随着电子信息技术的飞速发展,环境刺激响应性智能材料应运而生并逐渐向智能化、柔性可穿戴以及多功能集成化方向发展。柔性驱动器作为智能材料的重要分支,在保留智能材料对外界环境刺激快速响应性的同时还要满足大尺度弯曲变形性、优异的循环稳定性以及多重刺激响应性,在康复理疗、智能开关、人工肌肉以及柔性机器人等新兴领域有着广泛的应用前景。当前报道的一些柔性驱动器存在各种各样的问题,包括:制备工艺复杂、成本高、环境污染大、驱动器性能不稳定、刺激源苛刻、刺激选择性单一等,要满足当前对柔性驱动器具有高柔性、快速及多重刺激响应性、大尺度弯曲变形性、优异的循环稳定性、驱动过程环保安全无污染的高标准、高要求还有一定距离,这大大限制了柔性驱动器在未来新兴智能化体系中的应用及发展。因此,选择一些环境友好型材料、采用简单便捷的加工方法制备出具有多重刺激响应性的柔性驱动器势在必行。本论文综述了智能材料以及柔性驱动材料的发展过程,详细阐述了目前集中研究的一些柔性驱动材料,及不同刺激响应性柔性驱动器的制备及应用研究现状。论文中从一些能够对环境中的光、热、湿气等刺激迅速感知并产生响应行为的新型功能材料出发,在不改变材料基本性能的同时,通过物理共混或结构组装等方法赋予驱动器多重刺激响应性;接着,利用传统的湿法纺丝工艺以及旋涂成膜法制备了具有高柔性的一维纤维以及二维薄膜基驱动器;最后经过创新性的设计,将其应用在仿生驱动以及智能控制器件中,在未来的智能机器人以及智能操控领域具有较大的应用前景。全文结论如下:(1)以天然的海藻酸钠为原料,采用湿法纺丝工艺制备了海藻酸钠纤维,通过对纤维的力学性能进行分析表征得出,当海藻酸钠纺丝液的浓度为4.0 wt%,氯化钙凝固浴的浓度为4.0 wt%时,海藻酸钠纤维具有最佳的力学强度。此外,采用定向加捻操作使海藻酸钠纤维在凝胶态下发生物理结构取向变形,得到捻数、长度可控的扭转结构海藻酸钠纤维。由于定向加捻操作只改变了纤维的物理形态,并不影响其化学结构,所制得的扭转结构海藻酸钠纤维依然具有优异的吸湿性,可以在外界水刺激下发生快速的吸湿溶胀行为。重点研究了海藻酸钠凝胶纤维直径、股数对纤维加捻极限的影响,扭转纤维捻数对纤维吸湿溶胀性、结晶度以及取向度的影响。结果表明:随着海藻酸钠凝胶纤维直径以及股数(根数)的增加,扭转纤维的捻回角不断增大,其加捻极限不断减小,即凝胶纤维越粗,所获得的加捻数越少。随着扭转纤维中捻回数的增加,纤维表面微纳米级缝隙逐渐增多,粗糙度不断增大,这大大提高了纤维的吸湿溶胀性以及水分子在纤维表面的吸附-解吸速率。另外,捻回数的增加使纤维的力学强度以及取向度大幅提升,但对纤维结晶度的影响不大。(2)通过湿法纺丝以及定向加捻操作制得不同长度以及捻数的扭转结构的海藻酸钠纤维。受吸湿溶胀以及去湿收缩特性的影响,该扭转纤维在外界水以及湿气刺激下能够产生快速、可逆的旋转运动行为。重点研究了扭转纤维在水刺激下的驱动机理,用红外光谱仪跟踪记录了纤维在重水刺激过程的微观结构变化,发现重水刺激前后引起纤维中氢键的建立与破坏,从而产生快速、可逆的吸附-解吸附行为以及纤维体积上的溶胀-解溶胀,最后在溶胀-收缩力的作用下促使扭转纤维产生快速可逆的旋转运动行为。接着研究了扭转纤维在水、湿气刺激下的驱动性能,测试结果表明:随着捻数以及长度的增加,扭转纤维的旋转圈数以及旋转速度均大幅提高,其最高旋转速度高达13000转/分钟,单次最高旋转圈数高达420圈。对比水和湿气刺激下的旋转运动行为可以看出:在解捻性旋转运动过程中,扭转纤维在水刺激下的旋转速度远大于湿气刺激过程,而回复性旋转运动过程完全相反,这是因为水相比蒸汽而言能够使扭转纤维更快溶胀从而产生较快的解捻速度,而蒸汽相比水能够快速挥发从而产生较快的回复速度。此外,在旋转运动过程中扭转纤维不断的将水刺激转化为机械能输出,其最大动能(E_k)输出高达1.48×10~4 W/kg,重力势能(E_p)做功高达6.47×10~2 W/kg。并且扭转纤维在连续400次的循环水刺激下依然具有非常优异的循环稳定性。最后,通过对扭转纤维进行设计组装制备成“水力发电机”、“智能窗帘”、“呼吸织物”以及“智能起重机”,实现了在智能控制器以及智能纺织服装领域中的潜在应用。(3)将具有优异的光热以及吸湿性的GO与海藻酸钠复合制备成混合纺丝液,通过湿法纺丝以及定向加捻操作得到扭转结构的GO/SA复合纤维。GO的加入赋予复合纤维两方面的突出优势:其一,亲水性的GO与水溶性的海藻酸钠在水中能够形成均一稳定的混合纺丝液。其二,GO的加入不仅没有降低扭转结构GO/SA复合纤维的吸湿溶胀特性,同时赋予其优异的光热响应性,使该扭转结构的复合纤维能够在外界光照以及湿气刺激下产生快速、可逆且稳定的旋转运动行为。重点研究了扭转纤维在红外光照以及湿气刺激下的驱动机理,在近红外光照下,水分子在复合纤维与环境中发生可逆性的解吸-吸附行为,从而产生可逆的收缩-溶胀力,促使纤维产生可逆的加捻-回复性旋转运动。在湿气刺激下的驱动机理同(2)中解释一样,是由于水分子在复合纤维中的吸附-解吸附行为导致纤维体积的溶胀-解溶胀,从而产生可逆的解捻-回复性旋转运动行为。驱动性能测试结果表明:随着GO含量的增加,扭转结构GO/SA复合纤维的在红外光照以及湿气刺激下的旋转速度、旋转圈数均大幅上升,这主要是由于GO的加入增加了复合纤维表面的粗糙度以及疏松程度,加快了水分子在纤维上的吸附-解吸速率。此外,通过施加稳定的高-低湿气刺激,该扭转结构GO/SA复合纤维能够产生高达5 MPa的驱动应力,远大于哺乳动物骨骼肌的收缩力。该扭转结构GO/SA复合纤维优异的驱动性、可逆收缩性以及灵活可编织性可以被应用在智能网、远程控制器以及智能吊桥等领域。(4)采用溶液蒸发成膜法以及旋涂成膜法分别制得GO膜和CNT/PDMS复合膜,然后采用二次固化成膜法将GO层与CNT/PDMS层复合得到GO-CNT/PDMS双层复合薄膜。由于GO自身优异的吸湿性以及CNT优异的光热性,该复合薄膜能够在外界红外光照、温度以及湿度刺激下发生快速、可逆、稳定的双向弯曲变形行为。驱动机理解释如下:光热刺激过程,CNT/PDMS层中的CNT快速吸热导致PDMS受热膨胀,CNT/PDMS层产生较大的膨胀力;此时温度上升导致GO层间的水分子快速增发,GO层体积收缩,产生较大的收缩力,最后在膨胀力与收缩力的协同作用下GO-CNT/PDMS双层复合薄膜快速向GO层一侧发生弯曲变形行为。湿气刺激下,CNT/PDMS层的疏水性导致其基本不受环境湿气影响,而GO层优异的亲水性导致水分子快速进入GO片层之间,GO层体积快速膨胀,最后在GO层溶胀力的作用下GO-CNT/PDMS双层复合薄膜向CNT/PDMS层一侧发生快速的弯曲变形行为。进一步的驱动性能测试表明:随着复合薄膜中CNT含量以及光照强度的增加,复合薄膜向GO层一侧的弯曲角度以及响应速度均大幅提高。当CNT含量为5 wt%,光照强度为0.5 W/cm~2时,复合薄膜在2.48 s便可达到最大弯曲角度90°,且经过180次的连续性弯曲-回复形变测试,薄膜依然具有稳定的驱动性能。另外,通过直接改变复合薄膜的接触温度,使得薄膜的驱动变形更快,当外界温度达到80℃时,薄膜在1.72 s便可达到最大弯曲角度180°。接着,控制环境温度不变逐渐增加相对湿度,复合薄膜会向CNT/PDMS层一侧发生逐渐递增式的弯曲变形行为。当环境湿度达到90%时,复合薄膜可以达到其最大弯曲角度137°,且当环境相对湿度降至30%时,薄膜能够快速恢复至其初始状态,整个驱动过程在3 s内便可完成。另外,通过对GO层进行定向排列,可以制得弯曲方向可控的GO-CNT/PDMS双层复合薄膜基驱动器。最后通过一系列的仿生设计,该GO-CNT/PDMS被制备成智能手指、智能镊子、智能开关等,我们相信此驱动薄膜在未来的仿生智能器件以及柔性机器人领域将具有较大的应用前景。