一种在热激发下自动定向折叠的薄膜结构的制作方法

本发明涉及各向同性热变形材料领域。

背景技术：

折纸型蜂窝状结构以及薄膜超材料的低成本连续制备急需一种能够利用各向同性热变形材料以及现有的自动化生产工艺实现折痕位置和折叠方向的精确控制的新型可变形薄膜。

近年来，研究者提出了有多种能在热激发下自动折叠变形的智能材料，其变形往往利用材料的形状记忆效应、热胀冷缩或应力松弛。其基本原理类似于双金属片，即当一层热变形材料与一层尺寸相对稳定的基底材料固结时，热变形，如热致收缩将使材料弯曲。这种方法的问题在于：当运用于弯曲刚度为各向同性的基底，如均质薄膜基底时，若热变形材料的热致收缩也为各向同性，则材料的弯曲方向不可控制，无法实现可控折叠；若采用各向异性的热变形材料，如单向收缩的热缩膜，则能够实现精确折叠，但需要控制材料在每一折痕处的取向，使制备过程繁琐，不适合折痕复杂、数量多的情况。

迄今为止，出现了若干能够克服该问题的技术方案。如timothyg.leong等人于2008年提出一种采用气相沉积、电镀以及光刻法在硅基板表面制备多层金属、树脂结构。与硅基板脱离后，对结构加热软化树脂，可使金属层由于气相沉积过程中产生的各向同性内应力而弯折。折痕的位置受控于电镀层金属所导致的弯曲刚度的各向异性。该方法成本高，且仅适用于制备毫米-微米级的小尺寸器件。jennieryu等人于2012年提出在有预应力的树脂薄板上涂覆深色条纹，并用光照加热使条纹处温度升高，使树脂薄板与条纹接触的一面发生应力松弛从而驱动弯折。升温所致的局部软化带来弯曲刚度的各向异性使结构沿条纹弯折。该方法的问题在于树脂薄板的弯折依赖于厚度方向上的温度梯度，因而不适用于薄膜材料和长时间加热的情况。jun-heena等人于2015年提出将一层热收缩树脂薄膜粘于两层高刚度树脂薄膜之间，并在一侧的高刚度薄膜上开出缝隙。温度升高时，中间层的收缩应变在缝隙处释放从而驱动弯折，由于开槽使薄膜弯曲刚度呈现局部各向异性，因而薄膜沿开槽弯折。该方法的问题在于，整个结构需要2-3层薄膜，因此结构质量大，并且加热后整张热收缩薄膜各处均形成内应力，在无折痕的位置将产生无法释放的内应力，对材料的寿命和可靠性带来影响。

以上技术方案均通过在折痕以外的广大的基底部分实现弯曲刚度的各向异性来约束变形、控制折痕位置。而折痕的总面积远小于基底，因此若能从折痕本身入手，用各向同性热变形材料实现各向异性的热变形，从而不依赖于基底的各向异性，将有利于实现更加简洁、轻质的设计。

技术实现要素：

本发明要解决目前热激发下自动折叠变形材料的弯曲方向不可控制，精确度低的技术问题，而提供一种在热激发下自动定向折叠的薄膜结构。

一种在热激发下自动定向折叠的薄膜结构，包括基底、柔性胶粘剂、热变形膜和若干开缝；其中，柔性胶粘剂沿折痕设置在基底上，热变形膜覆盖在柔性胶粘剂上；若干开缝垂直于折痕，在深度方向完全贯穿热变形膜和柔性胶粘剂。

沿折痕布置的热变形膜在高温下收缩并通过胶粘剂驱使基底弯曲。胶粘剂的柔性使热变形膜与基底之间能够发生局部小幅度挫动，进而使热变形膜在沿折痕方向的热致收缩于开缝处被充分释放，因此该方向的热致收缩不影响基底形状。同时，由于热变形膜的宽度大于开缝间距(如为开缝间距的三倍)，热变形膜垂直于折痕方向的热致收缩虽然在边缘处有小幅度释放，但不影响其驱使基底沿折痕弯曲并进而形成折痕。

本发明的有益效果是：本发明沿折痕布置的热变形膜在高温下收缩并通过胶粘剂驱使基底弯曲。胶粘剂的柔性使热变形膜与基底之间能够发生局部小幅度挫动，进而使热变形膜在沿折痕方向的热致收缩于开缝处被充分释放，因此该方向的热致收缩不影响基底形状。同时，由于热变形膜的宽度大于开缝间距(如为开缝间距的三倍)，热变形膜垂直于折痕方向的热致收缩虽然在边缘处有小幅度释放，但不影响其驱使基底沿折痕弯曲并进而形成折痕。本发明的优越性在于，采用常见的各向同性热变形材料，因此不需要控制折痕处材料的取向，使智能可变形薄膜材料的低成本、大规模应用成为可能，进而为折纸型蜂窝结构、薄膜超材料的大批量连续制备提供了有效手段。本发明采用独创性的方法，利用常见的各向同性热变形材料，借助现有的自动化生产工艺实现可变形薄膜折痕位置和折叠方向的精确控制，极大地简化了了可变形薄膜的制备。

本发明用于制备一种在热激发下自动定向折叠的薄膜结构。

附图说明

图1为实施例一所述的一种在热激发下自动定向折叠的薄膜结构未折叠时示意图；

图2为实施例一所述的一种在热激发下自动定向折叠的薄膜结构在80摄氏度下自动定向折叠时示意图；

图3为实施例二所述的一种在热激发下自动定向折叠的薄膜结构未折叠时示意图；

图4为实施例二所述的一种在热激发下自动定向折叠的薄膜结构在80摄氏度下自动定向折叠时示意图；

图5为实施例三所述的一种在热激发下自动定向折叠的薄膜结构未折叠时示意图，其中“1”代表基底、“2”代表柔性胶粘剂、“3”代表热变形膜、“4”代表开缝、“5”代表开孔。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式一种在热激发下自动定向折叠的薄膜结构，包括基底1、柔性胶粘剂2、热变形膜3和若干开缝4；其中，柔性胶粘剂2沿折痕设置在基底1上，热变形膜3覆盖在柔性胶粘剂2上；若干开缝4垂直于折痕，在深度方向完全贯穿热变形膜3和柔性胶粘剂2。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：相邻两个开缝4的间距小于热变形膜3的宽度。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：相邻两个开缝4的间距为热变形膜3的宽度的三分之一。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：热变形膜3为各向同性热致收缩材料。其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：热变形膜3为pet热缩膜。其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：柔性胶粘剂2为丙烯酸胶粘剂。其它与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：基底1为聚酰亚胺膜。其它与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：基底1厚度为7～25微米。其它与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：柔性胶粘剂2厚度为10～30微米。其它与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：热变形膜3的宽度为6毫米，厚度为5～15微米。其它与具体实施方式一至九之一相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是：开缝4在长度方向完全贯穿热变形膜3和柔性胶粘剂2。其它与具体实施方式一至十之一相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十一之一不同的是：开缝4在长度方向不完全贯穿热变形膜3和柔性胶粘剂2，在两端分别留出0.5毫米。其它与具体实施方式一至十一之一相同。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一至十二之一不同的是：当设置多条折痕时，在多组柔性胶粘剂2和热变形膜3交叉位置设置开孔5。其它与具体实施方式一至十二之一相同。

即在多组柔性胶粘剂2和热变形膜3交叉位置设置空隙。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

本实施例一种在热激发下自动定向折叠的薄膜结构，包括基底1、柔性胶粘剂2、热变形膜3和四个开缝4；其中，柔性胶粘剂2沿折痕设置在基底1上，热变形膜3覆盖在柔性胶粘剂2上；四个开缝4垂直于折痕，在深度方向完全贯穿热变形膜3和柔性胶粘剂2；

其中，基底1为聚酰亚胺膜，厚度为25微米；柔性胶粘剂2为丙烯酸胶膜，厚度为30微米；热变形膜3为pet热缩膜，宽度为6毫米，厚度为15微米；开缝4在长度方向完全贯穿热变形膜3和柔性胶粘剂2，相邻两个开缝4的间距为2毫米。

本实施例所述的一种在热激发下自动定向折叠的薄膜结构未折叠时示意图如图1所示；在80摄氏度下自动定向折叠时示意图如图2所示。

如图2所示，在80摄氏度下，所述沿折痕布置的热变形膜3发生25％的各向同性热致收缩，在沿折痕长度方向上，其0.5毫米的收缩量在各所述开缝4处借助所述柔性胶粘剂2的形变得到充分释放，而在垂直于折痕的方向上，其1.5毫米的收缩量虽然由于所述柔性胶粘剂2的形变而有约0.5毫米的释放，但剩余1毫米的收缩量通过所述胶粘剂2拉动所述基底1实现沿折痕的折叠变形。

该方案与现有方案相比，独创性地采用易得的各向同性热缩膜材料和柔性胶膜材料实现了基底材料的可控变形，其折痕的位置和折叠的方向得到精确的控制。

实施例二：

本实施例一种在热激发下自动定向折叠的薄膜结构，包括基底1、柔性胶粘剂2、热变形膜3和四个开缝4；其中，柔性胶粘剂2沿折痕设置在基底1上，热变形膜3覆盖在柔性胶粘剂2上；四个开缝4垂直于折痕，在深度方向完全贯穿热变形膜3和柔性胶粘剂2；

其中，基底1为聚酰亚胺膜，厚度为25微米；柔性胶粘剂2为丙烯酸胶粘剂，厚度为30微米；热变形膜3为pet热缩膜，宽度为6毫米，厚度为15微米；开缝4在长度方向不完全贯穿热变形膜3和柔性胶粘剂2，在两端分别留出0.5毫米，相邻两个开缝4的间距为2毫米。

本实施例所述的一种在热激发下自动定向折叠的薄膜结构未折叠时示意图如图3所示；在80摄氏度下自动定向折叠时示意图如图4所示。

如图4所示，在80摄氏度下，所述沿折痕布置的热变形膜3发生25％的各向同性热致收缩，所述热变形膜3在各所述开缝4处借助所述柔性胶粘剂2的形变形成椭圆形开口从而使其在沿折痕长度方向上的0.5毫米收缩量得到释放，而其在垂直于折痕的方向上的1.5毫米的收缩量虽然由于所述柔性胶粘剂2的形变而有约0.5毫米的释放，但剩余1毫米的收缩量通过所述胶粘剂2拉动所述基底1实现沿折痕的折叠变形。

实施例三：

本实施例一种在热激发下自动定向折叠的薄膜结构，包括基底1、柔性胶粘剂2、热变形膜3和若干开缝4；其中，柔性胶粘剂2沿折痕设置在基底1上，热变形膜3覆盖在柔性胶粘剂2上；若干开缝4垂直于折痕，在深度方向完全贯穿热变形膜3和柔性胶粘剂2；

其中，基底1为聚酰亚胺膜，厚度为7微米；柔性胶粘剂2为丙烯酸胶膜，厚度为10微米；热变形膜3为pet热缩膜，宽度为6毫米，厚度为5微米；开缝4在长度方向不完全贯穿热变形膜3和柔性胶粘剂2，在两端分别留出0.5毫米，相邻两个开缝4的间距为2毫米；本实施例基底1的两侧均有折痕，热变形膜3pet热缩膜，在100摄氏度下发生5％热致收缩

本实施例所述的一种在热激发下自动定向折叠的薄膜结构未折叠时示意图如图5所示。

本实施例一种在热激发下自动定向折叠的薄膜结构的制备过程如下：

一、将一张宽6毫米、厚度5微米的pet热缩膜与一张厚度为10微米的丙烯酸胶膜粘合；

二、采用自动胶纸裁切机在步骤一制备的薄膜上刻出折痕处pet热缩膜和丙烯酸胶膜的轮廓，以及开缝；

三、用转移胶带将裁出的pet热缩膜及丙烯酸胶膜转移至聚酰亚胺基底上；

四、在基底另一侧重复上述步骤完成两侧所有折痕的铺设；

五、用自动胶纸裁切机在折痕相交处切出开孔5。

该方案采用现有的自动化生产工艺实现了可变形薄膜材料的制备，为折纸型蜂窝结构、薄膜超材料的大批量连续制备提供了有效手段。

本发明沿折痕布置的热变形膜在高温下收缩并通过胶粘剂驱使基底弯曲。胶粘剂的柔性使热变形膜与基底之间能够发生局部小幅度挫动，进而使热变形膜在沿折痕方向的热致收缩于开缝处被充分释放，因此该方向的热致收缩不影响基底形状。同时，由于热变形膜的宽度大于开缝间距(如为开缝间距的三倍)，热变形膜垂直于折痕方向的热致收缩虽然在边缘处有小幅度释放，但不影响其驱使基底沿折痕弯曲并进而形成折痕。本发明的优越性在于，采用常见的各向同性热变形材料，因此不需要控制折痕处材料的取向，使智能可变形薄膜材料的低成本、大规模应用成为可能，进而为折纸型蜂窝结构、薄膜超材料的大批量连续制备提供了有效手段。本发明采用独创性的方法，利用常见的各向同性热变形材料，借助现有的自动化生产工艺实现可变形薄膜折痕位置和折叠方向的精确控制，极大地简化了了可变形薄膜的制备。