专利名称：一种ipmc 驱动器的选择性镀工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种IPMC (离子聚合物-金属复合材料)驱动器的选择性施镀方法，采用电镀胶带或者通过浸泡生成氯化银作为非施镀区域的掩膜，该施镀方法简单高效，可以制造出具有复杂形状的驱动器，以满足复杂的驱动功能。
背景技术：
离子聚合物-金属复合材料(IPMC)具有质量轻、柔韧性好、反应迅速和传感-致动的双向可逆功能，可用于制作产生大变形的驱动器等机电换能器件以取代传统的压电陶瓷，是近二十年来崛起且具有极大应用潜力的新型智能材料。目前制作分段、多向，组合变形等多功能IPMC材料驱动器时，通常会根据 复杂驱动功能需要，在同一块膜材基体上制作多个彼此电隔离的非施镀区域用于分别加电驱动。已有技术中有采用激光切害lJ (文献Yoshihiro Nakabo, ToshiharuMukai, Kinji Asaka.Bio-mimetic soft robots with artificial muscles[C].Proc. of SPIE，2004，5648:132-144)和电火花切割隔离电极方法(文献JonathanRossiter,Toshiharu Mukai.Electrostatic and thermal segmentationofmulti-segment IPMC sensor and actuctors. [C].Proc. of SPIE, 2011，7976:C1_C8),米用MEMS工艺制作覆盖层阻止电极沉积的方法(文献Zhen Chen, Xiaobo Tan. Monolithicfabrication of ionic polymer-metal composite actuators capable ofcomplexdeformation. [J]. Sensors and actuatorsA :Physical: 157 (2) : 246-257)等。这些方法通常需要昂贵的设备来加工制作，不利于推广使用。同时传统IPMC的制备工艺中，一般沉积电极包括两个反应过程，首先通过离子交换-还原形成过渡层，然后通过化学镀形成性能良好的电极。如果传统制备方法中仅通过离子交换-还原的方法沉积电极，这样制备的镀层质量差，电阻率高，不宜直接使用。进一步使用化学镀来改善电极，则不仅耗时长，需要多种辅助试剂，而且对反应温度有一定要求。这些缺点一定程度上限制了 IPMC材料的推广和使用。
发明内容
在保障IPMC材料驱动器性能前提下，为了简化多功能IPMC材料驱动器的制作工艺，本发明针对目前选择性镀工艺中复杂的掩膜制造方法，以及传统施镀方法的耗时且成本高的特点，对传统的施镀方法进行了改进，提供了一种成本低、简单实用的IPMC驱动器施镀方法。为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的一种IPMC驱动器的选择性镀工艺，其特征在于，包括以下步骤(I)基底材料的预处理以离子交换膜作为基底材料，将该离子交换膜进行糙化后置于60°C的环境下超声清洗，去除表面颗粒，然后分别酸洗和去离子水煮洗；(2)根据驱动器的使用要求，在步骤(I)预处理后的离子交换膜上制作非施镀区隔离施镀区；非施镀区要求在后续工序中不被镀上电极，采取掩膜法实现，包括两种可选择方法:①直接用电镀胶带制作非施镀区的覆盖层，然后进行步骤(3)的浸泡还原镀；②预处理后的离子交换膜先在硝酸银溶液中浸泡，然后用电镀胶带制作施镀区的覆盖层，裸露非施镀区，在HCl溶液中浸泡，直到在非施镀区上反应生成稳定的不导电氯化银沉淀；揭下施镀区上的电镀胶带，然后进行步骤(3)的浸泡还原镀；(3)采用浸泡还原镀在施镀区上沉积电极层，制作钼、钯、银或铜金属电极。上述方法中，所述的步骤(2)中，当非施镀区线宽大于2_，采用该步骤中子步骤①；当非施镀区线宽小于2mm，采用该步骤中子步骤②。其中硝酸银溶液浓度为0. 03mo/L,浸泡广2小时；HC1溶液浓度为0. lmol/L，浸泡半小时。 步骤(3)所述浸泡还原镀的具体方法为I)利用电极相应的金属盐制作盐溶液，将步骤(2)生成非施镀区掩膜的离子交换膜放入金属盐溶液中浸泡广2小时进行离子交换，使电极金属离子进入离子膜；制备钯或钼电极使用氯化钯/钼、二氯二铵合钯/钼或二氯四铵合钯/钼盐制得盐溶液，制备银电极使用硝酸银溶液或银氨溶液；制备铜电极使用硫酸铜溶液；盐溶液浓度为0. 005^0. Imol/L,用量根据施镀面积选用flOmmol/cm2;2)将步骤I)金属盐溶液浸泡后的离子交换膜用去离子水处理干净后放入NaBH4溶液进行搅拌，使离子交换膜内金属离子在膜表面被还原形成电极；对于钯或钼电极，NaBH4溶液浓度为0. 5 10mmol/L,最好为lmmol/L ;对于银或铜电极，NaBH4浓度为2 20mmol/L,最好为5mmol/L。重复浸泡还原镀1 2次。本发明克服了传统的IPMC制备过程复杂、费时以及生产成本高的缺点，实现了在一块膜基体材料上制作多电极驱动时阻隔线的工艺，阻隔线的制作不需要昂贵的设备，能够满足不同线宽的阻隔线的制作、实现材料的复杂驱动的功能。同时整个施镀工艺简单、实用，选择掩膜处理后只需要经过数次浸泡还原镀，既可得到驱动性能好的IPMC驱动器。
图I为较宽隔离线多电极IPMC驱动器结构图。图2为细隔离线多电极IPMC驱动器结构图。图3为复合电极IPMC驱动器结构图。图广3中1为基体离子膜，2为电极层，3为封装膜，4为氯化银隔离线，5为内层金属电极层，通常为钼或钯电极，6为外层金属电极层，通常为银或铜电极。
具体实施例方式实施例I宽隔离线多电极IPMC驱动器的制作以尺寸为15cmX0. 5cm,设计2条3mm宽的隔离线将材料沿长度方向分为两段多电极IPMC驱动器为例，基于选择性镀的制备方法包括下述步骤I)材料的预处理以Nafion膜(或采用Flemion离子膜)作为材料的基底材料，采用砂纸打磨粗化(600号以上砂纸，轻轻打磨Nafion膜两表面)，打磨时尽量使表面均匀受力，注意观察粗糙均匀度，在灯光下观察表面变浑浊而没有明显亮点，可以认为打磨达到均匀效果。粗化后的Nafion膜在加热到60°C后超声波清洗20分钟，除去其表面颗粒；然后取出酸洗，通过酸化处理去除杂质离子；使用的盐酸溶液约为150ml、2mol/L，酸洗时间为30分钟；最后在去离子水中煮洗，去除多余盐酸和其它杂质，时间约为30分钟；经过预处理的Nafion膜可以保存在去离子水中。2)将预处理的材料放入浓度为0. Olmol/L的[Pd(NH3)JCl2中浸泡2小时后取出采用去离子水浸泡lOmin，然后采用标尺在Nafion膜表面对阻隔区进行标定。利用刻刀在耐高温和耐酸碱的电镀胶带刻出与阻隔区尺寸相同的遮蔽层，将刻好的电镀胶带图案粘接到阻隔区，并且与阻隔区对准压实，保证后续浸泡还原的过程中电镀胶带不脱落。3)将材料冲洗，然后放入500mL浓度为lmmol/L的硼氢化 钠溶液中在常温下反应充分，当无明显的气泡出现时，可以认为反应完毕，重复浸泡还原1-2次，用于改善材料的电极与基体材料的过渡层。4)将浸泡还原好的材料取出，去离子水清洗，采用镊子小心揭下原先粘接在Nafion膜上的电镀胶带遮蔽层，可以看到在遮蔽层的掩蔽下，该部分区域没有被镀上金属钯电极，形成线宽为3mm的阻隔线。5)采用0. lmol/L的HCl的溶液进行浸泡用于去除内部的杂质离子，后采用
0.2mol/L的NaOH溶液进行浸泡，置换材料内部的H+离子，使Na+离子成为内部的驱动离子。6)切割根据使用的需要，将制备好的材料切割成所需要的形状。7)针对切割好的材料进行封装密封处理，采用已公开的专利中的封装方法(申请号201110255830. 5)，得到如图I所示的IPMC多电极驱动器结构。根据使用要求，可以给IPMC驱动器的不同段加电，实现驱动器的弯曲爬行等动作。实施例2细隔离线多电极IPMC材料驱动器的制作以尺寸为6cmX0. 5cm,阻隔线宽度为0. 5mm的多电极Ag极IPMC驱动器为例，基于选择性镀的制备方法包括下述步骤I)材料的预处理过程与实例I相同；2)将材料置于200ml浓度为0. 03mo/L的AgNO3溶液浸泡I小时，采用耐酸碱电镀胶带覆盖预施镀区域，裸露非施镀区，然后将其置于0. lmol/L的HCl溶液中反应半小时，非施镀区生成不导电的宽度约为0. 5_的AgCl隔离线(图2)，均匀用力揭下电镀胶带，然后去离子浸泡IOmin左右，进行下一步的浸泡还原镀。3)将其再次置于0. 03mol/L的AgNO3浸泡1_2个小时后,用去离子水浸泡IOmin中，将其置于500ml浓度为lmmol/L的NaBH4溶液常温下反应，直至无明显气泡产生，认为反应已经完毕。重复浸泡还原1-2次，改善基体膜与金属的过渡层。4)采用0. lmol/L的HCl的溶液进行浸泡用于去除内部的杂质离子，后采用
0.2mol/L的NaOH溶液进行浸泡，置换材料内部的H+离子，使Na+离子成为内部的驱动离子。5)切割根据使用的需要，将制备好的材料切割成所需要的形状。6)针对切割好的材料进行封装密封处理，采用已公开的专利中的封装方法(申请号201110255830. 5)，得到如图2所示的多电极IPMC驱动器结构。根据使用要求，给IPMC驱动器的不同段加电，实现驱动器的弯曲爬行等动作。综合考虑成本和性能两方面因素，本发明还在掩膜(阻隔线)工艺的基础上，采用复合镀的方法制备复合电极，即浸泡不同盐溶液后还原制备复合电极。通常先沉积钼或钯电极后沉积银或铜电极。 实施例3复合镀IPMC驱动器的制作以制作尺寸为6cmX3cm的钯和钼复合电极型IPMC为例，复合镀的方法包括下述步骤I)材料的预处理步骤与实例I相同，制作复合电极时需要考虑金属的活泼性，从而确定施镀的先后顺序，首先选择给Nafion膜施镀一层还原性弱的金属层，此处选择先施镀钼电极。
2)将预处理的材料置于0. 01mol/L的[Pt(NH3)JCl2盐中浸泡1_2小时，采用去离子水浸泡约IOmin左右,然后将其置于浓度为lmmol/L的NaBH4溶液中在常温下浸泡还原，可以看到反应容器壁上出现气泡，当无明显的气泡出现时，可以认为反应完毕，将已经镀好一层的钼电极型的IPMC取出，测定导电率，基本上处于半导通状态。3)将上述所得的钼电极型IPMC用去离子水清洗，然后置于0. 01mol/L的[Pd (NH3) 4] Cl2盐中浸泡1-2小时，然后将其置于浓度为lmmol/L的NaBH4溶液中在常温下浸泡还原，可以看到反应容器壁上出现气泡，当无明显的气泡出现时，可以认为反应完毕，这样就得到了钯钼复合电极型IPMC，测量表面导电情况，已完全导通，重复浸泡还原1-2次，用于改善基体材料与电极过渡层。4)材料的后处理(I)驱动离子交换首先将清洗后的IPMC浸泡在100ml、0. lmol/L的HCl中，去除杂质离子，I小时后在新的100ml、0. lmol/L的HCl溶液再浸泡I小时，然后用去离子水清洗。在200ml、0. 2mol/L的NaOH溶液浸泡3小时以上；(2)切割根据使用的需要，将制备好的材料切割成所需要的形状；(3)针对切割好的材料进行封装密封处理，采用已公开的专利中的封装方法(申请号:201110255830. 5)，得到如图3所示的IPMC驱动器结构。
权利要求
1.一种IPMC驱动器的选择性镀工艺，其特征在于，包括以下步骤 (1)基底材料的预处理以离子交换膜作为基底材料，将该离子交换膜进行糙化后置于60°C的环境下超声清洗，去除表面颗粒，然后分别酸洗和去离子水煮洗； (2)根据驱动器的使用要求，在步骤(I)预处理后 的离子交换膜上制作非施镀区隔离施镀区；非施镀区要求在后续工序中不被镀上电极，采取掩膜法实现，包括两种可选择方法 ①直接用电镀胶带制作非施镀区的覆盖层，然后进行步骤(3)的浸泡还原镀； ②预处理后的离子交换膜先在硝酸银溶液中浸泡，然后用电镀胶带制作施镀区的覆盖层，裸露非施镀区，在HCl溶液中浸泡，直到在非施镀区上反应生成稳定的不导电氯化银沉淀；揭下施镀区上的电镀胶带，然后进行步骤(3)的浸泡还原镀； (3)采用浸泡还原镀在施镀区上沉积电极层，制作钼、钯、银或铜金属电极；或者钼-钯复合电极、银-铜复合电极。
2.如权利要求I所述的IPMC驱动器的选择性镀工艺，其特征在于，所述步骤(2)中，当非施镀区线宽大于2_，采用该步骤中子步骤①；当非施镀区线宽小于2_，采用该步骤中子步骤②。
3.如权利要求I所述的IPMC驱动器的选择性镀工艺，其特征在于，步骤(2)的子步骤②中，硝酸银溶液浓度为O. 03mo/L，浸泡f 2小时；HC1溶液浓度为O. lmol/L，浸泡半小时。
4.如权利要求I所述的IPMC驱动器的选择性镀工艺，其特征在于，步骤(3)所述浸泡还原镀需重复广2次。
5.如权利要求I所述的IPMC驱动器的选择性镀工艺，其特征在于，步骤(3)所述浸泡还原镀的具体方法为 1)利用电极相应的金属盐制作盐溶液，将步骤(2)生成非施镀区掩膜的离子交换膜放入金属盐溶液中浸泡广2小时进行离子交换，使电极金属离子进入离子膜；制备钯或钼电极使用氯化钯/钼、二氯二铵合钯/钼或二氯四铵合钯/钼盐制得盐溶液，制备银电极使用硝酸银溶液或银氨溶液；制备铜电极使用硫酸铜溶液；盐溶液浓度为O. 005 0. lmol/L，用量根据施镀面积选用10mmol/cm2 ； 2)将步骤I)金属盐溶液浸泡后的离子交换膜用去离子水处理干净后放入NaBH4溶液进行搅拌，使离子交换膜内金属离子在膜表面被还原形成电极；对于钯或钼电极，NaBH4溶液浓度为O. 5 10mmol/L，对于银或铜电极，NaBH4浓度为2 20mmol/L。
6.如权利要求5所述的IPMC驱动器的选择性镀工艺，其特征在于，对于钯或钼电极，NaBH4溶液浓度为lmmol/L ;对于银或铜电极，NaBH4浓度为5mmol/L。
全文摘要
本发明公开了一种IPMC驱动器的选择性镀工艺，其特征在于，包括(1)基底材料的预处理(2)根据驱动器的使用要求，在步骤(1)预处理后的离子交换膜上制作非施镀区隔离施镀区；非施镀区要求在后续工序中不被镀上电极，采取掩膜法实现，线宽较大时可直接用耐高温的电镀胶带覆盖使被阻隔处不能施镀；线宽较小时用电镀胶带制作相反的覆盖层暴露阻隔线，通过生成氯化银沉淀来隔离不同电极区域；(3)采用浸泡还原镀在施镀区上沉积电极层，制作铂、钯、银或铜金属电极；或者铂-钯复合电极、银-铜复合电极。
文档编号C23C18/18GK102953053SQ20121045270
公开日2013年3月6日 申请日期2012年11月13日 优先权日2012年11月13日
发明者陈花玲, 朱子才, 罗斌, 王永泉, 王延杰 申请人:西安交通大学