一种碳纳米管纤维电致变形实验台及实验方法与流程

本发明涉及一种实验台，特别是涉及碳纳米管纤维作为电极在电解液环境下通电进行电致变形实验时所使用的实验台。本发明还涉及使用上述的实验台进行电致变形实验的方法，属于电化学致动性能测试技术领域。

背景技术：

近年来，人工肌肉因其质量轻、工艺便捷、柔韧性好等诸多优势，受到了人们广泛的关注和研究。在航天、水下装备、仿生制造、生物医疗及能量收集等领域具有重大的应用潜力。然而人们并未提出一套完整的电致变形实验装置及测试方法，由于碳纳米管纤维质量轻、尺寸微小，在电解液环境下通电进行电致变形测试时产生的轴向收缩变形仅为毫米级甚至是微米级，通电时液体电解产生的气泡，实验时周围环境的影响以及液体对纤维电极的浮力等因素对实验测量的结果影响很大。因此，对基于碳纳米管纤维的电致变形性能的测试装置及实验方法的研究具有重要的实用价值。

技术实现要素：

本发明的碳纳米管纤维电致变形实验台可以实现碳纳米管纤维在电解液环境下进行电致变形测试，保证纤维在一个相对密闭环境和一定载荷下对纤维电极的轴向收缩变形进行测试。

本发明采用的技术方案为一种碳纳米管纤维电致变形实验台，在实验装置的箱体上焊接有滑道，链条放置在滑道上，齿轮与链条啮合，齿轮轴一端装有把手另一端穿过齿轮与齿轮固定，达到旋转把手带动链条进而带动烧杯夹头前后移动的目的，烧杯夹头通过固定螺钉固定在链条上，烧杯托放置在箱体底部，烧杯放置在烧杯托上，数据收集盒和非线性位移传感器放置在烧杯底部，通过调节连杆上的螺母控制烧杯夹的伸展程度，进而起到固定烧杯的作用，电极夹夹头由锁定装置和调节螺钉固定到电极夹夹头支架上，可通过调节螺钉调整电极夹夹头的位置和螺母控制电极夹夹头的伸展程度从而加持不同的电极夹头，电极的正极夹头加持ag/agcl作为参比电极，负极夹头加持稳定双螺旋结构的碳纳米管纤维，纤维下端悬挂s形钩，将电极夹头另一端连接电源。

所述的碳纳米管纤维电致变形实验台进行纤维电致变形实验的方法，操作步骤如下：

a.对碳纳米管纤维进行加捻，得到稳定的双螺旋结构碳纳米管纤维。

b.由电源引出电极夹头，将电极夹头固定在电极夹夹头上。

c.正极夹头加持ag/agcl作为参比电极，将纤维一端绑缚重物，另一端由负极夹头夹持。

d.将位移传感器和数据收集盒在烧杯底部固定好，同时在烧杯中配置电解质溶液。

e.将烧杯放置在烧杯托上，由烧杯夹头将其固定。

f.通过调整烧杯加持装置和电极加持装置的位置，使纤维80％以上部分浸入电解液中，避免操作过程中重物和纤维与烧杯壁及传感器接触。

g.接通电源，通过位移传感器将纤维收缩变形量收集为电信号，通过数据收集盒将电信号转换为位移信号，最终得到碳纳米管纤维的收缩变形。

本发明的碳纳米管纤维电致变形实验台及实验方法可以在尽可能减少液体浮力和防止电解质溶液电解的情况下对纤维的电致动性能进行测试，将烧杯和电极夹头充分固定并在一个相对密闭的环境下，可以减少由外部环境对实验造成的误差，使实验结果更准确。同时利用纤维致动性能设计的人工肌肉具有广泛的应用前景，可以为人工肌肉结构的设计起到借鉴作用。

附图说明

图1碳纳米管纤维电致变形实验台结构图。

图2烧杯加持装置局部放大图。

图3电极夹加持装置局部放大图。

图4s形钩局部放大图。

具体实施方式

以下结合附图1、图2、图3和图4对本发明的碳纳米管纤维电致变形实验台以及利用该实验台进行碳纳米管纤维电致变形实验的方法作进一步详细说明。

如图1所示为碳纳米管纤维电致变形实验台结构图，主要包含以下部件：齿轮(1)、箱体(2)、滑道(3)、链条(4)、齿轮轴(5)、把手(6)、电极夹夹头支架(7)、锁定机构(8)、固定螺钉(9)、调节螺钉(10)、螺母(11)、烧杯夹头(12)、烧杯(13)、烧杯托(14)、数据收集盒(15)、位移传感器(16)、ag/agcl参比电极(17)、s形钩(18)、碳纳米管纤维(19)、电极夹夹头(20)、电源(21)和电极夹头(22)。

其特征在于：本装置主要由烧杯加持装置，电极加持装置，位移测定装置，电源等几部分组成。将滑道(3)焊接在箱体(2)上，链条安装在滑道(3)上，通过旋转把手(6)带动通过齿轮轴(5)连接的齿轮(1)，导致链条(4)作前后进给运动，进而带动烧杯夹头(12)做前后进给运动，调整烧杯夹头(12)的位置，固定放置在烧杯托(14)上面的烧杯(13)，烧杯夹头(12)通过固定螺钉(9)固定在链条(4)侧面，同时通过调节螺钉(10)可以调节烧杯夹头(12)的伸展程度，从而控制加持不同型号的烧杯(13)，位移传感器(15)和数据收集盒(16)放置在烧杯(13)底部。电极加持装置固定在箱体(2)上部，电极夹夹头支架(7)由固定螺钉(9)固定在箱体(2)上部，电极夹夹头(20)由固定螺钉(9)和锁定机构(8)通过螺纹孔配合固定在电极夹夹头支架(7)上，同时电极夹夹头(20)可以沿电极夹夹头支架(7)上下活动，以寻找最佳的实验位置，电极夹夹头(20)同烧杯夹头(12)相仿，可以通过调节螺钉(10)可以调节电极夹夹头(20)的伸展程度，从而加持不同的电极夹头(22)，电极的正极夹头加持s形钩(18)，负极夹头加持稳定双螺旋结构的碳纳米管纤维(19)，纤维下端悬挂ag/agcl参比电极(17)，将电极夹头(22)另一端连接电源(21)。

本发明的实验方法，其具体步骤如下：将碳纳米管纤维一端固定，另一端用电机进行加捻，加捻一定圈数后，将纤维从中间对折，反向进行加捻一定圈数后，得到稳定的双螺旋结构碳纳米管纤维。由电源引出电极夹头，电极的正极夹头加持ag/agcl参比电极，电极的负极夹头夹持另一端悬挂s形钩的碳纳米管纤维，将电极夹头调整角度固定在电极夹夹头上。配置电解质溶液：将提供离子的药品加入到有机溶剂无水碳酸丙烯酯中，按要求配置成一定浓度的电解质溶液，放置在烧杯中，将位移传感器和数据收集盒放置烧杯中，然后将烧杯放置在烧杯托上，通过旋转把手和调节螺钉将烧杯固定在烧杯托上。根据烧杯位置调节电极夹夹头支架，使悬挂重物的纤维80％以上竖直浸入水中，接通电源(3v左右)，通过位移传感器将纤维收缩变形量收集为电信号，通过数据收集盒将电信号转换为位移信号，最终得到纤维的收缩变形量。

技术特征：

1.一种碳纳米管纤维电致变形实验台，其特征在于：包括烧杯加持装置、电极加持装置、位移测定装置和电源，将烧杯加持装置、电极加持装置、位移测定装置和电源分别安装在箱体上；对碳纳米管纤维进行加捻，得到稳定的双螺旋结构碳纳米管纤维；由电源引出电极夹头，正极夹头加持ag/agcl作为参比电极，将碳纳米管纤维一端绑缚重物，另一端由负极夹头夹持，将电极夹头固定在电极夹夹头上；将数据收集盒和位移传感器放置在烧杯底部固定，同时在烧杯中配置电解质溶液，将烧杯放置在烧杯托上，用烧杯夹头将其固定；通过调整烧杯加持装置和电极加持装置的位置，使碳纳米管纤维大部分浸入电解液中，避免重物和纤维与烧杯壁及底部传感器接触；接通电源，通过位移传感器将纤维收缩变形量收集为电信号，通过数据收集盒将电信号转换为位移信号，最终得到碳纳米管纤维的收缩变形量。

2.根据权利要求1所述的一种碳纳米管纤维电致变形实验台，其特征在于：烧杯加持装置通过滑道(3)焊接在箱体(2)上，链条(4)安装在滑道(3)上，通过旋转把手(6)带动通过齿轮轴(5)连接的齿轮(1)，导致链条(4)作前后进给运动，进而带动烧杯夹头(12)做前后进给运动，调整烧杯夹头(12)的位置，固定放置在烧杯托(14)上面的烧杯(13)，烧杯夹头(12)通过固定螺钉(9)固定在链条(4)侧面，同时通过调节螺钉(10)可以调节烧杯夹头(12)的伸展程度，从而控制加持不同型号的烧杯(13)。

3.根据权利要求1所述的一种碳纳米管纤维电致变形实验台，其特征在于：电极加持装置固定在箱体(2)上部，电极夹夹头支架(7)由固定螺钉(9)固定在箱体(2)上部，电极夹夹头(20)由固定螺钉(9)和锁定机构(8)通过螺纹孔配合固定在电极夹夹头支架(7)上，同时电极夹夹头(20)可以沿电极夹夹头支架(7)上下活动，以寻找实验位置，电极夹夹头(20)同烧杯夹头(12)相仿，通过调节螺钉(10)调节电极夹头(22)的伸展程度，从而加持不同的电极夹头(22)。

4.根据权利要求1所述的一种碳纳米管纤维电致变形实验台，其特征在于：位移测定装置由非线性位移传感器和数据收集盒组成。

5.一种碳纳米管纤维电致变形实验方法，其特征在于：通过将纤维一端固定，另一端用电机进行加捻，加捻后，将纤维从中间对折，反向进行加捻后，得到双螺旋结构碳纳米管纤维；

具体实施步骤如下，对碳纳米管纤维进行加捻，得到双螺旋结构碳纳米管纤维；

a.由电源引出电极夹头，将电极夹头固定在电极夹夹头上；

b.正极夹头加持ag/agcl作为参比电极，将纤维一端绑缚重物，另一端由负极夹头夹持；

c.将位移传感器和数据收集盒在烧杯底部固定好，同时在烧杯中配置电解质溶液；

d.将烧杯放置在烧杯托上，由烧杯夹头将其固定；

e.通过调整烧杯加持装置和电极加持装置的位置，使纤维80％以上部分浸入电解液中，避免操作过程中重物和纤维与烧杯壁及传感器接触；

f.接通电源，通过位移传感器将纤维收缩变形量收集为电信号，通过数据收集盒将电信号转换为位移信号，最终得到碳纳米管纤维的收缩变形。

6.根据权利要求5所述的一种碳纳米管纤维电致变形实验方法，其特征在于：选用电解质溶液的溶剂选用碳酸丙烯酯。

7.根据权利要求5所述的一种碳纳米管纤维电致变形实验方法，其特征在于：通过调节螺钉和把手将烧杯进行固定加持，通过调节螺钉对电极夹头进行固定并控制纤维浸入电解质溶液液面80％。

8.根据权利要求5所述的一种碳纳米管纤维电致变形实验方法，其特征在于：纤维一端悬挂的重物为不锈钢s形钩。

技术总结
本发明公开了一种碳纳米管纤维电致变形实验台及相关实验方法，属于电化学致动性能测试技术领域。主要由烧杯加持装置、电极加持装置、位移测定装置、电源等几部分组成。其中将含有离子液体的烧杯放在烧杯托上由烧杯加持装置固定，电极夹头一端由电源引出，正极夹头加持Ag/AgCl参比电极，负极夹头加持尾端悬挂S形钩的稳定双螺旋结构碳纳米管纤维，分别由电极加持装置固定，在烧杯中放有位移测定装置以测量电源通电后纤维的电致变形收缩量。本发明可以减少由外部环境对实验造成的误差，并防止在通电后电解质溶液自身发生电解，避免了气泡带来的实验误差，有利于提高电致变形实验结果的准确性。

技术研发人员：刘夏;王张义;季铧
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2020.03.08
技术公布日：2020.06.09