一种电热驱动薄膜及基于该薄膜的频率开关的制作方法

本发明属于智能驱动材料领域，具体涉及一种电热驱动薄膜及基于该薄膜的频率开关。

背景技术：

电热驱动是基于热膨胀原理的，通过施加电压产生热量使材料温度升高，实现驱动。它具有驱动电压低、驱动力大的优点，基于这一原理，研究人员设计了双层膜电热式驱动器、u型电热式驱动器、v型电热式驱动器等，如清华大学杨岳等人利用双金属驱动方式研制了热致动微型泵，其工作原理是依靠驱动薄膜的弹性变形，使泵腔的体积发生变化，从而导致泵腔内的压力变化，实现流体由入口阀进入泵腔并由出口阀留出的周期性变化，但该驱动方式的一般工作频率较低。如d.girbau和a.laizaro等设计的v型梁热驱动器以及jinqiu等采用多晶硅作为驱动材料研制的一种预变形的u型梁双稳态热驱动器，存在功耗较大、稳定性差、使用寿命短的问题。

碳纳米管(cnt)具有显著的电学，热学和机械性能，结合其独特的负的热膨胀系数(cte)，可用于构造双晶片致动器，其表现出优异的驱动性能。如cnt/聚氨酯-cnt/硅橡胶驱动器在7v电压下显示出0.58的位移长度比(d/l)。超级排列的碳纳米管(sacnt)薄膜是用化学气相沉积法生长的cnt薄膜中提取的，与cnt相比，sacnt具有更加优秀的机械和电热性能，是构建电热或光热驱动器的有效材料。本发明以热吸收系数较高的油墨作为膨胀层，再结合电热性能较好的sacnt，制备的油墨/pet/sacnt复合膜(ips)，能够在不同频率电压下快速响应，且性能稳定，上万次反复驱动后性能几乎没有衰减，基于该薄膜制备的频率开关，可以通过激活第二电路的光电传感器，用来控制高压电路，以保证高压设备的安全性。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种在不同电压频率下快速形变的电热驱动薄膜，该薄膜是以超顺磁碳纳米管(sacnt)薄膜和油墨分别复合在pet膜两侧制备而成，由于薄膜之间的热膨胀系数严重不匹配，当向其施加电压时，利用sacnt良好的导电性和油墨的导热性驱动薄膜弯曲制动，该薄膜能够在不同频率电压下完成驱动，且性能稳定，反复驱动上万次性能几乎没有衰减，其性能优于目前报道的多数电热驱动器。

此外，基于电热驱动薄膜在电刺激下的高驱动频率，我们在此制造了一个基于该薄膜的电控开关。该开关可以通过施加或关闭电压形成弯曲/不弯曲致动，激活第二电路的光电传感器，在低压下控制第二电路，以保证高压电路的安全性。

所述电热驱动薄膜1包括三层：pet膜11、油墨层12和sacnt薄膜13，如图1所示，其中，pet膜用作钝化层，主要起到支撑作用。油墨层是由炭黑，聚氨酯溶解在乙酸乙酯和丙酮的混合溶剂中制备而成，因其高的cte系数可作为热膨胀层。附着在pet膜另一侧的柔性sacnt膜具有良好的导电性，并能提高电热薄膜的整体拉伸强度。在10v直流(dc)电压下测电热驱动薄膜的电流-电压(i-v)特性，如图2所示，其电流-电压变化线性较好，显示sacnt薄膜良好的导电性。如图3所示，电热驱动薄膜在特定弯曲半径5.0mm处保持高的电阻稳定性，测得电阻变化小于0.1％，是非常有前景的电热执行器的候选者。

由于sacnt薄膜(-1.4ppmk^-1)和油墨/pet薄膜(油墨层：106ppmk^-1，pet层：40ppmk^-1)cte的不匹配，当向该薄膜施加电压时，该驱动薄膜向sacnt侧弯曲。当电压被移除后，伴随着温度冷却至室温，驱动器又恢复到初始状态，如图4所示。电热驱动薄膜的致动位移与时间、温度的变化关系如图5所示，当电压开启1秒后位移达到8.2毫米，同时，伴随着温度从25℃增加到81.5℃。当电压被移除时，驱动器快速恢复到原始状态。d/l用于评估电热驱动器ips的致动性能，当施加0.5hz方形波电压(0-10v)时，d/l为0.68。

所述基于电热驱动薄膜的频率开关，是将电热薄膜裁剪成u型，缠绕在一定直径圆棒上加热定型成圆弧状。如图6所示，u形的、弯曲的ips致动器安装在光电开关的侧面。该光电开关在没有被物体覆盖时通常处于闭合状态。也就是说，当光电开关的发射器发射的光没有反射到接收器时，电路处于闭合状态。相反，当发射的光被物体反射到接收器时，电路断开。电热驱动薄膜最初成弯曲状，其中油墨层在内侧通过热定型工艺制备而成。因此，当电压关闭时，基于电热驱动薄膜的光电开关处于断开状态；当施加电压时，电热驱动薄膜弯曲到sacnt侧，并且光电开关处于闭合状态以连接电路。因此，使用电热驱动薄膜作为调制器可以提供用于制造具有高开/关频率的电控开关的新方法，用于第二电路控制，例如高压电路控制。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明

图1电热驱动薄膜结构示意图；

图2电热驱动薄膜的伏安曲线图；

图3电热驱动薄膜在5mm弯曲半径下的电阻变化图；

图4电热驱动薄膜驱动示意图；

图5电热薄膜致动位移与时间、温度的变化曲线图；

图6基于电热薄膜的频率开关工作原理示意图；

图7打开和关闭电压时电热驱动薄膜弯曲致动变化图；

图8不同厚度pet膜的电热驱动薄膜驱动位移变化图；

图9不同激发频率下电热驱动薄膜驱动位移变化图；

图10电热驱动薄膜在5hz方波下驱动上万次的位移变化图；

图11不同功率下电热驱动薄膜驱动位移与温度变化关系图；

图12基于电热驱动薄膜的频率开关在施加电压下点亮led灯。

具体实施方式

实施例一：电热驱动薄膜

将油墨均匀涂布在pet膜的一面上。油墨是由炭黑(3-5％)，聚氨酯(30％)溶解在乙酸乙酯和丙酮(20％/80％)的混合溶剂中制备而成。油墨层厚度为1.2μm。通过化学气相沉积在硅片上生长的sacnt薄膜，厚度为249μm，碳纳米管直径约为10nm，壁数为9。用刀片从sacnt薄膜拉出碳纳米管阵列，取30层铺设在pet膜的另一侧，形成sacnt层，然后用无水乙醇浸润sacnt薄膜，使其致密化。

将上述电热驱动薄膜连接到电路中，打开和关闭0.5hz方波电压(0-10v)时，相机记录的一系列快照描绘了电热驱动薄膜可逆的致动行为，如图7所示，可以清楚地观察到电热驱动薄膜的自由端具有很小的弯曲幅度，这可能是由于自由端的热量分布不均匀造成的。

研究不同pet厚度驱动器，但是，当pet厚度增加到5μm时，d/l减少到0.51(位移：6.1毫米)，如图8所示，这可能归因于油墨层和sacnt薄膜之间的快速热量转移。

本发明提供的电热驱动薄膜在不同激发频率均可完成驱动，当方波电压的激发频率从0.01增加到20hz(0-10v)时，电热薄膜的驱动位移从8.3降低到0.7mm，如图9所示。测试了10000次5hz方波电压下电热薄膜的位移振动情况，位移变化≤10％，显示其性能几乎没有明显衰减，如图10所示，该电热驱动薄膜具有高的循环稳定性。

此外，还研究了电热驱动薄膜在不同功率下驱动位移情况：随着功率的增加，电热驱动薄膜可以将更多的电能转换为热能，导致位移从0增加到9.4mm，同时伴随温度从25增加到92.9℃，如图11所示。电热驱动薄膜产生的大位移约9.4mm，d/l为0.79，这是目前所记录的用于电热致动器最好值，如表1所示，列出了sacnt/pdms，海绵rgo/聚酰亚胺，酸化单壁碳纳米管/低密度聚乙烯双晶片执行器等的驱动性能，并与本发明提供的电热驱动薄膜进行比较。本发明提供的电热驱动薄膜的曲率为3.1cm^-1，优于列表1中大多数的电热致动器。

表1

实施例二：电控频率开关

取电热驱动薄膜制成u形结构，外部尺寸为15mm×5mm(长×宽)，内部凹槽尺寸为10mm×1mm(长×宽)，将该电热驱动薄膜的油墨层一侧缠绕在10毫米直径的杆上并在120℃下热定型1小时成为弯曲的薄膜。将该薄膜安装在处于常闭状态的漫反射光电开关红外激光传感器的一侧，形成电控频率开关，以控制电路。该频率开关在电刺激下向sacnt侧弯曲，可以连接电路并点亮led。关闭电压时又会恢复原状，使电路断开，以这种方式，led灯在0.27秒内接通并在0.14秒内关闭，如图12所示，这种弯曲/非弯曲致动频率最大可达17.5hz。

另外，相关领域技术人员还可以依据本发明技术方案做其它变化，依据本发明技术方案所做的变化，都应包含在本技术方案所保护的范围之内。

以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本发明的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。