Programmable and Thermally Hardening Composite Yarn Actuators with a Wide Range of Operating Temperature

材料科学 执行机构 聚二甲基硅氧烷 复合材料 复合数 极限抗拉强度 聚酰亚胺 硬化(计算) 刚度 应变硬化指数 机械工程 电气工程 工程类 图层(电子)
作者
Ziheng Zhang,Bo Zhu,Zehua Peng,Rong Yin,Ray H. Baughman,Xiaoming Tao
出处
期刊:Advanced materials and technologies [Wiley]
卷期号:5 (9) 被引量:23
标识
DOI:10.1002/admt.202000329
摘要

Abstract Actuators have wide applications in intelligent robots, deformable textiles, and wearable devices, wherein the fiber‐based coiled linear actuators are particularly advantageous due to their good flexibility, high stress, and strain. However, their performances have been limited by the employed materials, whose microstructures are not easily designed and controlled. This article proposes a new approach of engineered composite yarns for the actuators. It leads to novel solutions to overcome these difficulties by offering wide design options in material properties and device structures. Here, an engineering design of programmable and thermally‐hardening helical composite yarn actuators (HCYAs) with a wide range of operating temperature is exemplified. Polyimide (PI) and polydimethylsiloxane (PDMS) are selected to fabricate HCYAs, achieving tensile actuation of 20.7% under 1.2 MPa from −50 °C to 160 °C and competitive specific work (158.9 J kg ‐1 , four times of natural muscle). With constant tensile deformation, PI/PDMS HCYA nearly tripled the stress from 20 °C to 100 °C. Moreover, it is surprisingly observed an unusual thermal‐hardening phenomenon that the tensile stiffness of the PI/PDMS HCYAs increases with the rise of temperature. Equipped by electrothermally powered PI/Cu/PDMS HCYAs, robotic hands and pressure‐tunable compressive bandage are demonstrated for their potential applications in robots and wearable devices.

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