《International Journal of Mechanical Sciences》：High-velocity perforation of medium-entropy CrCoNi thin plates by spherical projectiles
编辑推荐：
本研究针对直接纺丝碳纳米管纤维（CNTF）因内部排列差、堆积密度低导致的电化学驱动人工肌肉循环稳定性差的问题，通过聚（偏氟乙烯-共-六氟丙烯）（PVDF-co-HFP）分级渗透策略强化CNTF，显著提升了机械强度（38%）和电化学循环稳定性（14.6%）。分子动力学模拟揭示了聚合物基质在分子水平抑制界面滑移和应力集中的机制，为可规模化、长寿命人工肌肉的开发提供了新途径。
在软体机器人和可穿戴技术领域，开发能够模拟生物肌肉高效、低功耗、大应变输出特性的仿生驱动器一直是科研人员追求的目标。其中，电化学驱动的人工肌肉因其低工作电压、高驱动应变和节能的保持状态而备受关注。碳纳米管纤维（CNTF）由于其卓越的导电性、机械强度、柔韧性和轻质特性，被认为是构建这类人工肌肉的理想材料之一。然而，CNTF的制备方法对其性能有着决定性影响。传统的“森林纺丝法”制备的CNTF虽然内部排列规整、结构均匀，但其规模化生产能力有限，制约了其实际应用。相比之下，“直接纺丝法”能够连续地从气态前驱体中直接生产CNTF，工艺流程简化，具有显著的经济性和工业化前景。但成也萧何，败也萧何，直接纺丝快速连续的生产过程也导致了纤维内部碳纳米管（CNT）排列度较低、堆积密度不足，从而引发了机械性能不佳和循环耐久性差的核心问题。在电化学驱动循环过程中，直接纺丝CNTF易出现不可逆的长度增加和性能衰减，即“电化学蠕变”现象，这严重限制了其作为可靠人工肌肉的长期使用。因此，如何在保持直接纺丝CNTF可规模化优势的同时，克服其结构缺陷，提升其电化学驱动下的稳定性和耐久性，成为了该领域一个亟待解决的关键科学问题。
针对上述挑战，由Chae-Lin Park和Byeonghwa Goh作为共同第一作者，Hyeon Su Jeong和Shi Hyeong Kim等人领导的研究团队在《International Journal of Mechanical Sciences》上发表了一项创新性研究。他们从运动护具保护肌肉免受过度拉伸中获得灵感，提出了一种聚合物强化策略，成功制备出具有优异抗电化学蠕变性能的直接纺丝CNTF基人工肌肉。
为了攻克直接纺丝CNTF人工肌肉的稳定性难题，研究人员主要运用了以下几项关键技术方法：首先，他们采用浮动催化剂化学气相沉积（FCCVD）法制备了直接纺丝CNTF。其次，他们创新性地采用了“卷绕后渗透”策略，将PVDF-co-HFP聚合物溶液渗透到已卷绕成型的CNTF人工肌肉中，利用溶剂诱导溶胀实现聚合物从外到内的梯度分布，形成了与肌肉变形剖面相匹配的径向阶梯式强化结构。第三，通过场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、拉曼光谱等技术对复合材料的微观结构、化学组成和结晶度进行了系统表征。第四，利用电化学工作站系统评估了人工肌肉的电化学性能（如循环伏安法CV、电化学阻抗谱EIS）和驱动性能（如收缩行程、循环稳定性）。最后，为了在分子层面揭示聚合物强化的机理，研究团队进行了详细的分子动力学（MD）模拟，包括双壁碳纳米管（DWNT）与PVDF复合模型的循环拉伸模拟以及从原始束和复合束中拉出DWNT的模拟，定量分析了界面粘附能、应力分布和剪切强度等关键参数。
3.1. 增强CNTF抗蠕变稳定性的策略
研究人员指出，直接纺丝CNTF内部CNT束之间缺乏足够的内聚力，在循环机械载荷下容易发生CNT间的滑移，导致类似生物肌肉过度拉伸的机械性能退化。受运动护具分散机械负荷、防止过度拉伸的启发，他们提出将PVDF-co-HFP整合到CNTF基质中，以增强CNT之间的范德华力，从而提高其机械性能和电化学稳定性。
3.2. 原始CNTF人工肌肉（PCAM）和增强复合人工肌肉（RCAM）的合成与表征
研究采用直接纺丝法获得的双壁CNTF（DWNT）为原材料，通过加捻、对折再加捻制备了两股 pristine CNTF人工肌肉（PCAM）。随后，通过将PVDF-co-HFP/丙酮/丙二醇甲醚醋酸酯（PC）溶液涂覆在PCAM表面，利用溶剂诱导的溶胀作用，使聚合物梯度渗透到CNTF内部，制备了增强复合人工肌肉（RCAM）。通过优化聚合物含量（最终选定RCAM 2，聚合物含量20.7 wt%），在保证离子可及性的同时，实现了力学性能的显著提升。力学测试表明，RCAM的机械强度明显高于PCAM和原始CNTF。FT-IR和拉曼光谱分析证实了PVDF-co-HFP的成功引入，并且RCAM的I(D)/I(G)比值降低，表明其结晶度更高，结构完整性更好。
3.3. 通过计算机模拟识别PVDF与DWNT之间的微观粘附
分子动力学模拟结果显示，PVDF链在靠近DWNT表面（1 nm内）呈现高度取向（取向因子>0.8），与DWNT轴平行排列，形成了有序的界面层；而远离界面（>1.5 nm）的PVDF则为无定形态，起到类似外骨骼的支撑作用。与单纯的DWNT束相比，PVDF@DWNT复合模型在单轴拉伸变形中表现出更高的结构稳定性，DWNT不易发生塌陷。界面粘附能分析表明，DWNT与PVDF之间的粘附能高于DWNT柱之间的粘附能。应力分布分析进一步揭示，复合界面实现了机械应力的均匀分布，PVDF基质能够有效地耗散应变能，起到阻尼器的作用，从而抑制微观结构蠕变。
3.4. PCAM和RCAM的电化学驱动表征
电化学测试表明，PCAM和RCAM的电荷存储机制均以电容效应为主（b值接近1），表明驱动主要由物理离子吸附驱动。RCAM的比电容（13.12 F/g）与PCAM（13.57 F/g）相当，说明聚合物引入并未显著阻塞离子吸附位点。在电化学驱动性能方面，PCAM在充电时产生13.4%的收缩行程，但放电后出现2.7%的拉伸行程（电化学蠕变），且随循环进行，收缩性能持续下降。而RCAM则表现出优异的可重复性，充电时收缩行程达14.64%，放电后能完全恢复到初始长度。经过多次循环，RCAM的驱动稳定性远优于PCAM。此外，研究还成功制备了十股人工肌肉束，展示了其提升负载能力的潜力。
3.5. 直接纺丝CNTF的电化学蠕变机制
分子动力学拉出模拟为理解蠕变机制提供了分子层面的见解。模拟发现，从被PVDF包围的DWNT束中拉出中心DWNT所需的界面剪切强度（3.11 MPa）远高于从单纯DWNT束中拉出（0.48 MPa）。这表明PVDF基质提供了更强的剪切阻力，有效抑制了CNT间的滑移。在拉出过程中，PVDF还能抑制周围DWNT束向中心空腔的弯曲变形，从而有利于驱动结束后CNT束恢复至初始紧密堆积状态。结合实验，研究人员提出电化学蠕变机制：充电时离子吸附使CNT间距增大，在负载作用下，CNT发生纵向滑移；放电后，由于界面阻力不足和结构变形，滑移的CNT无法完全复位，导致纤维逐渐伸长。而PVDF的引入通过增强界面剪切阻力、抑制束结构变形，有效抑制了这一过程。
本研究成功开发了一种基于聚合物梯度强化的直接纺丝CNTF人工肌肉，通过PVDF-co-HFP的引入，显著提升了材料的机械强度和电化学循环稳定性。分子动力学模拟从微观层面证实了聚合物基质在抑制CNT界面滑移和应力集中方面的关键作用，首次在分子水平上阐释了CNTF基人工肌肉的电化学蠕变抑制机制。这项研究不仅为克服直接纺丝CNTF的结构局限性提供了一种简单有效的策略，而且通过结合实验与模拟，为设计高性能、长寿命的人工肌肉提供了重要的理论依据和实践指南。该成果为实现可规模化、高耐久性人工肌肉驱动器的实际应用铺平了道路，对推动软体机器人、可穿戴设备等领域的进步具有重要意义。
