新型纳米复合水凝胶的可控制备及应用

纳米复合水凝胶作为一种柔性有机无机两相复合材料,充分利用了水凝胶及无机纳米粒子各自的物理化学功能以及两者之间的协同增益作用,从而可适应于更复杂的应用条件及满足更多样化的应用需求.本文综述了新型纳米复合水凝胶可控制备的设计思路以及在探测检测、环境保护、能源开发、生物医学等领域方面的应用,并对其未来发展进行了展望.     

聚乙烯醇／羟基磷灰石复合水凝胶的摩擦磨损机理研究

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．在超高精度三维轮廓仪和扫描电镜上观察PVA／HA复合水凝胶的微观形貌,采用平头圆柱压头测定PVA／HA复合水凝胶的压缩弹性模量和应力松弛特性,在微摩擦试验机上开展PVA／HA复合水凝胶与牛膝关节软骨之间的摩擦磨损实验,利用环境扫描电镜表征试样磨损后的表面形貌．结果表明,PVA／HA复合水凝胶具有与天然骨组织相似的交联网状微观结构,随着冷冻．解冻次数和HA含量的增加,PVA／HA复合水凝胶交联度增加,结晶程度增强,弹性模量显著提高,应力松弛速率增大,应力平衡值降低;摩擦系数随冷冻-解冻次数和HA含量的增加而降低,且冷冻-解冻次数越大,摩擦系数达到稳定平衡值的时间越早;PVA／HA复合水凝胶／牛膝关节软骨配副的摩擦变形深度随冷冻．解冻次数和HA含量的增加而减少;PVA／HA复合水凝胶的磨损机理主要表现为塑性流动和粘着现象,磨损轻重程度随冷冻-解冻次数和HA含量的增加而降低．     

“刚-柔”共融型仿生机器鱼

智能软材料以其高柔顺度、多功能、多物理场效应等优良行为得到了研究者们的关注.作为一类典型的智能软材料,介电高弹体(DE)具有电驱动大变形、快速响应、质轻价廉、生物亲和性好等优点,具有广阔的应用前景.该材料尤其适合作为人工肌肉应用到仿生机器人中,实现其结构柔软与大变形驱动.本文以蝠鲼为仿生原型,基于材料的电压驱动控制大变形机制,设计优化了一类介电高弹体薄膜面内驱动变形转化为扑动-波动混合型推进的驱动机构.将该机构用于胸鳍驱动的机器鱼系统,通过电子器件-刚性结构-柔性材料的融合集成,成功设计了一种材料与结构"刚-柔"共融型仿生机器鱼,并开展了相应的性能测试和功能集成."刚-柔"共融型仿生机器鱼通过分别独立控制两个胸鳍机构,可实现良好的机动性能;并利用高分子材料特性,可实现结构柔软与全透明化等优异的环境适应性能.该研究结果和机构设计原理将有望为"刚-柔"共融型机器人和仿生机器人的研究与应用提供参考.