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)，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)，參數(shù)如表2所示；相變材料為無水乙醇(天津某公司，中國)。

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，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二者的影響；使用激光共聚焦顯微鏡觀測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，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。