兰州化物所与美国加州大学洛杉矶分校合作制备出强收缩高能量密度水凝胶材料

正环境响应型水凝胶,也称为"刺激响应"或者"智能"水凝胶,因为其高的含水量、弹性、渗透性、外界刺激响应性和大的变形等优点,被广泛应用于生物医学、软体机器人等领域。目前,大多数智能水凝胶的响应变形均凭借凝胶体内和体外渗透压的变化。然而,在这种渗透驱动机制下,凝胶材料的驱动力和响应速度间相互矛盾。要打破这个矛盾,需要从分子尺度设计并且提出一种异于传统"渗透型"水凝胶的非常规驱动机制。     

仿生磁响应4D智能水凝胶制备及其自驱动变形研究

洋绣球种子芒在湿度条件下,通过弯曲与解弯曲变形特性实现自驱动播种功能。以洋绣球种子芒为生物模本,基于其变形部位的微观结构特性及自驱动变形机理,构建了溶胀度具有各向异性的仿生双层结构模型,指导仿生磁响应4D智能水凝胶的设计。以N,N-二甲基丙烯酰胺为单体,合成硅酸镁锂为交联剂,纳米木浆纤维素为增强相,四氧化三铁为磁响应粒子,由物理交联方法制备聚N,N-二甲基丙烯酰胺智能水凝胶为基本材料,通过"一步法"模具成型技术成功制备了具有溶胀、磁响应变形特性的仿生磁响应4D智能水凝胶,实现了力学强度与多形式智能响应的有效兼顾,为磁响应智能水凝胶瓶颈问题的解决提供了一种有效的仿生学新思路与新方法。     

水凝胶可控跳跃研究取得进展

<正>响应型水凝胶在软湿驱动器、人工肌肉、医疗器械等领域具有广阔的应用前景。水凝胶驱动器一般由响应型水凝胶制备,具有不对称构筑结构,在电、热、光、pH等刺激作用下,会发生体积或形状变化。通过对器件结构进行精确设计,可实现简单的抓取、释放、行走等动作,但耗时长(一般需要数分钟至数小时)。与工业中常见的电机驱动、液压驱动、气压     

基于卡拉胶的电场敏感性水凝胶制备及其性能表征

针对目前电场敏感性凝胶响应电压集中于几伏到几千伏之间,缺少低电压响应凝胶的现状,研制了一种新型电场敏感性凝胶。该凝胶是由天然高分子I型卡拉胶(IC)以及新型纳米材料纤维素纳米晶(CNCs)混合而成。使用红外光谱、扫描电镜对其进行了结构表征;在电场敏感性实验中发现,IC/CNCs共混凝胶具有优良的电场响应特性——在4mV/cm中的电场中能够发生变形,相比于之前报道的电场敏感性凝胶,制备过程简单、响应电压低。为电场敏感性凝胶的研制提供了新的思路。     

水凝胶/热塑性聚氨酯复合材料在水润滑条件下的摩擦学性能

为提高水润滑轴承的承载能力，利用水凝胶在水润滑条件下的水合作用来改善热塑性聚氨酯（TPU）轴承材料的摩擦学性能。利用聚乙烯醇、海藻酸钠、壳聚糖等材料制备水凝胶颗粒，并通过熔融共混法制备水凝胶/TPU复合材料；在0.3和0.5 MPa的载荷下测试复合材料的摩擦磨损性能，利用激光干涉表面轮廓仪和扫描电子显微镜观察其磨损表面形貌，分析其磨损机制。结果表明：水凝胶微粒可以通过水合润滑改善摩擦副的润滑条件，从而降低摩擦因数和磨损量，提高复合材料的摩擦性能；水凝胶质量分数4%时复合材料具有最佳的摩擦磨损性能，其在0.3和0.5 MPa工况下相对于TPU试样的平均摩擦因数减少率分别为52.31%和43.94%。研究结果为开发高性能水润滑轴承材料提供了一种方法。     

新型微机械变形反射镜研究

提出一种新型的静电驱动微机械变形反射镜，研究了静电力驱动的静态模型和动态模型。结果表明，驱动器的变形位移随驱动电压的增加出现稳定的非线性增加和不稳定的“拉入”现象；当变形镜由余弦电压驱动时，平衡位移的响应为2倍频的余弦信号；变形镜驱动电压撤除后驱动器上电极薄板经过17μs回复到驱动前的未变形状态。所得结果对于设计微机械变形镜具有重要意义。     

SiO2气凝胶常压合成新工艺

以正硅酸乙酯为硅源,HF为催化剂,采用溶胶-凝胶法常压下制备出了SiO2气凝胶,并研究了水、催化剂、乙醇等制备因素对其溶胶-凝胶过程的影响.用透射电镜(TEM)、比表面(BET)、傅里叶变换红外光谱仪、激光粒度仪等方法对其微结构测试.结果表明所制备的SiO2气凝胶具有大的比表面和纳米多孔结构(骨架颗粒约为10 nm,空洞尺寸为10～30 nm),平均粒径＜20 μm,为介孔结构.     

形状记忆合金驱动主动变形波纹板结构的有限元分析

NiTi形状记忆合金作为一种功能材料,具有输出回复力大、性能稳定等优点,故可以将其用作主动变形结构中的驱动元件。将NiTi形状记忆合金带与波纹板结构以离散点的形式相联接,制作形状记忆合金驱动主动变形波纹板结构。对形状记忆合金通电驱动,利用其产生的拉伸或收缩力,达到控制结构主动变形的目的。同时,为预报该结构的变形响应,应用有限元软件ANSYS进行数值模拟。针对现有的通用有限元分析软件中没有模拟形状记忆合金形状记忆效应的单元和材料模型的问题,根据形状记忆合金材料本身的特殊性,提出“负热应变”的方法。在试验的基础上(即通过试验获得具有一定预应变的形状记忆合金在不同温度点上的回复应力、应变,进而利用本构关系求得不同温度下形状记忆合金的弹性模量)建模分析,最终获得不同温度下波纹板结构的变形响应曲线。预报结果与试验结果比较吻合,验证了该方法的正确性,为形状记忆合金驱动器的设计、模拟以及制作提供参考和依据。     

不同驱动模式下白光LED光色电性能分析

采用脉冲和直流两种驱动模式分别驱动同一批次的白光LED灯珠,对比分析了在“视觉亮度”一致时两种情况下的光色电性能,并研究了人眼视觉惰性对白光LED的性能的影响。研究发现：在低脉冲占空比下,脉冲驱动LED的电流和发光效率比直流驱动的低,并且随着占空比的增加,二者的差值逐渐减小并趋于相等;当脉冲占空比高于70%时,二者驱动电流的差值增加,而脉冲驱动的发光效率却高于直流驱动的发光效率。此外,相比直流驱动,高脉冲电流驱动下的LED的发光更接近等能白光,进而增强了人眼对LED发光亮度的刺激响应,有效的提高了人眼的“视觉亮度”。     

4D打印液晶弹性体工艺及其性能研究

液晶弹性体(Liquid crystal elastomers,LCEs)因其大且可逆的变形、响应速率快、优异的力学性能、各向异性以及驱动条件简单灵活等特点,在智能构件制造领域被认为具有广泛的应用潜力.为了提升液晶弹性体的成形能力,丰富液晶弹性体的变形模式及其设计方法,提出了利用墨水直写打印工艺编程液晶弹性体复杂变形模式的方法.制备了最大变形率达51％的主链型液晶弹性体,研制适合打印工艺编程的气压挤出高温墨水直写打印设备,探索了墨水直写打印工艺对液晶弹性体性能的影响规律.发现打印速率对液晶弹性体的变形率具有显著影响,随着打印速率的增大,变形率从12％逐渐增大到最大变形率51.8％后不再变化.此外,打印温度可使液晶弹性体的变形率在38.3％～51％之间变化,紫外光照时间可使凝胶分数最高到62.2％,而打印与紫外光照的间隔时间对材料的变形率没有影响.最后通过打印速率编程液晶弹性体弯曲行为,实现了液晶弹性体变形模式和行为的精确控制,证明了墨水直写打印工艺编程液晶弹性体复杂变形模式方法的可行性.     

科学家研制成功新型仿生水黾自驱动智能材料

正复旦大学材料科学系教授梅永丰课题组原创性地合成了一种具有动态疏水特征的新型水凝胶智能材料。该水凝胶在水面上可自驱动运动,无需额外能量供给;饱和吸水后该活性水凝胶即停止运动,干燥处理可恢复活力,再次实现自驱动快速水面运动。     

基于超声电机的变弯度翼的驱动与集成

提出了一种分布式超声电机驱动的小型变弯度翼。分别对机翼的变形驱动方案和流场分布规律进行了仿真分析,研究了变弯度翼的变形驱动机构、高弹性伸缩蒙皮、分布式超声电机的协调控制等关键技术,并实现了小型变弯度翼的系统集成。风洞实验数据表明,分布式超声电机驱动的变弯度翼能够实现机翼在低速飞行状态下外形的智能变形驱动与控制,从而可以有效改善机翼的升阻气动特性。笔者研究的成功展开为压电精密驱动技术应用于流动控制探索了一条可行的技术途径。     

关节软骨和人工关节材料接触角的测定

采用椭圆法和宽高法对天然软骨、人工软骨聚乙烯醇水凝胶和医用不锈钢317L的接触角进行测量,通过计算得到各材料的表面张力和黏附功.结果表明:初始状态下天然软骨接触角最大,不锈钢其次,聚乙烯醇水凝胶接触角最小;软骨表面不定型层被去除后,软骨的接触角大幅度降低;经过干燥后,软骨的接触角逐渐降低,去除不定型层的软骨和聚乙烯醇水凝胶的接触角明显升高.     

电活性聚合物PVC凝胶材料的3D直写打印工艺

鉴于电活性聚合材料PVC凝胶具有驱动电压低、且具有弯曲和拉压变形的双重能力,有望满足软体机器人个性化与结构复杂设计需求,将直写打印技术与材料的成型制备方法结合起来,研究了PVC凝胶的打印工艺。首先,配置了不同浓度的打印墨水,测试了不同浓度打印墨水的流变性能用以表征其可打印性,结果表明配置的PVC凝胶打印墨水整体表现为剪切变稀性质,具有较强的可打印性,其中质量比为聚氯乙烯(PVC)∶己二酸丁二酯(DBA)∶四氢呋喃(THF)=1∶4∶12.5的溶液用于打印具有固化速度快,易于挤出的特点。然后,通过单点成线试验,发现打印参数为:挤出流量为0.02m L/min,扫描速度为36 mm/s时,成线精度可以达到0.15 mm。在此基础上,进行三维叠加打印试验,实现了波纹状、网状、鱼鳞状PVC凝胶结构的3D打印。采用3层鱼鳞状PVC凝胶结构做成叠层,给该结构施加700 V方波电压时,其上下振动位移达到0.21mm;施加900V方波电压时,其驱动力为1.18N,为自身重量的21倍。试验结果表明:直写打印制备出来的PVC凝胶材料驱动性能良好,表明打印工艺的可行性。     

聚乙烯醇／纳米羟基磷灰石复合水凝胶溶胀机制和启动摩擦性能研究

选用高分子聚乙烯醇(PVA)和纳米羟基磷灰石(HA)为原料,采用反复冷冻-解冻法制备PVA/HA复合水凝胶.利用光学显微镜考察PVA/HA复合水凝胶的溶胀性能,用精密位移传感器对PVA/HA复合水凝胶的接触变形特性进行测量,在小牛血清稀释液润滑条件下进行PVA/HA复合水凝胶的往复式摩擦试验,考察冷冻-解冻次数和接触时间对PVA/HA复合水凝胶启动摩擦性能的影响.结果表明:PVA/HA复合水凝胶是一种交联网状微观结构,溶胀性能优异;随着冷冻-解冻次数的增加,PVA/HA复合水凝胶交联度增大,网状结构趋于完善,其接触变形越小,恢复变形所需的时间越短;PVA/HA复合水凝胶在滑动过程中的法向位移量和启动摩擦因数随反复冷冻-解冻次数的增加而减小,随接触时间的延长而增大.     

多材料打印仿生离子凝胶电池研究

基于电鳗发电机理,研究了利用四通道微流控喷头制备仿生离子凝胶电池的多材料打印方法.设计了具有阵列凹槽结构的柔性接收基底以保证凝胶电池颗粒的形态和相对位置,研究了凝胶电池单元的发电性能,发现电池单元大小对凝胶电池单元输出电压影响不大,而输出电压随着凝胶电池单元串联个数增加呈线性增长规律;基于此建立了凝胶电池单元尺寸为2.0 mm的大面积仿生离子凝胶电池的"S型"串联排布设计与多材料打印工艺方法,实现了 127个凝胶电池单元的一体化打印与精确组装;研究了仿生离子凝胶电池的电压输出特性,发现制备的仿生离子凝胶电池输出的开路电压可达(10.53±1.11)V,连续放电6小时后电压衰减至初始电压的35.6％;验证了多材料打印的仿生离子凝胶电池用于驱动电致变形柔性(Ionic polymer-mental composite,IPMC)结构的可行性.该研究探索有望为电致动软体机器人领域的柔性仿生能源供给提供一种新策略.     

300MN模锻水压机操纵系统改造方案研究

300MN模锻水压机原有操纵系统操作不便,控制精度低,响应速度慢,可靠性低。针对其机械本体特征及运行要求,改操作系统控制方式“水控水”为“油控水”方式,改操纵系统为数字电液伺服控制系统。新增加一油压系统,由操作手柄、按钮发出控制信号,通过PLC控制油压系统驱动执行油缸,实现分配器阀的正确动作;检测凸轮驱动机构的实际位置,反馈给控制系统,实现闭环控制,以实现对水压机的工作过程快速、精确、可靠控制。     

基于气动微流控芯片的新型智能痕量灌溉系统动态流量特性研究

提出一种基于气动微流控芯片的新型智能痕量灌溉系统，利用气动微流控芯片片上膜阀作为控水元件,阐述了新型智能痕量灌溉系统和片上膜阀的结构设计和工作原理，建立了新型智能痕量灌溉系统和片上膜阀的物理模型。对单个片上膜阀不同气体驱动压力、不同液流驱动压力下的出口流量，以及片上膜阀不同组合时的动态流量特性进行仿真分析，给出了不同情况下智能痕量灌溉系统出口流量和出口截面流速、压力分布等特性的分析结果。利用PDMS材料和软刻蚀技术对痕量灌溉系统控水元件进行封装，并对其流量特性进行了实验研究。讨论了在液流驱动压力为10 kPa、不同气体驱动压力时和气体驱动压力为0、不同液流驱动压力时，影响痕量灌溉系统流量的几种因素，并对实验现象进行理论分析。     

GelMA/LPN/MC水凝胶的挤出式3D打印工艺与性能研究

挤出式3D打印水凝胶用于组织修复是近年的研究热点。然而，高形状保真度的水凝胶打印过程仍然离不开复杂的交联策略，这大大增加了打印难度，限制了水凝胶材料在组织工程领域的应用。制备一种室温下可打印水凝胶，其打印过程不需要任何辅助交联便可实现高保真度打印。水凝胶由甲基丙烯酰胺酯化明胶(Gelatinmethacrylate,GelMA)，纳米黏土(LaponiteXLG,LPN)和甲基纤维素(Methylcellulose,MC)组成。通过挤出测试筛选出适合打印的复合材料配比，打印工艺试验分析了挤出速度、喷头移动速度对出丝连续性和微丝线宽的影响。当喷头内径为400μm时，Gel MA/LPN/MC水凝胶实现顺畅出丝(φ400～600μm)的条件为挤出速度在8.6～13 mm/h，喷头移动速度在6～10 mm/s。流变结果表明LPN和MC的加入赋予了材料优异的剪切稀化特性，使其具备室温下打印并维持结构稳定的性能。压缩结果表明改变交联时间，GelMA/LPN/MC水凝胶的压缩模量提高5倍，压缩强度提高3倍。细胞试验显示Gel MA/LPN/MC水凝胶具有良好的生物相容性。     

水凝胶支架的飞秒激光全息加工

为了实现以水凝胶为材料的细胞支架快速加工,将计算全息法引入传统的飞秒激光双光子加工中,并对全息图的生成方法和全息图对加工结构的影响进行了研究。首先,根据贝塞尔光波动方程和其透射函数生成贝塞尔光束全息图,分析两种参数对环形结构大小和质量的影响。然后利用生成的全息图加工得到壁厚800nm、直径为8~15μm不等的水凝胶(PEGDA)圆管结构。最后,实现了基于圆管道的水凝胶细胞支架高效快速加工,支架中圆管道壁厚800nm、直径为8μm。本文首次将飞秒激光全息加工技术应用于水凝胶三维支架加工,解决了飞秒激光单点加工效率的问题。该技术在生物医学中具有广阔的应用前景。