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基本信息

项目名称:
光致变形材料及光驱动马达的制作与应用
小类:
能源化工
简介:
这是一台新型光驱动马达。它的主体部分采用了形变率可高达150%的光致变形材料,在光照下马达可以转动并输出动能。本作品利用其与螺旋桨配合,并用来驱动船模,制作了一艘光驱动船模。
详细介绍:
本作品采用廉价易得的聚乙烯、炭黑、二氧化钛、玻璃纤维等原料,利用不同色素对吸光敏感性的差异,结合线膨胀系数和弹性模量的匹配,成功地制备了一种形变效果高达150%的新型光致变形材料。 在该光致变形材料的基础上,利用光照前后重力矩的差制作了结构简单,可以实现太阳能向动能的直接转化的光驱动马达。 因为考虑到样片由伸直状态恢复弯曲的速度以及阻力因素,决定将制作的光驱动马达应用于船模,推动船模的运动。

作品图片

  • 光致变形材料及光驱动马达的制作与应用
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作品专业信息

设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标

目前,太阳能利用一般需要经历发电、蓄电、输变电环节,最后再通过马达将电能转化为动能输出,整个过程不仅需要大量的设备和技术投资,而且能源利用率极低。做一个简单的测算:太阳能电池的效率一般在10%以下,从蓄电到输变电至少损失30%电能,如果马达的效率为50%,那么太阳能在整个系统中的利用率不到3.5%。 光致变形材料可以将太阳能直接转变为动能,光驱动马达有可能大幅度提高太阳能的利用效率。针对现有的光致变形材料形变量小(小于20%)、力学强度低、制备复杂、成本昂贵等问题,本课题采用廉价易得的聚乙烯、炭黑、二氧化钛、玻璃纤维等原料,利用不同色素对吸光敏感性的差异,结合线膨胀系数和弹性模量的匹配,成功地制备了一种形变效果高达150%的新型光致变形材料。 在此基础上,利用光致变形材料在太阳光照射前后形变造成的重力矩差,设计制作了一种新型的太阳光驱动马达以及由该马达驱动的船模,初步核算了该马达的输出功率和光能转化率。我们期待,这些作品有可能为将来制造世界上第一艘太阳光驱动游船提供模型依据。 除了光驱动马达,我们还利用新型光致变形材料制备工艺简单,成本低廉,形变率高的特点,试制了贴近日常生活的实用性作品,如:全自动光控百叶窗、光感花朵、全自动自我保护灯、Daytime招牌等。

科学性、先进性

1.本实验中制备的新型光致变形材料可以在太阳光或红外光照射下驱动,其形变量可达150%以上,可望高效率利用太阳能直接输出动能,而现有的光致变形材料形变量在20%以下,且全部需要高能的紫外光驱动; 2.现有的光致变形材料一般采用精密合成技术,在分子链上接枝光敏基团,制备过程精细、复杂,成本昂贵,而本项目采用通用原材料及成型加工设备,制作简便、成本低廉; 3.现有的光致变形材料在绝大多数的情况下被制备成纤维或薄膜,且使用温度高于材料的玻璃化转变温度,虽然具有光响应速度快的特点,但是材料的力学强度极低,只能用于微型软机械,而本项目采用玻璃纤维增强塑料,力学强度高,可用于光驱动马达的叶片等结构件,应用范围十分广阔; 4.由于光驱动马达减少了能量的存储、传输和转变等中间过程,提高了太阳能的利用效率。另外,如本文中介绍的其他光致变形材料的应用,这种光致变形材料可进一步开发成为全自动光控百叶窗,感光散热器以及在医疗中使用的微型机器人。

获奖情况及鉴定结果

1.2008年3月 获华东理工大学“大学生课余研究计划(USRP)”优秀论文; 2.2008年11月 立项为国家“大学生创新性实验计划”课题; 3.2009年6月 获第十一届上海市大学生课外学术科技作品竞赛二等奖。

作品所处阶段

实验室阶段

技术转让方式

作品可展示的形式

模型、现场演示、图片、录像、样品

使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测

该实验制备的光致变形材料在光照下会由原本的弯曲状态伸直,撤去光源后材料恢复原状。光驱动马达在光照下会发生转动,不仅可以直接将太阳能转化成机械能供人们利用,而且极大的提高了太阳能的利用率。制备光致变形材料的基体LDPE无毒无污染,取材简单,且材料在正常光照下变形明显,性能稳定,具有极大的实用性。本实验对材料的结构及性能进行了测量与计算,根据实际情况制成了光驱动马达,并用其驱动船模,期待该光驱动马达在多个领域中发挥突出的作用。 此外,该光致变形材料可用来制作全自动光控百叶窗、感光散热器以及在医疗中使用的微型机器人等,应用前景广阔。由于原料的成本低廉、制备工艺简单,当下市场空白,同时还有很强的创新性、实用性与可发展性,因而如果实现大规模生产,必定会带来极大的经济效益。

同类课题研究水平概述

光致变形材料的研究始于上世纪60年代。Merian等最早提出利用光异构化来改变聚合物材料的尺寸大小。他们将尼龙纤维用偶氮苯染料染色,发现具有0.1%光致收缩率。2001年,德国弗赖堡大学Finkelmann等人利用含偶氮苯的高分子液晶弹性体开发出了具有10%光致伸缩率的新型材料。 2003年,东京工业大学Yu和Ikeda等人发现,一种主要成分为偶氮苯的塑料经紫外线照射后出现收缩,经可见光照射后又可恢复原状,他们成功研制出一种方向可控的光致变形液晶薄膜。该薄膜在紫外线照射下发生与光的极化方向一致的弯曲,在可见光照射下可回复原状,并可精确地控制未取向膜沿着任意的方向弯曲。该偶氮苯液晶弹性体的光致弯曲为光能直接转化为机械动力提供了一种有效的手段,有望开发微型软机械。 2005年,Lendlein等报道了两种光致感应型形状记忆聚合物网络。第一种聚合物网络是含肉桂酸(CA)基团的丙烯酰-肉桂酰-乙二酯与丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸羟乙酯的共聚物,以丙烯酸酯基团封端的聚丙二醇为交联剂,CA基团以接枝方式连接到了聚合物链上;第二种是以肉桂亚基乙酰(CAA)为光敏基团,CAA基团连接在星形聚合物SCAA的四个末端,在丙烯酸丁酯和丙烯酰封端的丙二醇形成的IPN中掺入20%(wt)的星形聚合物SCAA。将含有CA或CAA基团的聚合物拉伸,用>260nm光照射时,CA基团发生反应,形成四元环,使部分网络发生交联,形状被固定下来,当用<260nm的紫外光照射时,发生解交联,先前光致交联链段被解除,聚合物可回复到初始形状。这种塑料线可用于不开胸的心血管手术:将它探入血管后,再用光纤传送一个特定波长的触发信号,塑料线会“摇身一变”成为螺旋形,就可以撑大血管内径。 然而要实现上述材料的光致变形,聚合物分子链的精密合成及其高次结构的可控制备不可或缺,制备工艺非常复杂,价格昂贵。现有的光致变形材料在绝大多数的情况下被制备成纤维或薄膜,且使用温度高于材料的玻璃化转变温度,虽然具有光响应速度快的特点,但是材料的力学强度低,光致变形量最高也只有20%,难以满足实际应用中的太阳能转换的需要。 最近,Gaub等人将主链含有偶氮苯的聚合物分子接到AFM探针上,通过光激发偶氮苯异构化,测得一个偶氮苯单元光异构化产生的机械功并从分子水平上进行估算,光-机械功转化率约为0.1。
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