专利名称：同时具有驱动和传感能力的组合功能器件及其制备和应用的制作方法
技术领域：
本发明的具有驱动和传感能力的PVDF与离子交换膜组合功能器件可广泛应用于航空航天、仿生工程、生物医药以及能量收集等领域。
背景技术：
长期以来，研究人员一直致力于在工程和机械领域广泛应用的硬材料研究，然而， 自然界中动、植物生物体的机械结构通常是软材料。与传统的金属、陶瓷等“硬质材料”相比，高分子聚合物是“软质材料”的典型代表。软质材料针对外界的刺激(如机械应力、温度、 电磁场等等)能够产生不同程度的形变而体现出活性。智能软材料是一种能感知外部刺激、 进行判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料，相比传统硬质智能材料具有可承受大变形、具备良好生物亲和性、密度低等特点。智能材料及智能器件有着巨大的潜在的应用前景，从大到石油开采密封，小到药物输送，在机械，医疗，军工都有广泛的应用，由于其变形能力和驱动力都接近于生物肌肉，在机器人领域也有非常好的发展前景。智能软材料在模拟生物特征方面展现出了无与伦比的特性，因此它也被称为“活”性软材料。作为新型智能软活性聚合物材料的代表，电致活性聚合物(Electro-active polymer ΕΑΡ)主动软材料日益显示出其巨大的优越性。离子型EAP如离子聚合物基金属复合材料(IPMC)等。IPMC材料可以在较低电压下(1 2V)产生诱导弯曲位移，但是需要保持一定的湿润度，而且在直流电场激励下很难保持稳定的诱导位移。聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物是最常见的铁电智能软聚合物。由于它们具有良好的柔韧性并易制成大面积的薄膜，因而在音频和超声传感器、生物医学传感器、机电换能器以及热释电和光学器件中具有重要的应用前景。但其致动能力低下，在 150MV/m电场下，其电致伸缩应变为7%。
常规IPMC及PVDF属性及优、缺点
表一两种功能材料的基本特征
权利要求
1.一种同时具有驱动和传感能力的组合功能器件，包括PVDF膜构成的压电层，其特征在于，所述的复合材料以离子交换增强导电层(1)为中心，上下两面由内向外对称的设有压电层(2)和电极层(3);压电层(2)的设置为以离子交换增强导电层(1)为中心两边正负极相互对应设置；所述的离子交换增强导电层(1)为离子交换溶液固化成型得到，所述的离子交换溶液为Nafion溶液中均勻添加纳米级导电颗粒；所述的压电层(2)为PVDF膜；所述的电极层 (3)为金属Ag或Al构成的呈网格状的若干相互独立的微电极，各微电极之间相互绝缘，根据设计需要与驱动源或是传感源进行电连接。
2.如权利要求1所述的同时具有驱动和传感能力的组合功能器件，其特征在于，所述的纳米级导电颗粒为碳纳米管、石墨烯或纳米级金属粉末。
3.制备权利要求1或2所述的同时具有驱动和传感能力的组合功能器件的方法，采用一体浇注成型法，其特征在于，步骤为第一步，配制离子交换溶液向质量百分比浓度为 25 50%的Nafion溶液中，按照体积比为DMSO :Naf ion 1:20 50滴加DMS0，然后超声震荡去除溶液中的气泡得到铸膜液；按纳米级导电颗粒的体积占成膜体积的1 5%的比例将纳米级导电颗粒加入铸膜液中，超声震荡分散均勻得到离子交换溶液；第二步，固定压电层对压电层PVDF膜的黏结表面进行粗化，使表面呈磨砂状，清洁后在另一面涂抹脱模剂，以两片PVDF膜为一组，将每组PVDF膜按照正负极相互对应的，分别固定于两个滑动分隔片(II-3)的相对的表面，再将滑动分隔片(II-3)放置于成型模具中， 安装好成型模具；第三步，浇注成型将第一步得到的离子交换溶液浇注于成型模具中，真空干燥至得到的离子交换增强导电层的表面干燥，打开成型模具，将滑动分隔片(II-3)连同中间的离子交换增强导电层以及成型模具内的定位导轨(II-4) 一起取出，从最外侧的两个滑动分隔片 (II-3)使用夹持装置夹持紧固置于烘箱干燥，成型后自然冷却至室温；再放入超纯水中吸水溶胀，取出后顺次拆下滑动分隔片(II-3)得到层状聚合物；第四步，制备电极层(3):在烘干的层状聚合物的表面按设计要求采用涂敷或加防护罩的方法，使用常规的溅射或是蒸镀的方式镀上金属Ag或Al形成网格状的相互绝缘的微电极；第五步，然后，置于70 100°C恒温场中，以600 1000KV /cm的极化电压，极化0. 5 1小时，缓慢冷却至室温后撤去电场。
4.用于权利要求3的制备同时具有驱动和传感能力的组合功能器件的方法中的成型模具，其特征在于，整体为截面为矩形的中空柱形结构，由上到下依次分为限位装置(I)和成型装置(II)两个相互独立的部分，限位装置(I)和成型装置(II)的连接处设有密封装置 (III);所述的限位装置(I)与滑动分隔片(II-3)两边相接的地方设有若干限位槽(1-1);所述的成型装置(II)由U型固化槽、活动挡板(11-5)、定位导轨(II-4)和滑动分隔片(II-3) 组成，滑动分隔片(II-3)的高度大于成型装置(II)的高度，滑动分隔片(II-3)的顶端对应于限位槽(I-I)的部位设有凸起，滑动分隔片(II-3)穿过定位导轨(II-4)滑动设于定位导轨(II-4)上，定位导轨(II-4)可拆卸的悬空设置于U型固化槽内，活动挡板(II-5)可拆卸的设于U型槽的两个U型截面处；在限位装置(I)和成型装置(II)的连接面上相互对应的设有至少一对连接限位装置。
5.如权利要求4所述的用于制备同时具有驱动和传感能力的组合功能器件的方法中的成型模具，其特征在于，所述的限位装置(I)的高度为成型装置(II)高度的1.5倍。
6.如权利要求4所述的用于制备同时具有驱动和传感能力的组合功能器件的方法中的成型模具，其特征在于，所述的密封装置(III)为橡胶或硅胶密封圈。
7.如权利要求4所述的用于制备同时具有驱动和传感能力的组合功能器件的方法中的成型模具，其特征在于，所述的连接限位装置为设在U型固化槽上的凸起限位栓(II-7) 与对应设置在限位装置(I)的底面的限位孔(1-2)构成。
8.基于权利要求1或2所述的同时具有驱动和传感能力的组合功能器件的使用方法， 其特征在于，可编程电源产生激励信号通过控制开关激励所控制的具有驱动和传感功能的复合材料产生变形，输出位移或力的同时产生的压电信号通过电荷放大系统收集放大后输入功率放大系统，经功率放大的信号被数字采集系统收集，并转换为可识别的信号再重新输入可编程电源，同时调用可编程电源中的控制程序重新调整输出的激励信号，循环往复自适应驱动复合材料。
9.如权利要求8所述的基于同时具有驱动和传感能力的组合功能器件的使用方法，其特征在于，每个控制开关独立控制具有驱动和传感功能的复合材料的其中一个网格区域， 离子交换增强导电层与压电层在外加电场的作用下向外加电场的阳极弯曲，控制不同区域的电场方向实现不同区域的相对独立变形。
全文摘要
本发明公开了一种同时具有驱动和传感能力的组合功能器件及其制备和应用，包括PVDF膜构成的压电层，所述的复合材料以离子交换增强导电层为中心，上下两面由内向外对称的设有压电层和电极层；压电层的设置为以离子交换增强导电层为中心两边正负极相互对应设置；所述的离子交换增强导电层为离子交换溶液固化成型得到，所述的离子交换溶液为Nafion溶液中均匀添加纳米级导电颗粒；所述的压电层为PVDF膜；所述的电极层为金属Ag或Al构成的呈网格状的若干相互独立的微电极，各微电极之间相互绝缘，根据设计需要与驱动源或是传感源进行电连接。在较低的致动电压下即可输出大变形，具有较大的功重比。
文档编号H01L41/193GK102522494SQ201110417560
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月14日 优先权日2011年12月14日
发明者卞侃, 朱程燕, 李伟, 熊克, 盛仪 申请人:南京航空航天大学