基于碳纤维增强尼龙的功能复合线材及由其制成的电热驱动元件的制作方法

本发明涉及复合材料技术领域，具体讲是一种基于碳纤维增强尼龙的功能复合线材及由其制成的电热驱动元件。

背景技术：

功能材料的高功能性往往与高成本并存。现有的功能材料尚不能从工业的角度出发，在实验室阶段制备成本高，制备工艺较为复杂，许多材料难以在破坏后修复等等的一系列问题严重制约了此类材料的应用发展。而尼龙（聚酰胺）作为一种成本低，易加工的聚合物材料，因其具有良好的力学性能已经被广泛的使用，同时，尼龙作为一种热塑性塑料，具有很好的重塑性。但是，目前尼龙主要是作为一种塑料在传统领域使用，其功能性被没有得到广泛的开发应用。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，克服以上现有技术的缺点：提供一种成本低，工艺简单，性能优良适于工业大规模使用的基于碳纤维增强尼龙的功能复合线材及由其制成的电热驱动元件。

本发明的技术解决方案如下：一种基于碳纤维增强尼龙的功能复合线材，复合线材的线芯为碳纤维束，线皮为尼龙。

作为优化，所述碳纤维束的直径为：0.007-0.1mm。

作为优化，所述线皮尼龙的厚度为：0.01-1mm。

作为优选，所述的基于碳纤维增强尼龙的功能复合线材制备方法包括以下步骤，在220-300℃的温度下，通过挤出机将尼龙包覆在碳纤维束上挤出成型。

本发明还提供一种基于碳纤维增强尼龙的功能复合线材制成的电热驱动元件，由单根所述基于碳纤维增强尼龙的功能复合线材卷绕成型后，于60-200℃下加热、冷却定型，并以其两端的碳纤维束端部作为电极。

较佳地，由单根所述基于碳纤维增强尼龙的功能复合线材卷绕成弹簧状后，于60-200℃下加热、冷却定型，并露出其两端的碳纤维束端部作为输入电极。

本发明的有益效果是：本复合线材可作为驱动元件的材料，制成的电热驱动元件两端裸露出来的碳纤维与电源连接，施加电压，使碳纤维发热。当该“弹簧”被拉伸后，在电热驱动的环境下，会产生一个恢复的拉力，带动机械臂或其它构件/物体运动。线皮经过长时间使用，易产生累积性的机械损伤，如微裂纹等，该损伤可能会导致材料的最终失效。当线皮需要维护或修复时，卸载施加在电热驱动元件上的应力，改变施加在碳纤维束两端的电压，使碳纤维束的发热温度高于工作温度，维持一段时间，此时在电热的作用下线皮就会熔融修复，实现自修复的功能。本发明电热驱动元件不仅可以通过电热实现自驱动，也可以通过外部加热驱动，可控性强。本发明碳纤维不仅起到加热作用，同时起到增强的作用；

本发明制备的电热驱动元件，可用在机械臂的驱动以及其它需要外力驱动的器件上，通过电热驱动该材料的伸缩实现带动所连接构件的运动，并且该元件能够利用电热实现自修复，易于维护，可为工业机械设备等提供低成本、易维护的驱动材料，即在电热的情况下可产生动力，材料内部线皮出现微裂纹时可以通过电加热使其愈合。

附图说明

图1为本发明基于碳纤维增强尼龙的功能复合线材的结构示意图。

图2为本发明实施例电热驱动元件的结构示意图。

具体实施方式

下面用具体实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不仅局限于以下具体实施例。

实施例

在230℃-280℃下，通过挤出机挤出成型，将0.5mm厚的尼龙包覆在0.1mm直径的碳纤维束上，在两端将碳纤维裸露出来。挤出的材料在水或其它介质中快速冷却，防止结晶。将材料收卷待用。

然后将该材料一根或多根一端悬挂在电机转子自由端上，另一端加0.1-3kg的配重，电机转子自由端朝向地面，保持配重物只能上下移动，不能旋转或者平动，使电机运行带动该材料扭动，随着应力的逐步积累，将该材料拧成弹簧状。

然后将该材料在60-200℃下加热，固定形状。

电热驱动过程：将该材料两端裸露出来的碳纤维与电源连接，施加0.1-30v的直流电压，使碳纤维作为发热丝升温至60-180℃。当该“弹簧”被拉伸后，在电热的环境下，会产生一个恢复的拉力，带动机械臂或其它构件/物体运动。

自修复过程：材料经过长时间使用，易微裂纹等，当本材料需要维护或修复时，卸载施加在材料上的应力，改变施加在碳纤维两端的电压，使其在0.5-50v直流电压下升温至180-300℃，维持一段时间，此时在电热的作用下材料就会熔融修复，实现自修复的功能。

以上仅是本发明的特征实施范例，对本发明保护范围不构成任何限制。凡采用同等交换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

技术特征：

1.一种基于碳纤维增强尼龙的功能复合线材，其特征在于：复合线材的线芯为碳纤维束，线皮为尼龙。

2.根据权利要求1所述的基于碳纤维增强尼龙的功能复合线材，其特征在于：所述碳纤维束的直径为：0.007-0.1mm。

3.根据权利要求1所述的基于碳纤维增强尼龙的功能复合线材，其特征在于：所述线皮尼龙的厚度为：0.01-1mm。

4.根据权利要求1所述的基于碳纤维增强尼龙的功能复合线材，其特征在于：其制备方法包括以下步骤，在220-300℃的温度下，通过挤出机将尼龙包覆在碳纤维束上挤出成型。

5.一种由权利要求1-4中任一项基于碳纤维增强尼龙的功能复合线材制成的电热驱动元件，其特征在于：由单根所述基于碳纤维增强尼龙的功能复合线材卷绕成型后，于60-200℃下加热、冷却定型，并以其两端的碳纤维束端部作为电极。

6.根据权利要求5所述的电热驱动元件，其特征在于：由单根所述基于碳纤维增强尼龙的功能复合线材卷绕成弹簧状后，于60-200℃下加热、冷却定型，并露出其两端的碳纤维束端部作为输入电极。

技术总结
本发明公开了一种基于碳纤维增强尼龙的功能复合线材，复合线材的线芯为碳纤维束，线皮为尼龙；本复合线材可作为驱动元件的材料，制成的电热驱动元件两端裸露出来的碳纤维与电源连接，施加电压，使碳纤维发热。当该“弹簧”被拉伸后，在电热驱动的环境下，会产生一个恢复的拉力，带动机械臂或其它构件/物体运动；当线皮需要维护或修复时，卸载施加在电热驱动元件上的应力，改变施加在碳纤维束两端的电压，使碳纤维束的发热温度高于工作温度，维持一段时间，此时在电热的作用下线皮就会熔融修复，实现自修复的功能。

技术研发人员：赵岳;祝颖丹;颜春;张洪生
受保护的技术使用者：中国科学院宁波材料技术与工程研究所
技术研发日：2018.11.19
技术公布日：2020.05.26