的分散水平，可以大大提高復(fù)合材料的傳熱能力。