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基本信息

項(xiàng)目名稱：
光致變形材料及光驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的制作與應(yīng)用
小類：
能源化工
簡介：
這是一臺(tái)新型光驅(qū)動(dòng)馬達(dá)。它的主體部分采用了形變率可高達(dá)150%的光致變形材料，在光照下馬達(dá)可以轉(zhuǎn)動(dòng)并輸出動(dòng)能。本作品利用其與螺旋槳配合，并用來驅(qū)動(dòng)船模，制作了一艘光驅(qū)動(dòng)船模。
詳細(xì)介紹：
本作品采用廉價(jià)易得的聚乙烯、炭黑、二氧化鈦、玻璃纖維等原料，利用不同色素對(duì)吸光敏感性的差異，結(jié)合線膨脹系數(shù)和彈性模量的匹配，成功地制備了一種形變效果高達(dá)150%的新型光致變形材料。 在該光致變形材料的基礎(chǔ)上，利用光照前后重力矩的差制作了結(jié)構(gòu)簡單，可以實(shí)現(xiàn)太陽能向動(dòng)能的直接轉(zhuǎn)化的光驅(qū)動(dòng)馬達(dá)。 因?yàn)榭紤]到樣片由伸直狀態(tài)恢復(fù)彎曲的速度以及阻力因素，決定將制作的光驅(qū)動(dòng)馬達(dá)應(yīng)用于船模，推動(dòng)船模的運(yùn)動(dòng)。

作品圖片

  • 光致變形材料及光驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的制作與應(yīng)用
  • 光致變形材料及光驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的制作與應(yīng)用
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作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

目前，太陽能利用一般需要經(jīng)歷發(fā)電、蓄電、輸變電環(huán)節(jié)，最后再通過馬達(dá)將電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能輸出，整個(gè)過程不僅需要大量的設(shè)備和技術(shù)投資，而且能源利用率極低。做一個(gè)簡單的測算：太陽能電池的效率一般在10%以下，從蓄電到輸變電至少損失30%電能，如果馬達(dá)的效率為50%，那么太陽能在整個(gè)系統(tǒng)中的利用率不到3.5%。 光致變形材料可以將太陽能直接轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，光驅(qū)動(dòng)馬達(dá)有可能大幅度提高太陽能的利用效率。針對(duì)現(xiàn)有的光致變形材料形變量?。ㄐ∮?0%）、力學(xué)強(qiáng)度低、制備復(fù)雜、成本昂貴等問題，本課題采用廉價(jià)易得的聚乙烯、炭黑、二氧化鈦、玻璃纖維等原料，利用不同色素對(duì)吸光敏感性的差異，結(jié)合線膨脹系數(shù)和彈性模量的匹配，成功地制備了一種形變效果高達(dá)150%的新型光致變形材料。 在此基礎(chǔ)上，利用光致變形材料在太陽光照射前后形變造成的重力矩差，設(shè)計(jì)制作了一種新型的太陽光驅(qū)動(dòng)馬達(dá)以及由該馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的船模，初步核算了該馬達(dá)的輸出功率和光能轉(zhuǎn)化率。我們期待，這些作品有可能為將來制造世界上第一艘太陽光驅(qū)動(dòng)游船提供模型依據(jù)。 除了光驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，我們還利用新型光致變形材料制備工藝簡單，成本低廉，形變率高的特點(diǎn)，試制了貼近日常生活的實(shí)用性作品，如：全自動(dòng)光控百葉窗、光感花朵、全自動(dòng)自我保護(hù)燈、Daytime招牌等。

科學(xué)性、先進(jìn)性

1.本實(shí)驗(yàn)中制備的新型光致變形材料可以在太陽光或紅外光照射下驅(qū)動(dòng)，其形變量可達(dá)150%以上，可望高效率利用太陽能直接輸出動(dòng)能，而現(xiàn)有的光致變形材料形變量在20%以下，且全部需要高能的紫外光驅(qū)動(dòng)； 2.現(xiàn)有的光致變形材料一般采用精密合成技術(shù)，在分子鏈上接枝光敏基團(tuán)，制備過程精細(xì)、復(fù)雜，成本昂貴，而本項(xiàng)目采用通用原材料及成型加工設(shè)備，制作簡便、成本低廉； 3.現(xiàn)有的光致變形材料在絕大多數(shù)的情況下被制備成纖維或薄膜，且使用溫度高于材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，雖然具有光響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，但是材料的力學(xué)強(qiáng)度極低，只能用于微型軟機(jī)械，而本項(xiàng)目采用玻璃纖維增強(qiáng)塑料，力學(xué)強(qiáng)度高，可用于光驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的葉片等結(jié)構(gòu)件，應(yīng)用范圍十分廣闊； 4.由于光驅(qū)動(dòng)馬達(dá)減少了能量的存儲(chǔ)、傳輸和轉(zhuǎn)變等中間過程，提高了太陽能的利用效率。另外，如本文中介紹的其他光致變形材料的應(yīng)用，這種光致變形材料可進(jìn)一步開發(fā)成為全自動(dòng)光控百葉窗，感光散熱器以及在醫(yī)療中使用的微型機(jī)器人。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

1.2008年3月 獲華東理工大學(xué)“大學(xué)生課余研究計(jì)劃（USRP）”優(yōu)秀論文； 2.2008年11月 立項(xiàng)為國家“大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”課題； 3.2009年6月 獲第十一屆上海市大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽二等獎(jiǎng)。

作品所處階段

實(shí)驗(yàn)室階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

無

作品可展示的形式

模型、現(xiàn)場演示、圖片、錄像、樣品

使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測

該實(shí)驗(yàn)制備的光致變形材料在光照下會(huì)由原本的彎曲狀態(tài)伸直，撤去光源后材料恢復(fù)原狀。光驅(qū)動(dòng)馬達(dá)在光照下會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，不僅可以直接將太陽能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能供人們利用，而且極大的提高了太陽能的利用率。制備光致變形材料的基體LDPE無毒無污染，取材簡單，且材料在正常光照下變形明顯，性能穩(wěn)定，具有極大的實(shí)用性。本實(shí)驗(yàn)對(duì)材料的結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行了測量與計(jì)算，根據(jù)實(shí)際情況制成了光驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，并用其驅(qū)動(dòng)船模，期待該光驅(qū)動(dòng)馬達(dá)在多個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮突出的作用。 此外，該光致變形材料可用來制作全自動(dòng)光控百葉窗、感光散熱器以及在醫(yī)療中使用的微型機(jī)器人等，應(yīng)用前景廣闊。由于原料的成本低廉、制備工藝簡單，當(dāng)下市場空白，同時(shí)還有很強(qiáng)的創(chuàng)新性、實(shí)用性與可發(fā)展性，因而如果實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，必定會(huì)帶來極大的經(jīng)濟(jì)效益。

同類課題研究水平概述

光致變形材料的研究始于上世紀(jì)60年代。Merian等最早提出利用光異構(gòu)化來改變聚合物材料的尺寸大小。他們將尼龍纖維用偶氮苯染料染色，發(fā)現(xiàn)具有0.1%光致收縮率。2001年，德國弗賴堡大學(xué)Finkelmann等人利用含偶氮苯的高分子液晶彈性體開發(fā)出了具有10%光致伸縮率的新型材料。 2003年，東京工業(yè)大學(xué)Yu和Ikeda等人發(fā)現(xiàn)，一種主要成分為偶氮苯的塑料經(jīng)紫外線照射后出現(xiàn)收縮，經(jīng)可見光照射后又可恢復(fù)原狀，他們成功研制出一種方向可控的光致變形液晶薄膜。該薄膜在紫外線照射下發(fā)生與光的極化方向一致的彎曲，在可見光照射下可回復(fù)原狀，并可精確地控制未取向膜沿著任意的方向彎曲。該偶氮苯液晶彈性體的光致彎曲為光能直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械動(dòng)力提供了一種有效的手段，有望開發(fā)微型軟機(jī)械。 2005年，Lendlein等報(bào)道了兩種光致感應(yīng)型形狀記憶聚合物網(wǎng)絡(luò)。第一種聚合物網(wǎng)絡(luò)是含肉桂酸(CA)基團(tuán)的丙烯酰-肉桂酰-乙二酯與丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸羥乙酯的共聚物,以丙烯酸酯基團(tuán)封端的聚丙二醇為交聯(lián)劑，CA基團(tuán)以接枝方式連接到了聚合物鏈上；第二種是以肉桂亞基乙酰(CAA)為光敏基團(tuán)，CAA基團(tuán)連接在星形聚合物SCAA的四個(gè)末端，在丙烯酸丁酯和丙烯酰封端的丙二醇形成的IPN中摻入20%(wt)的星形聚合物SCAA。將含有CA或CAA基團(tuán)的聚合物拉伸，用>260nm光照射時(shí)，CA基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，形成四元環(huán)，使部分網(wǎng)絡(luò)發(fā)生交聯(lián)，形狀被固定下來，當(dāng)用<260nm的紫外光照射時(shí)，發(fā)生解交聯(lián)，先前光致交聯(lián)鏈段被解除，聚合物可回復(fù)到初始形狀。這種塑料線可用于不開胸的心血管手術(shù)：將它探入血管后，再用光纖傳送一個(gè)特定波長的觸發(fā)信號(hào)，塑料線會(huì)“搖身一變”成為螺旋形，就可以撐大血管內(nèi)徑。 然而要實(shí)現(xiàn)上述材料的光致變形，聚合物分子鏈的精密合成及其高次結(jié)構(gòu)的可控制備不可或缺，制備工藝非常復(fù)雜，價(jià)格昂貴?，F(xiàn)有的光致變形材料在絕大多數(shù)的情況下被制備成纖維或薄膜，且使用溫度高于材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，雖然具有光響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，但是材料的力學(xué)強(qiáng)度低，光致變形量最高也只有20%，難以滿足實(shí)際應(yīng)用中的太陽能轉(zhuǎn)換的需要。 最近，Gaub等人將主鏈含有偶氮苯的聚合物分子接到AFM探針上，通過光激發(fā)偶氮苯異構(gòu)化，測得一個(gè)偶氮苯單元光異構(gòu)化產(chǎn)生的機(jī)械功并從分子水平上進(jìn)行估算，光-機(jī)械功轉(zhuǎn)化率約為0.1。
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