DOI:10.1021/acsanm.9b02073

人工肌肉是促进机器人技术、自动化和人工智能嵌入式系统发展的关键技术之一。本工作旨在开发基于形状记忆陶瓷（SMC）纳米纤维的卷曲纱，用于高温下的人工肌肉。采用静电纺丝方法成功地制备了高度取向的片状碳纳米管（氧化锆基）纱线和弹簧。研究了SMC纳米纤维的微观结构和拉伸性能，以及SMC纱线/弹簧的形状记忆驱动性能。在328-388℃的驱动温度下，SMC纱线的形状记忆效果显著，可恢复应变高达5%，恢复时间短（0.16 s）。当使用本生灯加热时，SMC弹簧可升至自身重量的87倍，行程为3.9 mm。SMC纱线/弹簧的输出应力为14.5-22.6 MPa，工作密度约为15-20 kJ/m3，拉伸强度约为100-200 MPa，远高于人体肌肉和其他一些基于聚合物的人工肌肉。SMC纳米纤维基纱线/弹簧具有输出应力大、拉伸强度高、驱动温度高、响应快等优点，在用作高温下人工肌肉方面具有巨大的潜力。

图1.SMC纳米纤维、纱线和弹簧的制造过程示意图。

图2.在不同温度和不同停留时间下烧结的纳米纤维的SEM图像：（A）700℃/1 h，（B）1200℃ /0 h，（C）1300℃/0 h和（D）1200℃/ 2 h；（E）纳米纤维的XRD图谱，其中“m”代表单斜晶相，“t”代表四方晶相；（F） 烧结温度（虚线左侧：停留时间为0 h，700℃停留时间为1 h）和停留时间（虚线右侧：固定在1200℃）对纳米纤维四方相wt%和晶粒尺寸的影响。（F）中的烧结Tem.表示烧结温度。

图3.（A）在不同的温度下无停留烧结的SMC纱线的拉伸应力-应变曲线；（B）标距长度为5 mm的SMC纱线的拉伸强度与烧结温度的关系。

图4.（A）照片显示了弯曲然后释放纱线的过程。（B）弯曲成不同直径后的纱线样品的XRD图谱。标记“m”和“t”分别表示单斜晶相和四方晶相。（C）单斜相的重量分数与弯曲直径的关系图。（D）纱线弯曲不同时间的XRD图案。

图5.（A）弯曲前、弯曲成不同直径后以及在600℃加热30分钟后的纱线样品照片。弯曲之前、弯曲到（B）6 mm或（C）2 mm以及加热后纱线的XRD图案。

图6.SMC纳米纤维的扫描电镜图像：（A）原始状态，（B）弯曲时，（C）弯曲后，（D）在500℃加热30分钟后。

图7.弯曲纱线的偏转角（α）随加热温度的变化；插图是在加热温度从32℃到388℃再到28℃时拍摄的纱线图像。粉红色区域的温度范围表示反向马氏体转变温度。

图8.（A-H）显示SMC纱线与预热热板接触时形状变化的照片；（I-K）纱线样品在原始形状（I）、弯曲后（J）和加热后（K）的照片。

图9.照片显示了一个SMC弹簧在拉伸载荷下的形状恢复过程中升高了其自身重量的87倍（AD），而另一个弹簧在压缩载荷下升高了自身重量的23倍（E-H）。L是弹簧的长度，直接从弹簧上测量。照片中标尺指示的长度是不准确的，因为它是弹簧投射到标尺上的结果。

图10.（A）在拉伸载荷下的第一个到第三个循环中测试的SMC弹簧的输出剪切应力；将SMC弹簧在1200℃下烧结30分钟。（B）SMC弹簧的输出剪切应力和工作密度与热处理条件的关系。弹簧以拉伸模式加载。