电致动夹持器的制作方法

专利名称：电致动夹持器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电致动夹持器，尤其涉及一种基于碳纳米管的电致动夹持器。
背景技术：
致动器的工作原理为将其它能量转换为机械能，实现这一转换经常采用的途径有 三种通过静电场转化为静电力，即静电驱动；通过电磁场转化为磁力，即磁驱动；利用材 料的热膨胀或其它热特性实现能量的转换，即热驱动。静电驱动的致动器一般包括两个电极及设置在两个电极之间的电致动元件，其工 作过程为在两个电极上分别注入电荷，利用电荷间的相互吸引和排斥，通过控制电荷数量 和电负性来控制电极间电致动元件的相对运动。但是由于静电力反比于电容板之间距离 的平方，因此一般只有在电极间距很小时静电力才比较显著，该距离的要求使该致动器的 结构设计较为复杂。磁驱动的致动器一般包括两个磁极及设置在两个磁极之间的电致动 元件，其工作过程是通过磁场的相互吸引和排斥作用使两磁极之间的电致动元件产生相对 的运动，但是磁驱动的缺点和静电驱动相同，即由于磁场作用范围有限，导致电致动元件的 上下两个表面必须保持较小的距离，该结构的设计要求严格且也限制了该致动器的应用范 围。而利用热驱动的致动器克服了上述静电驱动和磁驱动致动器的缺点，该致动器结 构只要能够保证获得一定的热能就能产生相应的形变，另外，相对于静电力和磁场力，热驱 动力较大。现有技术公开一种电热式致动器，请参阅“基于热膨胀效应的微电热式致动器 进展”，匡一宁等，电子器件，vol 22，pl62(1999)。该电热式致动器采用两片热膨胀系数不 同的金属结合成双层结构作为电致动元件，当通入电流受热时，由于一片金属的热膨胀量 大于另一片，双金属片将向热膨胀量小的一方弯曲。然而，由于上述电致动材料采用金属结 构，形变量小，而且双层金属材料之间的形变量差异也较小，其柔性较差，导致整个电热式 致动器热响应速度较慢。另外，两片金属片还为了紧密结合而需要将两者相互固定的手段。使用上述致动器作为夹持臂的现有夹持装置，不仅存在上述致动器本身的问题， 而且还存在结构设计复杂，使用不方便的问题。

发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种结构简单、响应速度快，并具有柔性的电致动夹持器。—种电致动夹持器，包括一支撑部，以及至少两个间隔设置的电致动夹持臂，所述 至少两个电致动夹持臂通过所述支撑部固定。其中，每一个电致动夹持臂包括一片状柔性 高分子基体以及一碳纳米管膜结构。所述碳纳米管膜结构至少部分包埋于所述柔性高分子 基体一表面，所述碳纳米管膜结构为多个碳纳米管通过范德华力结合而成，所述至少两个 电致动夹持臂具有碳纳米管膜结构的表面间隔相对设置。与现有技术相比较，本发明提供的电致动夹持器，其电致动夹持臂为柔性高分子基体和碳纳米管膜结构构成的复合材料，为一个整体的结构，从而使得该电致动夹持器具 有结构简单的优点，并且还具有较好的柔性。另外，该碳纳米管膜结构包括多个碳纳米管， 该多个碳纳米管由范德华力结合形成一个整体，该多个碳纳米管相互连接并形成导电网 路，使得该电致动夹持臂具有较好的导电性，可以快速加热该电致动夹持臂，使得该电致动 夹持臂也相应具有较高的导电和导热性，且热响应速率较快。


图。

图。
图1为本发明第-图2为本发明第-
-实施例提供的电致动夹持器的立体结构示意图。
-实施例提供的电致动夹持器的电致动夹持臂的立体结构示意
图3为图2所示的电致动夹持器的电致动夹持臂沿III-III线的剖视图。 图4为图2中电致动夹持器的电致动夹持臂中的碳纳米管膜结构的立体结构示意
-实施例提供的电致动夹持器的电致动夹持臂中采用的碳纳米
图5为本发明第-管拉膜的扫描电镜照片。图6为本发明第-管碾压膜的扫描电镜照片。图7为本发明第-管絮化膜的扫描电镜照片。图8为本发明第-动夹持臂。图9为本发明第一实施例提供的电致动夹持器的电致动夹持臂中的一种碳纳米 管膜结构的立体结构示意图，该碳纳米管膜结构中的碳纳米管具特殊的排列方向。图10为本发明第二实施例提供的电致动夹持器的结构示意图。图11为本发明第二实施例提供的电致动夹持器的电致动夹持臂中的另一种碳纳 米管膜结构示意图，该碳纳米管膜结构包括多个第一接电部，和多个第二接电部。
-实施例提供的电致动夹持器的电致动夹持臂中采用的碳纳米
-实施例提供的电致动夹持器的电致动夹持臂中采用的碳纳米
-实施例提供的电致动夹持器中具有包含有导电增强层的电致

图12为本发明第三实施例提供的电致动夹持器的结构示意图。 图13为本发明第四实施例提供的电致动夹持器的结构示意图。 图14为本发明第四实施例提供的电致动夹持器的电致动夹持体的结构示意图。 图15为本发明第第五实施例提供的电致动夹持器的立体结构示意图。 图16为本发明第第五实施例提供的电致动夹持器的平面爆炸结构结构示意图。 主要元件符号说明
10，20 12,22,52 100，200，300， 400,500
碳纳米管122
第一接电部124
第二接电部126
电致动夹持臂 碳纳米管膜结构 电致动夹持器
5
连接部125
导电增强层128
柔性高分子基体14
支撑部30,70,80
支撑臂31
弟 牺311
Λ-Λ- ~·上山 弟J而312
电致动夹持体50
第一侧面54
第二侧面56
导线60
具体实施例方式本发明涉及一种电致动夹持器，其包括一个支撑部，以及至少两个电致动夹持臂。 所述至少两个电致动夹持臂间隔相对设置，所述电致动夹持臂的一端固定于所述支撑部。 该电致动夹持器可以通过电源驱动使所述至少两个相对的电致动夹持臂发生热膨胀形变 从而可以相向弯曲，从而实现夹持物品的功能。本发明的电致动夹持器的电致动夹持臂为片状体或板状体，根据实际需求可以做 成长条型。该电致动夹持臂由柔性高分子基体以及复合在柔性高分子基体表面的碳纳米管 膜结构组成，由于碳纳米管膜结构具有很多的间隙，碳纳米管膜结构可以在所述柔性高分 子基体为液态时设置于柔性高分子基体表面，这样液态的柔性高分子材料渗透进入碳纳米 管膜结构中，从而使得碳纳米管膜结构与柔性高分子基体复合在一起，但碳纳米管膜结构 仍然设置在柔性高分子基体的表面。所述的柔性高分子基体是指该柔性高分子基体比较容 易弯曲，相对于现有技术中的双金属片结构，柔性高分子基体会具有更好的弯曲性能和形 变量。所述碳纳米管膜结构包括大量的相互搭接的碳纳米管，从而可以形成导电通路。当 给该电致动夹持臂通电时，碳纳米管膜结构快速产生热量并将热量传导给高分子基体，由 于夹持臂具有碳纳米管膜结构的一侧的热膨胀系数小于没有碳纳米管的一侧的热膨胀系 数，因此该电致动夹持臂向热膨胀系数小的一面(即具有碳纳米管膜结构的一侧)弯曲。 当两个电致动夹持臂具有碳纳米管膜结构的面相对时，该两个电致动夹持臂将会相向弯曲 运动，从而实现夹持物品的功能。该电致动夹持臂具有非常好的柔性，所述柔性是指其一端 被固定时另一端保持一定的弹性。并且由于该电致动夹持臂为高分子和碳纳米管等材料构 成，因此具有较轻的质量。本发明中的碳纳米管膜结构在所述柔性高分子基体的表面形成连续的导电通路， 使用时，需要保证对整个碳纳米管膜结构进行通电，这样才能够保证碳纳米管膜结构能够 整体发热。碳纳米管膜结构与电源连接的方式可以有多种，只要能够使得整个碳纳米管膜 结构通电发热即可，当该电致动夹持臂通电时，该电致动夹持臂将在其较长的延伸方向上 弯曲。在具体应用中，本发明中的碳纳米管膜结构可设置在所述柔性高分子基体的整个表 面并且两端与电源电连接，优选的为长条形的片材，当该电致动夹持臂通电时，该电致动夹 持臂将在其较长的延伸方向上弯曲，也可以根据实际需要，将该碳纳米管膜结构剪切成各种形状，如U型，Z型，W型，这里用英文字母表示碳纳米管膜结构可以形成各种形状的导电 通路。使用时，需要保证对整个碳纳米管膜结构进行通电，这样才能够保证碳纳米管膜结构 能够整体发热。当然，也可以根据实际需要，将该碳纳米管膜结构剪切成各种形状，本发明 实施例中就给出了一种U型结构的碳纳米管膜结构，这样的结构可以保证从该电致动夹持 臂的一侧通入电流，从而更加方便实际应用。本发明的电致动夹持器，电致动夹持臂要达到夹持目的，其一端必须固定，另一端 相互间隔设置，因此才可以通过所述至少两个电致动夹持臂的相向弯曲实现夹持物体的功 能。所述支撑部主要起到设置并固定所述至少两个电致动夹持臂的作用，因此，所述至少两 个电致动夹持臂于支撑部之间的固定方式不限，只要是能够使得所述至少两个电致动夹持 臂的一端固定，并且间隔设置就可以。所述支撑部可以和所述至少两个电致动夹持臂一体 成型设置，也可以分开形成。比如，所述支撑部可以包括至少两个支撑臂，每一个支撑臂对 应一个电致动夹持臂。该支撑臂主要用于固定所述电致动夹持臂的一端。使用时，可以通 过移动支撑臂移动该电致动夹持器，用以对准目标物。该支撑臂根据电致动夹持臂的数量 提供相等数量的相互独立的支撑臂或者将一个支撑臂可以设置成分叉形状。比如可以提供 设置有两个分叉的Y字型支撑臂。将两个所述电致动夹持臂分别设置于所述支撑臂相互 间隔的一端，并且使所述两个电致动夹持臂的形成有碳纳米管膜结构的面相对，当给这两 个电致动夹持臂通电时，这两个电致动夹持臂将相向弯曲，从而可以用于夹持物品。比如可 以提供设置有多个分叉的抓手形状的支撑臂，每一个支撑臂的一端均设置一个电致动夹持 臂，该多个夹持臂相互间隔，形成一手状的电致动夹持器，用于夹持物品。当然，本领域技术 人员可以在本发明说明书的基础上，组合出来各种夹持装置，其基本原理，功能都在本发明 说明书记载的范围内，都应属于本发明的保护范围。所述电致动夹持器还需要导线若干，用于给所述电致动夹持臂通电。给所述电致 动夹持臂通电的导电线路可以沿支撑臂外表面设置，并通过电致动夹持臂固定在支撑部的 一端给电致动夹持臂通电。另外，也可以在支撑臂内设置走线通道等，使导电线路从支撑臂 内部走线，然后再给所述电致动夹持臂固定在支撑部的一端通电。更进一步的，还可以将电 致动支撑部的支撑臂与电致动夹持臂连接的一端设置卡槽，卡槽内设置电极，将所述电致 动夹持臂的一端直接采用卡扣的形式固定在所述卡槽内，使得该电致动夹持器具有装卸简 单，方便的优点，更加有利于实际应用。可以理解，本领域技术人员可以根据需要设置本发 明的电致动夹持臂与支撑部的连接方式，所有连接方式均在本发明保护的范围之内。本发明提供的电致动夹持器，其夹持臂采用了由高分子基体和碳纳米管膜结构复 合形成的电致动夹持臂作为基本夹持元件，从而具有结构简单的优点，尤其两个材料复合 为一整体结构，无需额外的固定手段。另外，当碳纳米管膜结构靠近高分子基体的表面，设 置于柔性高分子基体之中时，该柔性高分子基体为绝缘材料时，该电致动夹持器还可以在 水中应用。所述碳纳米管膜结构为由多个碳纳米管由范德华力结合形成一个纯碳纳米管组 成的整体结构，该多个碳纳米管相互连接并形成导电网路，纯碳纳米管膜结构具有较好的 导电性，可以快速加热电致动夹持臂，从而使其具有较快的响应速度。以下将结合附图以具体实施例来详细说明本发明提供的电致动夹持器。请参考图1，本发明第一实施例提供一种电致动夹持器100，该电致动夹持器100 包括一个支撑部30、两个电致动夹持臂10以及若干导线60。所述支撑部30具有两个支撑臂31，所述支撑臂31具有一个第一端311，和一个第二端312。所述两个支撑臂31的第一 端311间隔设置，所述两个支撑臂31的第二端312相互连接，所述两个支撑臂的第二端312 可以一体成型或通过粘结剂粘结在一起。所述两个电致动夹持臂10分别设置于所述两个 支撑臂31的第一端311，并且间隔相对设置。所述导线60固定在所述支撑臂31，并与所述 电致动夹持臂10电连接，用于给所述电致动夹持臂10通电。所述支撑臂31为条形的棒状物，由硬质材料构成，如金属、塑料、木材或玻璃等。 当所述支撑臂31的材料为金属时，可以在该支撑臂31的表面形成一层绝缘材料，从而避免 所述电致动夹持臂10短路。所述支撑臂31可以为具有一定厚度的长条形片材，所述电致 动夹持臂10可以通过粘结剂，或者是胶带粘附在所述支撑臂31的第一端311，所述两个支 撑臂31的第二端312可以通过粘结剂粘附在一起，或者通过螺丝或螺栓固定在一起，还可 以通过一体成型的方法，获得两个第二端312连接在一起的两个支撑臂31，即Y型支撑部 30。所述支撑臂31还可以为空心管状体，该空心管的中空部分可以设置导线60，导线60从 所述支撑臂31的第二端312进入所述空心管状体，在所述支撑臂31的第一端311穿出所 述空心管状体，用于连接到所述电致动夹持臂10，并给所述电致动夹持臂10通电，从而控 制该电致动夹持臂10弯曲。本实施例中，所述支撑臂31为长条形的塑料棒，长度约10厘 米，宽度为1厘米，所述电致动夹持臂10通过胶水粘结在所述支撑臂的第一端311。请一并参考图2及图3，所述电致动夹持臂10为片材，其包括一柔性高分子基体 14，以及一碳纳米管膜结构12。所述碳纳米管膜结构12与所述柔性高分子基体14具有不 同的热膨胀系数，其中，所述碳纳米管膜结构12靠近柔性高分子基体14的一表面设置，至 少部分包埋于所述柔性高分子基体14中，优选地，所述碳纳米管膜结构12完全设置于柔性 高分子基体14中，并且靠近所述柔性高分子基体的一表面设置。所述碳纳米管膜结构12为 多个碳纳米管122通过范德华力结合而成。而所述两个电致动夹持臂10的具有碳纳米管 膜结构12的表面向相间隔设置。上述碳纳米管膜结构12靠近所述柔性高分子基体14的 表面设置，指的是该碳纳米管膜结构12没有设置于柔性高分子基体14的中间，也就是说碳 纳米管膜结构12在柔性高分子基体14中在其厚度方向上并不是对称的，正是这样设置，才 使得该电致动夹持臂10在其厚度方向上的热膨胀系数不相同，碳纳米管膜结构12的热膨 胀系数小于柔性高分子基体14的热膨胀系数，从而当给碳纳米管膜结构12通电发热，使柔 性高分子基体14膨胀时，该电致动夹持臂10才会向具有碳纳米管膜结构12的一面弯曲。 本实施例中的电致动夹持臂10为长6厘米，宽1厘米，厚度1毫米的长方体片材，其中碳纳 米管膜结构的厚度约为100微米。所述柔性高分子基体14为具有一定厚度的片材，该片材的形状不限，可以为长方 形、圆形，或根据实际应用制成各种形状。所述柔性高分子基体14为柔性材料构成，该柔性 材料为绝缘材料，只要具有柔性并且热膨胀系数大于碳纳米管膜结构12即可。所述柔性高 分子基体14的材料为硅橡胶、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨脂、环氧树脂、聚丙烯酸乙酯、聚丙 烯酸丁酯、聚苯乙烯、聚丁二烯、聚丙烯腈、聚苯胺、聚吡咯及聚噻吩等中的一种或几种的组 合。本实施例中，所述柔性高分子基体14为一硅橡胶薄膜，该硅橡胶薄膜为厚度约为5毫 米厚的一长方形薄片，长为6厘米，宽为1厘米。该碳纳米管膜结构12平行于所述柔性高分子基体14并铺设于柔性高分子基体14 的一表面。该碳纳米管膜结构12是由多个碳纳米管122通过范德华力结合构成，多个碳纳米管122之间存在间隙。该碳纳米管膜结构12是在柔性高分子基体14未完全固化呈粘稠 的液态时铺设于该柔性高分子基体14的表面，因此液态的柔性高分子基体材料可以渗透 进入该碳纳米管膜结构12中的碳纳米管122之间的间隙当中，该柔性高分子基体14的材 料与碳纳米管膜结构12中的碳纳米管122紧密结合在一起。所述碳纳米管膜结构12与柔 性高分子基体14接触的表面部分包埋于所述柔性高分子基体14中，所述碳纳米管膜结构 12也可以完全设置于所述柔性高分子基体14中，但仍然靠向整个柔性高分子基体14的一 表面设置。由于液态的柔性高分子基体材料可以渗透进入该碳纳米管膜结构12中的碳纳 米管122之间的间隙当中，从而碳纳米管膜结构12可以很好地被固定在该柔性高分子基体 14的表面，与该柔性高分子基体14具有很好的结合性能，碳纳米管膜结构12与柔性高分子 基体14形成一个具有整体结构的复合材料。该电致动夹持臂10不会因为多次使用，影响 碳纳米管膜结构12与柔性高分子基体14之间界面的结合性。该碳纳米管膜结构12的厚 度远小于与柔性高分子基体14的厚度，且该碳纳米管膜结构12靠近该柔性高分子基体14 的一表面设置，从而使得该电致动夹持臂10具有一非对称结构。该碳纳米管膜结构12与 该柔性高分子基体14的厚度比为1 5 1 200，优选地该碳纳米膜结构12与柔性高分 子基体14的厚度比为1 20 1 25。本发明中的碳纳米管膜结构12可以为各种形状，优选的为长条形的片材，当该给 碳纳米管膜结构12通电时，该电致动夹持臂10将在其较长的延伸方向上弯曲。请参见图 4，本实施例中，所述碳纳米管膜结构12呈U形，即该碳纳米管膜结构12包括一第一接电 部124，一第二接电部126以及一连接部125。所述第一接电部124、第二接电部126以及 连接部125均为长条形或者为带状。所述连接部125连接所述第一接电部124和第二接电 部126，从而形成一弯折延伸的长条形整体结构。所述第一接电部124和第二接电部126相 互间隔设置并位于所述连接部125的同一侧，从而形成U形的导电通路。碳纳米管膜结构 12中的碳纳米管相互结合形成一个整体，该碳纳米管膜结构12是以一个整体的形成复合 于所述柔性高分子基体14的一个表面，并被柔性高分子基体14包裹其中。当所述电致动 夹持臂10设置于所述支撑臂31的第一端311时，所述连接部125要远离所述第一端311。 所述电致动夹持臂10中所述第一接电部124以及第二接电部126，远离所述连接部125的 一端靠近所述支撑臂31的第一端311。使用时，可以通过两个导线，分别与所述第一接电 部124以及所述第二接电部126的远离所述连接部125的一端电连接，然后与外界电源电 连接，电流通过所述第一接电部124、连接部125及第二接电部126，从而电能转换成热能传 递至电致动夹持臂10内，使所述两个电致动夹持臂10形成有连接部125的一侧将相向弯 曲，从而可以实现夹持功能。所述碳纳米管膜结构12为将一个碳纳米管膜或多个碳纳米管膜重叠后剪切形 成。例如，可以将多个碳纳米管膜相互层叠设置后，再将其剪切从而获得一个U形片状结构 的碳纳米管膜结构12。该碳纳米管膜可以为碳纳米管拉膜、碳纳米管碾压膜、碳纳米管絮化 膜中的一种或多种的组合。请参阅图5，所述碳纳米管拉膜包括多个碳纳米管，且该多个碳纳米管基本相互平 行且平行于碳纳米管拉膜的表面。具体地，该碳纳米管膜中的多个碳纳米管通过范德华力 首尾相连，且所述多个碳纳米管的轴向基本沿同一方向择优取向排列，也就是说碳纳米管 首尾相连沿着碳纳米管膜延伸的方向定向排列。所述碳纳米管拉膜之中的碳纳米管之间存在间隙，当使用该多个碳纳米管拉膜层叠后剪切制成的碳纳米管膜结构12与柔性高分子 基体14结合时，该多个碳纳米管拉膜可以交叉后重叠，从而使得剪切后获得的碳纳米管膜 结构12中的碳纳米管交叉排列；另外，还可以使该多个碳纳米管拉膜平行重叠，从而使剪 切后获得的碳纳米管膜结构12中的碳纳米管的轴向基本沿同一方向择优取向排列。该碳 纳米管拉膜的厚度为0. 01微米 100微米，其中的碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米 管及多壁碳纳米管中的一种或几种。当该碳纳米管膜中的碳纳米管为单壁碳纳米管时，该 单壁碳纳米管的直径为0. 5纳米 10纳米。当该碳纳米管膜中的碳纳米管为双壁碳纳米 管时，该双壁碳纳米管的直径为1. 0纳米 20纳米。当该碳纳米管膜中的碳纳米管为多壁 碳纳米管时，该多壁碳纳米管的直径为1. 5纳米 50纳米。所述碳纳米管拉膜的面积不限， 可根据实际需求制备。请参阅图6，所述碳纳米管碾压膜包括均勻分布的碳纳米管。所述碳纳米管无序排 列，或者沿同一方向或不同方向择优取向排列。所述碳纳米管碾压膜中的碳纳米管相互部 分交叠，并通过范德华力相互吸引，紧密结合，使得该碳纳米管碾压膜具有很好的柔韧性， 可以弯曲折叠成任意形状而不破裂。且由于碳纳米管碾压膜中的碳纳米管之间通过范德华 力相互吸引，紧密结合，使碳纳米管碾压膜为一自支撑的结构。所述碳纳米管碾压膜可通过 碾压一碳纳米管阵列获得。所述碳纳米管碾压膜中的碳纳米管与形成碳纳米管阵列的生长 基底的表面形成一夹角β，其中，β大于等于0度且小于等于15度β <15° )，该 夹角β与施加在碳纳米管阵列上的压力有关，压力越大，该夹角越小，优选地，该碳纳米管 碾压膜中的碳纳米管平行于该生长基底排列。该碳纳米管碾压膜为通过碾压一碳纳米管阵 列获得，依据碾压的方式不同，该碳纳米管碾压膜中的碳纳米管具有不同的排列形式。当沿 不同方向碾压时，碳纳米管沿不同方向择优取向排列。当沿同一方向碾压时，碳纳米管沿一 固定方向择优取向排列。另外，当碾压方向为垂直该碳纳米管阵列表面时，该碳纳米管可以 无序排列。该碳纳米管碾压膜中碳纳米管的长度大于50微米。该碳纳米管碾压膜的面积和厚度不限，可根据实际需要选择。该碳纳米管碾压膜 的面积与碳纳米管阵列的尺寸基本相同。该碳纳米管碾压膜厚度与碳纳米管阵列的高度以 及碾压的压力有关，可为1微米 1毫米。可以理解，碳纳米管阵列的高度越大而施加的 压力越小，则制备的碳纳米管碾压膜的厚度越大；反之，碳纳米管阵列的高度越小而施加的 压力越大，则制备的碳纳米管碾压膜的厚度越小。所述碳纳米管碾压膜之中的相邻的碳纳 米管之间具有一定间隙，从而在碳纳米管碾压膜中形成多个孔隙，孔隙的孔径约小于10微 米。请参阅图7，所述碳纳米管絮化膜包括多个相互缠绕且均勻分布的碳纳米管。碳 纳米管的长度大于10微米，优选为200 900微米，从而使所述碳纳米管相互缠绕在一起。 所述碳纳米管之间通过范德华力相互吸引、缠绕，形成网络状结构，以形成一自支撑的碳纳 米管絮化膜。所述碳纳米管絮化膜各向同性。所述碳纳米管絮化膜中的碳纳米管为均勻分 布，无规则排列，形成大量的孔隙结构，孔隙孔径约小于10微米。所述碳纳米管絮化膜的长 度和宽度不限。由于在碳纳米管絮化膜中，碳纳米管相互缠绕，因此该碳纳米管絮化膜具有 很好的柔韧性，且为一自支撑结构，可以弯曲折叠成任意形状而不破裂。所述碳纳米管絮化 膜的面积及厚度均不限，厚度为1微米 1毫米，优选为100微米。请参阅图4，本实施例中，所述碳纳米管膜结构12优选为多个碳纳米管拉膜相互层叠后再剪切形成U形结构。该多个相互层叠的碳纳米管拉膜中，碳纳米管122的轴向具 有相同的择优取向，即该碳纳米管膜结构12中的碳纳米管122的轴向基本沿通一方向择优 取向排列。当剪切多个相互层叠的碳纳米管膜时，要使得形成的碳纳米管膜结构12中的第 一接电部124与第二接电部126沿着碳纳米管膜结构12中的碳纳米管122的择优取向排 列方向延伸。本实施例中，该碳纳米管膜结构12的长度为6厘米，宽度为1厘米，其中所述 第一接电部124，和第二接电部126均为长条带状，其长度为5厘米，宽度为0. 4厘米，第一 接电部124和第二接电部126之间的间隙的宽度为0. 2厘米，所述连接部125为边长为1 厘米的正方形片材。该碳纳米管膜结构12是由10层碳纳米管拉膜沿着相同的碳纳米管的 排列方向重叠后，用剪刀裁减而成，该碳纳米管膜结构12的厚度是100微米。并且，该碳纳 米管膜结构12中的碳纳米管122沿着第一接电部124和第二接电部126延伸的方向首尾 相连，定向排列。所述电致动夹持臂10在应用时，将电压通过所述碳纳米管膜结构12的第一接电 部124和第二接电部126施加于该电致动夹持臂10，电流可通过所述碳纳米管膜结构12中 通过范德华力相互结合的碳纳米管122所形成的导电网络进行传输。由于碳纳米管122的 热导率很高，当给碳纳米管膜结构12通电后，碳纳米管膜结构12迅速升温，从而使得所述 电致动夹持臂10的温度快速升高，热量从所述电致动夹持臂10中碳纳米管122的周围快 速地向整个电致动夹持臂10扩散，即碳纳米管膜结构12可迅速加热柔性高分子基体14。 由于热膨胀量与材料的体积及热膨胀系数成正比，且本实施例的电致动夹持臂10由两层 具有不同热膨胀系数的具有碳纳米管膜结构12的一侧和没有碳纳米管膜结构12的一侧复 合而成，而具有碳纳米管膜结构12的一侧热膨胀系数远小于所述柔性高分子基体14的热 膨胀系数，从而使得加热后的电致动夹持臂10将向热膨胀系数小的具有碳纳米管膜结构 12的面弯曲。由于碳纳米管膜结构12中的第一接电部124和第二接电部126间隔设置于 连接部125的同一侧，当该电致动夹持臂10的第一接电部124和第二接电部126的一端固 定时，所述电致动夹持臂10具有连接部125的一端向设有碳纳米管膜结构12的表面的方 向弯曲。由于碳纳米管膜结构12中的第一接电部124和第二接电部126设置于连接部125 的同一侧，从而该电致动夹持臂10可以实现在所述电致动夹持臂10的一侧控制另一侧的 弯曲运动，可以使该电致动夹持臂10在实际应用中具有更广泛的应用。此外，由于碳纳米 管122具有导电性好、热容小的特点，所以使该电致动夹持臂10的热响应速率快。因此，采 用该电致动夹持臂10的电致动夹持器100也具有快的响应速率。可以理解，本发明实施例中的柔性高分子基体14可以设置成与所述碳纳米管膜 结构12形状相同的U形片状材料。该碳纳米管膜结构12平行于所述柔性高分子基体14 并铺设于柔性高分子基体14的表面，从而形成一具有U形片状结构的电致动夹持臂10。请参阅图8，可以理解，为了提高本发明电致动夹持臂10的碳纳米管膜结构12的 连接部125的导电性，可以在碳纳米管膜结构12的连接部125远离所述第一接电部124及 第二接电部126的一侧设置一导电增强层128，该导电增强层128至少部分覆盖所述连接 部125，导电增强层128增强了所述连接部125的导电能力，降低了连接部125的电阻，从而 进一步提高了该电致动夹持臂10的热响应速率。该导电增强层可以为金属材料，如金、钼、 钯、银、铜、铁、镍等导电性较好的金属，可以通过沉积的方法将一金属材料沉积在所述连接 部125，形成一定厚度的金属薄膜。该导电增强层也可以为导电胶，如银胶，通过印刷的方法形成。请参阅图9，本发明第一实施例中的电致动夹持臂10碳纳米管膜结构12中的碳纳 米管122首尾相连沿着由第一接电部124到连接部125，再到第二接电部126排列。本实施 例的电致伸缩材料可以将图5所示的碳纳米管拉膜直接连续铺设在液态柔性高分子基体 14表面依次形成连续的第一接电部124，连接部125以及第二接电部126。由于碳纳米管拉 膜中的碳纳米管具有相同的择优取向排列方向，该碳纳米管膜中的多个碳纳米管通过范德 华力首尾相连，且所述多个碳纳米管的轴向基本沿同一方向择优取向排列，从而本实施例 的电致动夹持臂10中的碳纳米管膜结构12中的碳纳米管122沿着由第一接电部124，连接 部125及第二接电部126的方向首尾相连排列。由于碳纳米管122轴向的导电性较强，该 电致动夹持臂10由第一接电部124到第二接电部126的电阻较小，从而进一步提高了该电 致动夹持臂10的热响应速率。请参阅图10及图11，本发明第二实施例提供一种电致动夹持器200，该电致动夹 持器200与第一实施例的电致动夹持器100结构基本相同。区别在于，本实施例中的电致动 夹持器200中的电致动夹持臂20的碳纳米管膜结构22包括多个第一接电部124及多个第 二接电部126，该多个第一接电部124与该多个第二接电部126交替间隔设置于连接部125 的同一侧。使用时，使所述多个第一接电部124远离所述连接部125的一端通过导线60连 接电源的正极，使所述多个第二接电部126远离所述连接部125的一端通过导线60连接电 源的负极，从而通过连接部125使得整个碳纳米管膜结构12中形成回路。采用包括多个第 一接电部124及多个第二接电部126的碳纳米管膜结构12的电致动夹持臂10，可以降低该 电致动夹持臂10的驱动电压，有利于实际应用。另外，由于该电致动夹持臂20包括多个第 一接电部124及多个第二接电部126，其可以具有更大的面积，本实施例中的电致动夹持器 200可以用于夹持长条形，或柱状的物体。请参阅图12，本发明第三实施例提供一种电致动夹持器300，该电致动夹持器300 的结构和第一实施例中的电致动夹持器100结构类似。区别在于，该电致动夹持器200的 支撑部70具有多个支撑臂31，和多个电致动夹持臂10。其中每一个电致动夹持臂10对应 一个支撑臂31设置，所述多个电致动夹持臂10间隔设置，并且电致动夹持器10形成有碳 纳米管膜结构12的表面向内相对，围成一个空间，该空间与被夹持物相对应。本发明第三 实施例提供的电致动夹持器300，包括多个电致动夹持臂10，可以具有更宽的应用范围。请参阅图13，本发明第四实施例的电致动夹持器400，其结构与第三实施例中的 电致动夹持器300相类似。区别在于，电致动夹持器400的多个电致动夹持臂10为通过一 体成型的方式形成一个具有整体结构的一体式电致动夹持体50。请参见图14，该电致动夹持体50具有一个第一侧面54，以及一个与该第一侧面54 相对的第二侧面56。所述电致动夹持体50为片材，其包括一柔性高分子基体14，以及一 碳纳米管膜结构52设置于该柔性高分子基体14表面。该碳纳米管膜结构52是在柔性高分 子基体14未完全固化呈粘稠的液态时铺设于该柔性高分子基体14的表面，因此液态的柔 性高分子基体材料可以渗透进入该碳纳米管膜结构52中的碳纳米管122之间的间隙当中， 该柔性高分子基体14的材料与碳纳米管膜结构52中的碳纳米管122紧密结合在一起。该 碳纳米管膜结构52包括偶数个第一接电部124，和偶数个第二接电部126，第二接电部126 以及连接部125，均为长条形。所述第一接电部124和所述第二接电部126间隔交替设置，
12并且每两个相邻的第一接电部124和第二接电部126在第一侧面54或第二侧面56通过连 接部125电连接，形成一个U形的导电通路。从而整个碳纳米管膜结构52中的多个第一接 电部124和第二接电部126能够形成一个完整的导电通路，使用时，只要在第二侧面56，使 第一个第一接电部124和最后一个第二接电部126连接电源的两个电极，就可以给整个碳 纳米管膜结构52通电。每两个在所述第一侧面54电连接的第一接电部124和第二接电部 126可以定义为一个电致动夹持臂10，相邻的电致动夹持臂10之间除在第二侧面56电连 接的部分具有柔性高分子基体14外，其他的部分无柔性高分子基体14存在，从而所述一体 式电致动夹持体50具有的多个电致动夹持臂10仅仅在第二侧面56相互连接形成一个整 体结构。本实施例中，共有6个第一接电部124，和6个第二接电部126，从而形成6个电致 动夹持臂10，使用时，使形成有碳纳米管膜结构52的表面向内，该电致动夹持体50卷曲成 圆筒状，所述电致动夹持体50的第二侧面56固定于所述支撑部70，从而使得所述多个电致 动夹持臂10间隔设置，并且形成有碳纳米管膜结构52的表面向内，围成一个夹持空间。请参见图15，本发明第五实施例的电致动夹持器500，其结构与第四实施例的电 致动夹持器400相类似，本实施例中电致动夹持器500主要特点是电致动夹持体50与支撑 部80整合为一体结构。请参见图16，图16为本发明第五实施例的电致动夹持器500的平面爆炸结构示 意图。该电致动夹持器500是在一个整体的高分子基体的基础上分为两个区域，即第一区 域和第二区域，其材料与前述实施例相同。第一区域形成多个电致动夹持臂10，而第二区 域形成支撑部80。第一区域整体上呈正方形，通过剪切等方式形成具有多个电致动夹持臂 10的电致动夹持体50，然后每一个电致动夹持臂10的基体上与前述实施例相同的方式设 置U形碳纳米管膜结构。第二区域呈梯形，其长边与第一区域衔接，短边远离第一区域方向 设置。其中，根据实际需求可以设置成第二区域的厚度大于第一区域的厚度。将所述第一 区域和第二区域一同向设有碳纳米管膜结构52的一面卷曲成圆筒状时，第一区域卷曲成 为筒状电致动夹持体50，第二区域卷曲成为锥形支撑部80，从而获得一个一体成型的电致 动夹持器500。两根导线60分别连接在所述电致动夹持体50的一个第一接电部124，和一 个第二接电部126的靠近所述第二区域的一端，需要保证整个电致动夹持体50的碳纳米管 膜结构52都能通电。请参见图15，所述两根导线60可以通过支撑部的一端伸出，从而与电 源相连接。与现有技术相比较，本发明提供的电致动夹持器，其包括至少两个间隔设置的支 撑臂，以及至少两个电致动夹持臂。所述电致动夹持臂为柔性高分子基体和碳纳米管膜结 构构成的复合材料，具有完整的结构，从而使得该电致动夹持器具有结构简单的优点。另 外，该碳纳米管膜结构包括多个碳纳米管，该多个碳纳米管由范德华力结合形成一个整体， 该多个碳纳米管相互连接并形成导电网路，使得该电致动夹持臂具有较好的导电性，可以 快速加热该电致动夹持臂，使得该电致动夹持臂也相应具有较高的导电和导热性，且热响 应速率较快。另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化，当然，这些依据本发明 精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
权利要求
一种电致动夹持器，其包括一支撑部，以及至少两个间隔设置的电致动夹持臂，所述至少两个电致动夹持臂通过支撑部固定，其特征在于，每一个电致动夹持臂包括一片状柔性高分子基体以及一碳纳米管膜结构，所述碳纳米管膜结构至少部分包埋于所述柔性高分子基体一表面，所述碳纳米管膜结构为多个碳纳米管通过范德华力结合而成，所述至少两个电致动夹持臂具有碳纳米管膜结构的表面间隔相对设置。
2.如权利要求1所述的电致动夹持器，其特征在于，所述碳纳米管膜结构为将一个碳 纳米管膜或多个层叠的碳纳米管膜剪切形成。
3.如权利要求2所述的电致动夹持器，其特征在于，所述碳纳米管膜包括多个碳纳米 管，该碳纳米管膜中的多个碳纳米管通过范德华力首尾相连，所述多个碳纳米管的轴向基 本沿同一方向择优取向排列。
4.如权利要求3所述的电致动夹持器，其特征在于，所述碳纳米管膜结构包括至少一 第一接电部、至少一第二接电部及一个连接部，所述至少一第一接电部及所述至少一第二 接电部为长条形，所述至少一第一接电部与至少一第二接电部相互间隔设置并位于所述连 接部的同一侧，所述至少一连接部连接所述第一接电部和第二接电部而形成长条状导电通 路，所述至少两个电致动夹持臂具有碳纳米管膜结构的表面相互间隔相对，所述电致动夹 持臂的与所述连接部相对的一端固定于所述支撑体。
5.如权利要求4所述的电致动夹持器，其特征在于，所述至少一第一接电部与至少一 第二接电部的延伸方向与碳纳米管膜结构中的碳纳米管的择优取向排列方向相同。
6.如权利要求4所述的电致动夹持器，其特征在于，所述电致动夹持臂进一步包括一 导电增强层，该导电增强层设置于所述碳纳米管膜结构的连接部以增强所述连接部的导电 性。
7.如权利要求6所述的电致动夹持器，其特征在于，该导电增强层的材料为银胶。
8.如权利要求4所述的电致动夹持器，其特征在于，所述多个碳纳米管首尾相连沿着 由至少一第一接电部到连接部，再到至少一第二接电部方向排列。
9.如权利要求2所述的电致动夹持器，其特征在于，所述碳纳米管膜包括均勻分布的 碳纳米管，所述碳纳米管无序排列，或沿多个不同方向择优取向排列。
10.如权利要求2所述的电致动夹持器，其特征在于，所述碳纳米管膜中的碳纳米管之 间通过范德华力相互吸引、缠绕，形成网络状结构。
11.如权利要求1所述的电致动夹持器，其特征在于，所述碳纳米管膜结构的该碳纳米 管膜结构与该柔性高分子基体的厚度比为1 5 1 200。
12.如权利要求1所述的电致动夹持器，其特征在于，所述碳纳米管膜结构中的多个碳 纳米管之间存在间隙，所述柔性高分子基体的部分材料渗透进入所述间隙当中，使得柔性 高分子基体与碳纳米管膜结构紧密结合。
13.如权利要求1所述的电致动夹持器，其特征在于，所述碳纳米管膜结构全部包埋于 柔性高分子基体中，并靠近所述柔性高分子基体的一表面。
14.如权利要求1所述的电致动夹持器，其特征在于，所述柔性高分子基体的材料为硅 橡胶、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨脂、环氧树脂、聚丙烯酸乙酯、聚丙烯酸丁酯、聚苯乙烯、聚丁 二烯、聚丙烯腈、聚苯胺、聚吡咯及聚噻吩中的一种或几种的组合。
15.如权利要求1所述的电致动夹持器，其特征在于，所述支撑部包括至少两个间隔设置的支撑臂，以及至少两个电致动夹持臂，每一个电致动夹持臂对应一个支撑臂，设置于该 支撑臂的一端，并且所述连接部远离所述支撑臂。
16.如权利要求1所述的电致动夹持器，其特征在于，所述碳纳米管膜结构在所述柔性 高分子基体的一表面形成连续的导电通路。
17.如权利要求16所述的电致动夹持器，其特征在于，所述碳纳米管膜结构设置于所 述柔性高分子基体的整个表面。
18.—种电致动夹持器，其包括一支撑部，以及多个间隔设置的电致动夹持臂，所述多 个电致动夹持臂通过支撑部固定，其特征在于，所述多个电致动夹持臂一体成型形成一个 电致动夹持体，该电致动夹持体具有一个第一侧面，以及一个与该第一侧面相对的第二侧 面，所述第二侧面固定于所述支撑部，该电致动夹持体包括一个柔性高分子基体，其中，所 述碳纳米管膜结构至少部分包埋于所述柔性高分子基体一表面，所述碳纳米管膜结构为多 个碳纳米管通过范德华力结合而成。
19.如权利要求18所述的电致动夹持器，其特征在于，所述碳纳米管膜结构包括多个 第一接电部，多个第二接电部，以及多个连接部，所述第一接电部和所述第二接电部间隔交 替设置，并且每两个相邻的第一接电部和第二接电部在第一侧面或第二侧面通过连接部电 连接，形成一个连续的导电通路，一个第一接电部和一个相邻的第二接电部通过设置于第 一端的连接部构成一个电致动夹持臂。
20.如权利要求19所述的电致动夹持器，其特征在于，所述支撑部与所述电致动夹持 体一体成型，形成一个整体结构。
全文摘要
一种电致动夹持器，包括一支撑部，至少两个间隔设置的电致动夹持臂，所述至少两个电致动夹持臂通过支撑部固定。其中，每一个电致动夹持臂包括一片状柔性高分子基体以及一碳纳米管膜结构，其中，所述碳纳米管膜结构至少部分包埋于所述柔性高分子基体一表面，所述碳纳米管膜结构为多个碳纳米管通过范德华力结合而成，所述至少两个电致动夹持臂具有碳纳米管膜结构的表面间隔相对。所述电致动夹持器可应用于仿生领域，如机器人的手。
文档编号B25B11/00GK101913130SQ201010262569
公开日2010年12月15日 申请日期2010年8月25日 优先权日2010年8月25日
发明者刘长洪, 范守善, 陈鲁倬 申请人:清华大学;鸿富锦精密工业(深圳)有限公司