电致动材料及电致动器的制造方法

文档序号:9454675
电致动材料及电致动器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电致动材料领域,尤其涉及电致动材料及电致动器。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]利用热驱动的致动器克服了静电驱动和磁驱动致动器形变量小的缺点,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致动器,请参见“基于热膨胀效应的微电致动器进展”,匡一宁等,电子器件,vol 22,pl62 (1999)。该电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伸缩元件,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,其柔性较差,形变量较小,致动器热响应速度较慢;此外形变只能向一个方向弯曲,形变模式单一,不利于实际生产生活中的应用。
[0004]碳基材料包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯及其衍生物,是近几年倍受关注的材料。以碳纳米管为例,其具有许多优异的性能,可应用于许多领域。碳纳米管是由石墨片卷成的无缝中空管体,由于在碳纳米管内电子的量子限域作用,电子只能在石墨片中沿着碳纳米管的轴向运动,因此碳纳米管表现出独特的电学性能和热学性能。研究测试结果表明,碳纳米管的平均电导率可达到1000~2000S/m(西门子/米)。此外,碳纳米管还具有优良的力学性能,如,较高的强度和模量。
[0005]现有基于碳基材料的致动器在性能上有了较大的提升,整体柔性较好,形变量增大。然而,还是存在一些局限性,例如致动器的结构比较单一,大多是采用双层材料叠层设置的结构,因而致动器仅能向热膨胀量小的一侧弯曲,弯曲方向单一,难以满足目前对致动器多样化的需求。

【发明内容】

[0006]本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供柔性的电致动材料及其制备方法,使得能够根据实际需要进行先进的结构设计,可快速制备具有特定部位弯曲,双向弯曲等多功能的电致动器。
[0007]本发明采用的技术方案是:
一种电致动材料,其包括第一复合层、第二复合层和基体材料层,所述第一复合层设于基体材料层一端的表面上,所述第二复合层设于基体材料层另一端的表面上,所述第一复合层包括第一材料层和第一粘结剂层,所述第一材料层通过第一粘结剂层层叠设于基体材料层表面的一端;所述第二复合层包括第二材料层和第二粘结剂层,所述第二材料层通过第二粘结剂层层叠设于基体材料层表面的另一端;所述第一材料层和第二材料层的热膨胀系数与基体材料层的热膨胀系数不同,所述第一材料层、第二材料层均为聚合物材料层,所述基体材料层为碳基材料层。
[0008]所述第一复合层和第二复合层分别设在基体材料层的上下两个不同的表面上。
[0009]所述第一复合层和第二复合层间隔设在基体材料层的同一表面上。
[0010]所述基体材料层的另一表面对应第一复合层和第二复合层的间隔处设有第三复合层,第三复合层的宽度小于第一复合层和第二复合层的间隔处的宽度,所述第三复合层包括第三材料层和第三粘结剂层,第三材料层通过第三粘结剂层叠设于基体材料层的另一表面上,所述第三材料层为聚合物材料层。
[0011]所述的聚合物材料层通过粘结剂层采用粘结、压合的方式层叠设置于碳基材料层上。
[0012]所述碳基材料层的碳基材料为石墨、碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯和碳纤维及它们的衍生物中的一种或两种以上的组合。
[0013]所述粘结剂层的粘结剂为光固化胶、热固化胶、非导电性固化胶中的一种或两种以上的的组合。
[0014]所述聚合物材料可以为双向拉伸聚丙烯、聚丙烯、聚乙烯、硅橡胶、氟硅橡胶、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨脂、环氧树脂、聚丙烯酸乙酯、聚丙烯酸丁酯、聚苯乙烯、聚丁二烯和聚丙烯腈中的一种或两种以上的组合。
[0015]所述聚合物材料层的聚合物材料的热膨胀系数均大于所述碳基材料层的碳基材料的热膨胀系数。
[0016]本发明还公开一种所述的电致动材料的制备方法,其包括以下步骤:
步骤一:形成一由碳基材料薄膜构成基体材料层;
步骤二:形成由已聚合完成的聚合物薄膜构成的聚合物材料层;
步骤三:将作为粘结剂层的粘结剂均匀覆盖在由聚合物薄膜构成的聚合物材料层上,分别形成第一复合层和第二复合层;
步骤四:通过粘结剂层采用粘结、压合的方式将第一复合层设于基体材料层一端的表面上,将第二复合层设于基体材料层另一端的表面上。
[0017]形成所述聚合物薄膜的方法包括缩聚反应、聚加反应、自由基聚合反应、阴离子聚合反应和阳离子聚合反应,根据聚合物材料层的聚合物单体种类的不同选取相应的方法形成所述聚合物薄膜。
[0018]将粘结剂层均匀分布在聚合物材料层上的方法包括旋涂法、提拉法和涂抹法。
[0019]本发明还公开一种S型电致动器,其包括一采用权利要求2所述的电致动材料、至少一第一电极与至少一第二电极,所述至少一第一电极与至少一第二电极间隔设置于所述电致动材料的基体材料层的表面上,并与所述基体材料层电连接。
[0020]在所述第一电极及第二电极通电时,S型电致动器具有复合层的特定部位会分别向2个方向弯曲,使得致动器整体形成S型弯曲。
[0021]本发明还公开一种波浪型电致动器,其包括一采用权利要求3所述的电致动材料、至少一第一电极与至少一第二电极,所述至少一第一电极与至少一第二电极间隔设置于所述电致动材料的基体材料层的表面上,并与所述基体材料层电连接。
[0022]在所述第一电极及第二电极通电时,所述波浪型电致动器具有复合层的特定部位会共同向同一个方向的弯曲,波浪型电致动器的弯曲部位不连续。
[0023]本发明还公开一种双向波浪型电致动器,其包括一采用权利要求4所述的电致动材料、至少一第一电极与至少一第二电极,所述至少一第一电极与至少一第二电极间隔设置于所述电致动材料的基体材料层的表面上,并与所述基体材料层电连接。
[0024]在所述第一电极及第二电极通电时,双向波浪型电致动器具有复合层的特定部位会形成向2个方向的双向波浪型弯曲,双向波浪型电致动器的弯曲部位不连续。
[0025]本发明采用以上技术方案,与现有技术相比较,所述的电致动材料具有以下优点:其一,可通过先进的结构设计与制备工艺实现致动器的特定部位产生特定方向弯曲,例如实现S型、波浪型、双向波浪型等弯曲形变,大大拓宽致动器的多样性;其二,制备流程简单,生产时间短,可以短时间大规模制备;其三,采用柔性聚合物材料与碳基材料作为主要材料,使得所述电致动器具有柔性,且兼具碳基材料良好的电学与力学性能;其四,所述电致动器响应迅速,形变程度大,优于目前所报道的同类型致动器。
【附图说明】
[0026]以下结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步详细说明;
图1为本发明实施例1的S型电致动器剖面图;
图2为本发明实施例1的S型电致动器的致动效果图;
图3为本发明实施例2的波浪型电致动器剖面图;
图4为本发明实施例2的波浪型电致动器的致动效果图;
图5为本发明实施例3的双向波浪型电致动器剖面图;
图6为本发明实施例3的双向波浪型电致动器的致动效果图。
【具体实施方式】
[0027]实施例1:
如图1或图2所示,本发明公开一种电致动材料10,其包括第一复合层、第二复合层和基体材料层17,所述第一复合层设于基体材料层17 —端的表面上,所述第二复合层设于基体材料层17另一端的表面上,所述第一复合层和第二复合层分别设在基体材料层的上下两个不同的表面上。所述第一复合层包括第一材料层13和第一粘结剂层14,第一材料层13和第一粘结剂层14具有相同的长度和宽度,所述第一材料层13通过第一粘结剂层14层叠设于基体材料层17表面的一端;所述第二复合层包括第二材料层15和第二粘结剂层16,第二材料层15和第二粘结剂层16具有相同的长度和宽度,所述第二材料层15通过第二粘结剂层16层叠设于基体材料层17表面的另一端;所述第一材料层13和第二材料层14的热膨胀系数大于基体材料层17的热膨胀系数,所述第一材料层13、第二材料层14均为聚合物材料层,所述基体材料层17为碳基材料层。
[0028]所述第一材料层13和第二材料层15为聚合物材料,可以为双向拉伸聚丙稀,聚丙烯,聚乙烯,硅橡胶、氟硅橡胶、聚甲基丙烯酸甲
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