复合介电弹性体薄膜的制备方法及介电弹性体薄膜致动器

本发明涉及致动器领域，尤其涉及一种复合介电弹性体薄膜的制备方法及介电弹性体薄膜致动器。

背景技术：

1、介电弹性体(de)是一种电子型电活性聚合物，能在电场下改变形状，因其柔软，响应快，能量密度高，驱动响应接近天然肌肉，被赋予新一代的“人工肌肉”的称号，被广泛研究并应用在仿生学、柔性机器人、医疗康复、航空航天等领域。介电弹性体致动器(dea)由夹在两个柔性电极之间的de薄膜组成，其工作原理可以结合maxwell(麦克斯韦)效应解释。然而，现有的de材料面临驱动电压高、预拉伸比例大、致动应变有限、耐疲劳性能差及易击穿等多种问题，在很大程度上限制了其应用空间。

2、例如，在柔性机器人领域，介电弹性体致动器当前使用最多、最成熟的de材料是商品化丙烯酸酯vhb 4905和vhb 4910，它们均来自于美国明尼苏达矿务及制造业(minnesotamining and manufacturing，3m)公司。vhb具有优良的致动性：较高的面积应变(380％-400％)、麦克斯韦应力(7.2mpa)及能量密度(3.4mj/m3)；但其缺点是粘滞性强，循环稳定性差。目前，提升de材料的介电常数是提高其机电响应性的主要途径，向聚合物基体中添加高介电常数的填料是解决这一问题的方法之一，如添加无机陶瓷颗粒tio2、batio3，导电颗粒炭黑(cb)、碳纳米管等。但是，向基体添加高浓度陶瓷或导电颗粒都不可避免存在一些问题：前者往往需要较高的填充量(50％左右)，同时伴随严重的颗粒团聚和分散性等问题，而后者往往击穿强度过低，易发生渗流击穿，这些问题都不利于de材料的实际应用。

技术实现思路

1、本发明实施方式提供一种复合介电弹性体薄膜的制备方法、一种用于薄膜致动器的复合介电弹性体薄膜及介电弹性体薄膜致动器以及一种基于复合介电弹性体薄膜的爬行致动器，以至少解决相关技术中存在的问题之一。为实现该目的，本发明通过以下技术方案实现。

2、本发明实施方式第一方面提供一种复合介电弹性体薄膜的制备方法，包括：

3、步骤1：将btru@cds巨电流变颗粒与电流变液分散相预混合得到悬浮液，所述btru@cds巨电流变颗粒为由共沉淀法制得的碳量子点(cds)改性的尿素包裹的钛氧基草酸钡颗粒(btru)，其中所述btru@cds巨电流变颗粒与所述电流变液分散相的质量比为3:1至1:1；

4、步骤2：将硅橡胶与所述悬浮液混和均匀得到复合介电弹性体预聚物，其中所述硅橡胶与所述悬浮液的质量比为15:1至1:1，所述btru@cds巨电流变颗粒占所述复合介电弹性体预聚物的质量比为5-40％；

5、步骤3：对所述复合介电弹性体预聚物进行制膜得到复合介电弹性体薄膜。

6、进一步地，所述btru@cds巨电流变颗粒的制备步骤包括：

7、步骤11：配制反应溶液，包括：在50-70℃温度下配制氯化钡和氯化铷的混合溶液，其中，氯化钡的质量浓度为0.1-0.5g/ml，氯化铷的质量浓度为0.001-0.01g/ml；配制浓度为0.1-0.4g/ml的四氯化钛水溶液，在50-70℃温度下将所述四氯化钛水溶液加入到所述氯化钡和氯化铷的混合溶液中，混合均匀得到混合溶液a；将尿素和碳量子点溶解在去离子水中得到尿素混合溶液，其中尿素的质量浓度为0.1-0.4g/ml，所述碳量子点的质量浓度为0.001-0.01g/ml；在50-70℃温度下配制浓度为0.1-0.4g/ml的草酸溶液；将所述尿素混合溶液和所述草酸溶液混和均匀得到混和溶液b；

8、步骤12：进行共沉淀反应，包括：待所述混合溶液a和所述混合溶液b的温度到达50-70℃时，将所述混和溶液a缓慢倒入所述混和溶液b中，同时加入冰去离子水，并持续搅拌，使得溶液呈乳白色絮状，使用去离子水洗涤，直至上清液的ph值为2-4；

9、步骤13：对洗涤后的溶液进行抽滤和冷冻干燥，得到粉末状颗粒。

10、进一步地，所述复合介电弹性体薄膜的厚度为0.5-1mm，弹性模量为100-250kpa，介电常数为2.7-10，制膜时的预拉伸比例为110-180％，驱动电压为0.5-15kv，面外致动位移为0.05-4mm，最大面积应变为10-50％。

11、进一步地，所述btru@cds巨电流变颗粒占所述复合介电弹性体预聚物的质量比为15-30％，优选为15％。

12、进一步地，所述硅橡胶混合粘度为2.7-50pa·s，弹性模量为50-800kpa，断裂伸长率为200-1000％，介电常数为2.5-5。

13、本发明实施方式第二方面提供一种用于薄膜致动器的复合介电弹性体薄膜，所述复合介电弹性体薄膜为根据上述制备方法制得。

14、本发明实施方式第三方面提供一种介电弹性体薄膜致动器，所述介电弹性体薄膜致动器为关节式弯折结构，包括：复合介电弹性体层、第一柔性框架和第二柔性框架，其中，所述复合介电弹性体层包括：上述用于薄膜致动器的复合介电弹性体薄膜，和贴附至所述复合介电弹性体薄膜上下表面的柔性碳脂电极；所述第一柔性框架贴附至所述复合介电弹性体层的下表面，所述第一柔性框架的中心部位设置有镂空图案一，所述镂空图案一与所述柔性碳脂电极的形状和位置对应；所述第二柔性框架包括两个分离的子框架，均贴附至所述复合介电弹性体层的上表面，两个所述子框架相互靠近的部分分别设置有镂空图案二，两个所述镂空图案二整体与所述镂空图案一的形状和位置对应。

15、进一步地，所述柔性碳脂电极为圆形或椭圆形，所述第二柔性框架的两个所述子框架相互分离的距离为3-10mm，所述第二柔性框架的厚度大于所述第一柔性框架的厚度。

16、本发明实施方式第四方面提供一种基于复合介电弹性体薄膜的爬行致动器，包括：根据本发明第三方面所述的介电弹性体薄膜致动器、前脚和后脚，所述前脚和后脚分别贴附至所述介电弹性体薄膜致动器的两个相对的边缘，所述两个相对的边缘分别与所述介电弹性体薄膜致动器的弯折轴平行，所述前脚和后脚呈尖角或锯齿状，且所述前脚和后脚的尖角或锯齿数量不同，通过所述前脚和后脚的接触摩擦力的差异及外加高压电源的驱动实现爬行。

17、进一步地，所述前脚和后脚的尖角或锯齿数量比为5:1至2:1，所述介电弹性体薄膜致动器在外加高压电源的特定频率下发生共振而产生最大弯曲张角，所述弯曲张角为所述介电弹性体薄膜致动器的关节式弯折结构的弯折角度。

18、本发明实施方式具有以下有益效果：

19、(1)采用改进的共沉淀法合成尿素包裹的钛氧基草酸钡颗粒(batio(c2o4)2@urea，btru)，并且进一步添加碳量子点(cds)，制得壳层结构的btru@cds巨电流变颗粒，其中，钛氧基草酸钡为核，尿素为壳层，碳量子点与尿素包裹的钛氧基草酸钡颗粒之间形成酰胺键而结合。将改性后的btru@cds颗粒掺入到硅橡胶中制备复合de材料，一方面由于cds本质上具有良好半导体特性，在电场下btru与cds可形成“微电容结构”，并产生协同作用，相比于单一的btru颗粒，可大幅提升材料的介电特性；另一方面由于btru与cds两种颗粒本身的负电性，在静电斥力作用下，一定程度上改善了btru本身的团聚问题。

20、(2)本发明实施方式提供的复合介电弹性体薄膜的制备方法制备的复合介电弹性体薄膜，相对于传统的橡胶弹性体具有更优的致动性能。通过浓度梯度实验证明，在较优的实施例中，例如含15wt.％的btru@cds颗粒填充的复合介电弹性体薄膜致动位移，相对于纯橡胶基体可提升683％。并且本发明实施方式提供的复合介电弹性体薄膜具有更优的机械性能及循环稳定性，在一定程度上解决了纳米陶瓷颗粒及导电粒子填充时颗粒团聚和击穿强度低的问题。

21、(3)de复合材料的介电常数随btru@cds颗粒浓度的增加而增大，归因于btru@cds颗粒浓度增加引起复合材料的整体极化增强。但当btru@cds颗粒浓度增大时，体系介电损耗也不断增大，能量转换率降低，而这对提高de的致动性能是不利的。本发明实施方式通过对de复合材料的介电机理研究并结合实验验证，得出btru@cds巨电流变颗粒占复合介电弹性体预聚物的质量比为5-40％，优选为15-30％时，尤其是15％的颗粒浓度时，de复合材料的致动性能更优。原因在于：一方面是该浓度下de材料的机电性能相互协调；另一方面，从能量角度，15％的de材料具有更低的介电损耗和更高的击穿强度，从而表现出更强的电活性。

22、(4)利用btru@cds颗粒掺杂硅橡胶制得的复合介电弹性体薄膜，相较于商用的vhb材料，制膜工艺中不需要过大的拉伸比(例如拉伸比仅为150％×125％)，同时具有优良的循环使用稳定性，连续运行数十万次循环没有显著的性能下降，且薄膜整体柔软，无需较高比例的刚性约束。而商用的vhb材料往往需要400％×400％的预拉伸比，来提供较大的驱动力以及避免发生机电失稳，实际应用时粘性损失强，这些是目前丙烯酸酯类材料无法克服的难点。

23、(5)从器件设计角度，目前多数的柔性爬行机器人控制复杂，一般需对前后“脚”分别控制电压来控制某一方向的运动，或结合两种及以上的控制机理，如介电弹性体致动器与电粘附机理相结合实现爬行。而本发明实施方式提供的基于复合介电弹性体薄膜的爬行致动器，通过简单控制致动器前后脚摩擦力差异，实现前移或爬行，并且通过调节外加高压电源的驱动频率，使得介电弹性体薄膜致动器发生共振而产生最大弯曲张角，即最大电致动效应。其原理在于，通电时，由于复合介电弹性体层发生致动，薄膜扩张导致弯曲张力减小，在当前结构下，这种面积扩张将被转换为垂直于关节间隙的弯曲变形，整个弯折结构以关节为轴张开。最终，凭借前后脚接触摩擦力的差异及外加高压电源的驱动，该爬行致动器在张角反复张开与恢复的过程中向着摩擦力较大的头部发生了前移。即，本发明实施方式提供的基于复合介电弹性体薄膜的爬行致动器，仅使用一个介电弹性体致动器(且由一层介电弹性体薄膜组成)及简单的设置摩擦力差即可控制爬行。

24、(6)根据本发明实施方式的基于复合介电弹性体薄膜的爬行致动器，具有结构简单、质量轻、体积小、控制简单、响应快、爬行速度快、循环寿命高等优点。