一种具有自感知和自修复功能的仿生保护外壳及其制备方法和应用

1.本发明属于保护外壳技术领域，具体涉及一种具有自感知和自修复功能的仿生保护外壳及其制备方法和应用。


背景技术：

2.空间站和航天器在太空中，难免会被一些体积很小的陨石碎片或者是太空垃圾片撞击或者划伤，这些往往会给空间站和航天器带来一些小到肉眼不可见的微小裂痕，这些裂痕有可能在材料的表层以下，让人无法察觉，这些裂痕一旦形成就会随着材料的老化受损而蔓延。除此之外，太空之中，温差极大，温度变化大，频繁的温度变化也会加剧材料的老化受损，这些可能最终会让我们付出无法挽回的代价。
3.皮肤是最重要的器官之一，在阳生植物中，其叶表皮包覆在表面，叶表皮按功能分可以分为保卫细胞区、和气孔细胞区，他们直接同外界环境接触，具有保护、调节体温和感受外界刺激等作用。阳生植物叶表皮的保卫细胞区具有保护叶片主体、感知自身状态和修复自身损伤的功能，气孔细胞区可以调节气孔大小，进行呼吸、蒸腾作用等气体代谢功能。
4.阳生植物叶表皮作用机制值得我们借鉴学习，为了防止这些裂痕的产生和扩散，减缓材料的老化受损，有必要研制一种仿皮肤保护外壳，通过在空间站和航天器等精密部件的外表添加这层保护外壳，可以起到保护空间站和航天器的作用，当这层保护外壳被撞击或者划伤时，它可以感知到这种破坏的产生，并且迅速的完成自我修复，无需依靠人工辅助。同时，当外界温度发生变化时，它可以感知到外界温度的升高和降低，进而通过调节气孔大小来调节热交换，给保护外壳内部提供一个稳定或者是温差波动较小的环境。这种自感知和自修复的能力对保护航天器以及延长航天器的使用寿命有着非常重大的意义。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于4d打印技术的具有自感知自修复功能的仿生保护外壳及其制备方法和应用。
6.本发明提供的技术方案如下：
7.第一方面，本发明提供一种具有自感知和自修复功能的仿生保护外壳，包括保卫层和气孔调节层；所述保卫层由多个模拟细胞单元组成，模拟细胞单元由盛装有溶液a或b的腔体构成，其中细胞质为溶液a或溶液b，每个模拟细胞单元只和装有另一种溶液的模拟细胞单元相邻；所述模拟细胞单元两端连接有电极；
8.所述模拟细胞单元的腔体由掺杂碳纳米管的水凝胶构成；所述溶液a为丙烯酸异氰酸根合乙酯改性的环糊精和碳纳米管的混合溶液；所述溶液b为丙烯酰化改性金刚烷和碳纳米管的混合溶液；
9.所述气孔调节层布设于保卫层之间，且置于外表面。
10.进一步，掺杂碳纳米管的水凝胶中的水凝胶包括聚丙烯酸类和聚丙烯酰胺类水凝
胶。优选的，水凝胶为聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚丙烯酰胺或聚n-聚代丙烯酰胺，碳纳米管和水凝胶的质量比为1：9。
11.进一步，所述溶液a的浓度为1-5g/ml，碳纳米管和丙烯酸异氰酸根合乙酯改性的环糊精的质量比为0.05-0.12:1。
12.进一步，所述溶液b的浓度为1-5g/ml，碳纳米管和丙烯酰化改性金刚烷质量比为0.05-0.18:1。
13.进一步，所述气孔调节层具有孔洞，孔洞内壁分布有许多凸起的褶皱，所述褶皱为形状记忆材料；当外界温度变化时，所述褶皱会伸展和收缩从而减小或增大孔洞的大小，进而调节仿生保护外壳内外热交换。
14.更进一步，所述褶皱的材料包括形状记忆聚氨酯、含氟树脂、聚己酸内酯和聚酰胺。
15.本发明所述仿生保护外壳实现自修复和自感知的原理如下：
16.当模拟细胞单元之间的模拟细胞壁因为外力等原因损伤破裂时，模拟细胞单元中的溶液a和溶液b会在破裂处相遇发生相互作用，形成交联甲基丙烯酸明胶，修复后的模拟细胞单元具有弹性、抗疲劳性、可重复性和自愈性。
17.装有溶液a和溶液b的模拟细胞单元两端有连接电极，当模拟细胞单元受到外力时会发生形变，模拟细胞单元的变形会改变其自身的电阻。进一步的当模拟细胞壁因为外力等原因损伤破裂时，模拟细胞单元中的溶液a和溶液b反应修复受损的模拟细胞壁后，也会改变模拟细胞单元自身的电阻，从而使得仿生保护外壳具有自感知的能力。溶液a和溶液b发生反应的电阻变化与模拟细胞单元变形导致电阻变化不相同，通过测量模拟细胞单元上电极的电压变化或者电流变化，可以有效的知道仿生保护外壳的受外力情况以及自身修复情况。
18.气孔调节层上具有孔洞，孔洞内壁分布有许多凸起的褶皱，所述褶皱为形状记忆材料当外界温度变化时，所述褶皱会伸展和收缩从而减小或增大孔洞的大小，进而调节仿生保护外壳内外热交换，从而给保护外壳内部提供一个稳定或者是温差波动小的环境。
19.当温度较低时，形状记忆材料的形状记忆的恢复力较小，气孔调节层的孔洞在整体的挤压下呈现收缩状态，随着温度的升高，形状记忆材料的形状记忆的恢复力逐渐增大，气孔调节层的孔洞也逐渐增大，仿生保护外壳内外热交换加快，当温度降低时，形状记忆材料的形状记忆的恢复力逐渐减小，仿生保护外壳内外热交换减慢。
20.第二方明，本发明提供第一方面所述的仿生保护外壳的制备方法，包括以下步骤：
21.s1:溶液a的制备：将烯酸异氰酸根合乙酯改性的环糊精和碳纳米管在碱性去离子水中混合，超声波处理后，保温一段时间即得；
22.s2：溶液b的制备：将丙烯酰化改性金刚烷和碳纳米管在碱性去离子水中混合超声波处理后，保温一段时间即得；
23.s3：通过三维建模软件对仿生保护外壳进行建模；
24.s4：对模型进行3d打印即得。
25.进一步，所述溶液a的制备温度为30-60℃；所述溶液b的制备温度为30-60℃。
26.进一步，所述三维建模软件包括magics、ug、creo等三维建模软件。
27.进一步，3d打印的参数为层高0.03-0.05mm，速度5-15mm/s。
28.第三方面，本发明提供第一方面所述的仿生保护外壳作为航天器保护外壳、手机外壳和汽车外壳的应用。
29.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的一种仿生保护外壳及其制备方法具有如下有益效果：
30.1)本发明通过仿生皮肤，利用模拟细胞单元中溶液a和溶液b的反应实现修复受损的模拟细胞壁，具有自修复的功能，修复后的模拟细胞单元具有更优异的弹性、抗疲劳性。
31.2)当仿生保护外壳受到外力时会发生变形时、内部出现损伤、内部损伤被修复，其自身的电阻都会发生改变，通过测量仿生保护外壳上的电压变化或者电流变化，可以有效的知道仿生保护外壳的受外力情况以及自身损伤和修复情况。
32.3)本发明中气孔调节层内壁凸起的褶皱，为形状记忆材料，使得褶皱能够张开或闭合，以调节仿生保护外壳内部与外界的热交换。当外界温度变化时，所述褶皱会伸展和收缩从而减小或增大孔洞的大小，进而调节仿生保护外壳内外热交换，从而给保护外壳内部提供一个稳定或者是温差波动小的环境。
附图说明
33.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制。
34.图1是本技术实施例的截面正视图；
35.图2是本技术实施例的结构示意图。
36.图3是实施例1的结构示意图。
37.其中1、气孔调节层，2、保卫层。
具体实施方式
38.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
39.实施例1
40.图1-3示出了一种具有自感知自修复功能的仿生保护外壳，所述仿生保护外壳由保卫层2和气孔调节层1组成，保卫层由无数个模拟细胞单元组成，模拟细胞单元由盛装有溶液a或b的腔体构成，每个模拟细胞单元只和装有另一种溶液的模拟细胞单元相邻；所述模拟细胞单元两端连接有电极。所述气孔调节层布设于保卫层之间，且置于外表面。
41.优选地，所述模拟细胞单元的腔体由掺杂碳纳米管的聚丙烯酸水凝胶构成，其中碳纳米管和水凝胶的质量比为1:9。所述溶液a为丙烯酸异氰酸根合乙酯改性的环糊精和碳纳米管混合溶液，所述溶液b为丙烯酰化改性金刚烷和碳纳米管混合溶液。
42.优选地，所述气孔调节层为仿菠菜表皮气孔微结构，气孔调节层为聚氨酯形状记忆材料。
43.所述仿生保护外壳的制备方法为墨水直写(diw)打印技术，具体步骤如下：
44.s1:溶液a的制备：将烯酸异氰酸根合乙酯改性的环糊精和碳纳米管在30℃碱性去离子水中混合，超声波处理后，保温一段时间得到均匀的溶液a，溶液a的浓度为2g/ml，碳纳
米管和环糊精质量比为0.05；
45.s2：溶液b的制备：将丙烯酰化改性金刚烷和碳纳米管在30℃碱性去离子水中混合超声波处理后，保温一段时间得到溶液b，溶液b的浓度为2g/ml，碳纳米管和金刚烷质量比为0.05。
46.s3：通过magics、ug、creo等三维建模软件对仿生保护外壳进行建模，模型结构图如图3并保存为stl格式文件；
47.s4：将保存的stl格式文件输入至墨水直写3d打印设备(diw)中，打印参数为层高0.05mm，速度5mm/s。
48.实施例2
49.一种具有自感知自修复功能的仿生保护外壳，所述仿生保护外壳由保卫层2、和气孔调节层1组成，保卫层由无数个模拟细胞单元组成，模拟细胞单元由盛装有溶液a或b的腔体构成，每个模拟细胞单元只和装有另一种溶液的模拟细胞单元相邻；所述模拟细胞单元两端连接有电极。所述气孔调节层布设于保卫层之间，且置于外表面。
50.优选地，所述模拟细胞单元的腔体由掺杂碳纳米管的聚丙烯酸水凝胶构成，其中碳纳米管和水凝胶的质量比为1:9。所述溶液a为丙烯酸异氰酸根合乙酯改性的环糊精和碳纳米管混合溶液，所述溶液b为丙烯酰化改性金刚烷和碳纳米管混合溶液。
51.优选地，所述气孔调节层为仿毛茛表皮气孔微结构，气孔调节层为聚己酸内酯形状记忆材料
52.所述仿生保护外壳的制备方法为墨水直写(diw)打印技术，具体步骤如下：
53.s1:溶液a的制备：将烯酸异氰酸根合乙酯改性的环糊精和碳纳米管在30℃碱性去离子水中混合，超声波处理后，保温一段时间得到均匀的溶液a，溶液a的浓度为3g/ml，碳纳米管和环糊精质量比为0.05；
54.s2：溶液b的制备：将丙烯酰化改性金刚烷和碳纳米管在30℃碱性去离子水中混合超声波处理后，保温一段时间得到溶液b，溶液b的浓度为3g/ml，碳纳米管和金刚烷质量比为0.05。
55.s3：通过magics、ug、creo等三维建模软件对仿生保护外壳进行建模，并保存为stl格式文件；
56.s4：将保存的stl格式文件输入至墨水直写3d打印设备(diw)中，打印参数为层高0.05mm，速度5mm/s。
57.实施例3
58.一种具有自感知自修复功能的仿生保护外壳，所述仿生保护外壳由由保卫层2、和气孔调节层1组成，保卫层由无数个模拟细胞单元组成，模拟细胞单元由盛装有溶液a或b的腔体构成，每个模拟细胞单元只和装有另一种溶液的模拟细胞单元相邻；所述模拟细胞单元两端连接有电极。所述气孔调节层布设于保卫层之间，且置于外表面。
59.优选地，所述模拟细胞单元的腔体由掺杂碳纳米管的聚丙烯酸水凝胶构成，其中碳纳米管和水凝胶的质量比为1:9。所述溶液a为丙烯酸异氰酸根合乙酯改性的环糊精和碳纳米管混合溶液，所述溶液b为丙烯酰化改性金刚烷和碳纳米管混合溶液。
60.优选地，所述气孔调节层为仿白菜表皮气孔微结构，气孔调节层为含氟树脂形状记忆材料
61.所述仿生保护外壳的制备方法为墨水直写(diw)打印技术，具体步骤如下：
62.s1:溶液a的制备：将烯酸异氰酸根合乙酯改性的环糊精和碳纳米管在30℃碱性去离子水中混合，超声波处理后，保温一段时间得到均匀的溶液a，溶液a的浓度为3g/ml，碳纳米管和环糊精质量比为0.1；
63.s2：溶液b的制备：将丙烯酰化改性金刚烷和碳纳米管在30℃碱性去离子水中混合超声波处理后，保温一段时间得到溶液b，溶液b的浓度为3g/ml，碳纳米管和金刚烷质量比为0.1。
64.s3：通过magics、ug、creo等三维建模软件对仿生保护外壳进行建模，并保存为stl格式文件；
65.s4：将保存的stl格式文件输入至墨水直写3d打印设备(diw)中，打印参数为层高0.03mm，速度5mm/s。
66.实施例4
67.一种具有自感知自修复功能的仿生保护外壳，所述仿生保护外壳由由保卫层2、和气孔调节层1组成，保卫层由无数个模拟细胞单元组成，模拟细胞单元由盛装有溶液a或b的腔体构成，每个模拟细胞单元只和装有另一种溶液的模拟细胞单元相邻；所述模拟细胞单元两端连接有电极。所述气孔调节层布设于保卫层之间，且置于外表面。
68.优选地，所述模拟细胞单元的腔体由掺杂碳纳米管的聚丙烯酸水凝胶构成，其中碳纳米管和水凝胶的质量比为1:9。所述溶液a为丙烯酸异氰酸根合乙酯改性的环糊精和碳纳米管混合溶液，所述溶液b为丙烯酰化改性金刚烷和碳纳米管混合溶液。
69.优选地，所述气孔调节层为仿茜草表皮气孔微结构，气孔调节层为聚酰胺形状记忆材料
70.所述仿生保护外壳的制备方法为墨水直写(diw)打印技术，具体步骤如下：
71.s1:溶液a的制备：将烯酸异氰酸根合乙酯改性的环糊精和碳纳米管在30℃碱性去离子水中混合，超声波处理后，保温一段时间得到均匀的溶液a，溶液a的浓度为4g/ml，碳纳米管和环糊精质量比为0.05；
72.s2：溶液b的制备：将丙烯酰化改性金刚烷和碳纳米管在30℃碱性去离子水中混合超声波处理后，保温一段时间得到溶液b，溶液b的浓度为3g/ml，碳纳米管和金刚烷质量比为0.05。
73.s3：通过magics、ug、creo等三维建模软件对仿生保护外壳进行建模，并保存为stl格式文件；
74.s4：将保存的stl格式文件输入至墨水直写3d打印设备(diw)中，打印参数为层高0.04mm，速度5mm/s。
75.如图1-3所示，本发明所述的仿生外壳具有三种典型的形状，如带状、方形和环形，该三种形状仅为示例性展示，而实际上仅需要满足气孔调节层布设于保卫层之间，且置于外表面即可，本领域技术人员可进行任意结构的变化。
76.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
77.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，
任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种具有自感知和自修复功能的仿生保护外壳，其特征在于，包括保卫层和气孔调节层；所述保卫层由多个模拟细胞单元组成，模拟细胞单元由盛装有溶液a或b的腔体构成，每个模拟细胞单元只和装有另一种溶液的模拟细胞单元相邻；所述模拟细胞单元两端连接有电极；所述模拟细胞单元的腔体由掺杂碳纳米管的水凝胶构成；所述溶液a为丙烯酸异氰酸根合乙酯改性的环糊精和碳纳米管的混合溶液；所述溶液b为丙烯酰化改性金刚烷和碳纳米管的混合溶液；所述气孔调节层布设于保卫层之间，且置于外表面。2.根据权利要求1所述的仿生保护外壳，其特征在于，掺杂碳纳米管的水凝胶中的水凝胶包括聚丙烯酸类和聚丙烯酰胺类水凝胶。3.根据权利要求1所述的仿生保护外壳，其特征在于，所述溶液a的浓度为1-5g/ml，碳纳米管和丙烯酸异氰酸根合乙酯改性的环糊精的质量比为0.05-0.12:1。4.根据权利要求1所述的仿生保护外壳，其特征在于，所述溶液b的浓度为1-5g/ml，碳纳米管和丙烯酰化改性金刚烷质量比为0.05-0.18:1。5.根据权利要求1所述的仿生保护外壳，其特征在于，所述气孔调节层具有孔洞，孔洞内壁分布有许多凸起的褶皱，所述褶皱为形状记忆材料；当外界温度变化时，所述褶皱会伸展和收缩从而减小或增大孔洞的大小，进而调节仿生保护外壳内外热交换。6.根据权利要求5所述的仿生保护外壳，其特征在于，所述褶皱的材料包括形状记忆聚氨酯、含氟树脂、聚己酸内酯和聚酰胺。7.权利要求1-6任一项所述的仿生保护外壳的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：s1:溶液a的制备：将烯酸异氰酸根合乙酯改性的环糊精和碳纳米管在碱性去离子水中混合，超声波处理后，保温一段时间即得；s2：溶液b的制备：将丙烯酰化改性金刚烷和碳纳米管在碱性去离子水中混合超声波处理后，保温一段时间即得；s3：通过三维建模软件对仿生保护外壳进行建模；s4：对模型进行3d打印即得。8.根据权利要求1所述的仿生保护外壳，其特征在于，所述溶液a的制备温度为30-60℃；所述溶液b的制备温度为30-60℃。9.根据权利要求1所述的仿生保护外壳，其特征在于，3d打印的参数为层高0.03-0.05mm，速度5-15mm/s。10.权利要求1-6任一项所述的仿生保护外壳作为航天器保护外壳、汽车外壳和手机外壳的应用。

技术总结
本发明公开了一种具有自感知和自修复功能的仿生保护外壳，包括仿生保护外壳由保卫层和气孔调节层。保卫层由无数个模拟细胞单元组成，模拟细胞单元中分别装有溶液A和溶液B，且每个模拟细胞单元只和装有另一种溶液的模拟细胞单元相邻。本发明具有如下优点：1.本发明通过仿生皮肤，利用模拟细胞单元中溶液A和溶液B的反应实现修复受损的模拟细胞壁，具有自修复的功能。2.可通过测量仿生保护外壳上的电压变化或者电流变化，有效获知仿生保护外壳的受外力情况以及自身损伤和修复情况。3.本发明中气孔调节层内壁凸起的褶皱通过张开或闭合,以调节仿生保护外壳内部与外界的热交换。以调节仿生保护外壳内部与外界的热交换。以调节仿生保护外壳内部与外界的热交换。


技术研发人员：陈道兵 薛龙建 雷祎凤 肖康健 李刚 刘洪涛 刘胜
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：2023.02.28
技术公布日：2023/6/27