基于螺旋卷曲聚合物纤维致动器的热机开发及其在环境能量收集中的创新应用

《Advanced Materials Technologies》：Development of Heat Engines Powered by Twisted and Coiled Polymer Fiber Actuators

本文首次报道了由螺旋卷曲聚合物（TCP）纤维致动器驱动的连续旋转热机，在仅60°C的温差刺激下，该发动机实现了27转/分钟的最大转速、74 Nmm的失速扭矩以及基于TCP质量计算的42 mW峰值功率（9 W/kg）。研究通过热力学和运动学两种分析模型成功预测了四种不同形状记忆合金（SMA）发动机的失速扭矩，并指导设计了性能更优、循环寿命超过16,000次（远超SMA发动机13倍以上）的TCP热机，为低品位废热等环境能量的机械式收集提供了新策略。

　　

1 引言

捕获环境能量（如废热、湿度梯度和水盐度差）并将其转化为更有用的能量形式，是减少全球温室气体排放的重要策略。在利用低品位废热（低于130°C）方面，由热敏致动材料驱动的机械发动机展现出独特优势。2025年正值W.B. Weigand利用硫化橡胶焦耳效应实现温差驱动连续运动百年，但实现其“五马力橡胶马达”的愿景仍面临挑战。近年来，螺旋卷曲聚合物纤维（TCP）人工肌肉因相较于形状记忆合金（SMA）具有更长循环寿命（>10⁶次）和对湿度、pH值等多重环境刺激的响应能力，为环境能量发动机的发展带来新机遇。

2 发动机扭矩-速度与扭矩-功率关系

旋转发动机的性能由其扭矩（τ_eng）和转速（ω）共同描述。在稳态条件下，发动机输出功率P_eng= τ_engω，且当外部扭矩τ_ext= 0时，发动机达到空载转速ω₀；当τ_ext= τ_stall（失速扭矩）时，转速降为零。研究表明，发动机的扭矩-速度曲线呈单调递减趋势，其峰值功率出现在ω = ω₀/2处。若热传递速率不成为限制因素，发动机性能主要由失速扭矩决定。

3 发动机性能的分析模型

3.1 发动机失速扭矩的热力学预测

热机最大能量转换效率受卡诺极限（η_eng≤ 1 – T_C/T_H）约束。通过分析致动器在热循环中的力-伸长（或应力-应变）曲线，可计算单个致动器每周期做功（W_act）。对于采用n个致动器的发动机，其最大周期功W_eng= nW_act，进而通过公式τ_stall= W_eng/(2π)推算失速扭矩。

3.2 发动机失速扭矩的运动学预测

该方法通过发动机旋转角度逐级计算：首先根据几何结构确定各致动器长度，再结合实验测得的力-伸长数据，得到对应温度下的拉伸力，最后将力分解为对输出轴的力矩。此模型可详细展示扭矩在整个发动机周期内的波动情况。

4 实验方法

研究使用NiTi形状记忆合金（SMA）线圈和尼龙-6单丝制备的TCP纤维作为致动器。通过Instron 5566力学测试机获取材料在室温（未刺激）和80°C（刺激）下的应力-应变曲线。发动机性能通过缠绕在输出轴上的绳索悬挂砝码施加外部扭矩，并测量转速进行评估。

5 SMA热机实验与建模

在三种发动机设计（带同步双滑轮BS-2P、齿轮同步倾斜轮GS-TW、自同步偏移轴SS-OA）中验证模型有效性。例如，SS-OA发动机在两种偏移距（13 mm和25 mm）下，实测失速扭矩分别为48 Nmm和130 Nmm，峰值功率达45 mW和111 mW（基于SMA质量分别为13.8 W/kg和33.9 W/kg）。热力学与运动学模型预测值与实验结果偏差在±25%以内，证实了模型的可靠性。

6 TCP热机

针对TCP应变范围窄（约10%收缩率）、刚度高的特点，选用SS-OA发动机设计。首台TCP发动机在应变范围1%-12%下实现失速扭矩39 Nmm、峰值功率29 mW（12.8 W/kg）。优化后的第二台发动机将应变范围扩展至-1%至48%，失速扭矩提升至74 Nmm，峰值功率达42 mW（8.8 W/kg），热效率为74%。

7 讨论

7.1 致动器驱动旋转发动机的建模

所有六款发动机的预测扭矩与实测值高度吻合，偏差主要源于致动器在冷热区过渡时的温度变化延迟。模型简化了瞬时温度切换假设，实际热传递速率（如被动冷却时冷却时间达20–30秒）会影响应力-应变行为，进而改变扭矩输出。热力学模型简便易用，而运动学模型能揭示扭矩周期波动，适用于优化致动器数量与布局。

7.2 SMA与TCP热机循环寿命比较

在80°C水温与强制风冷下，SMA发动机在运行1320周期后因疲劳断裂导致性能下降；TCP发动机在相同条件下持续运行超过16,000周期无衰减，凸显其卓越的耐久性。

8 结论

本研究确立了基于人工肌肉拉伸致动的旋转发动机通用设计方法，证实失速扭矩是预测发动机功率输出的关键参数。通过热力学功和运动学两种模型，仅需致动器的应力-应变数据即可准确预测失速扭矩，成功指导了首台TCP热机的开发。TCP发动机在功率重量比接近SMA发动机的同时，循环寿命提升超13倍，为环境能量收集提供了高性能、长寿命的新方案。