一种两栖多功能器件及其制作方法

本发明涉及器件领域，尤其涉及一种两栖多功能器件及其制作方法。

背景技术：

1、驱动器是一种可以将外部刺激能量转化为机械，能从而实现形变和运动的能量转换装置，常用于机器人的驱动部件。驱动模块和储能模块是两栖机器人的两个重要部分，目前在机器人中这两个模块是分开的，不利于机器人的小型化和多功能化。超级电容器是一种重要的电化学储能器件，具有良好的功率密度和循环寿命。现有的超级电容器和驱动器经常单独使用，缺乏有效的集成。而且目前缺乏能够同时在水下和陆地上同时使用的集成平台。

2、传统的超级电容器涉及电极/电解液界面在水中容易分开脱落，无法在水下执行任务。在现有的海洋机器人中，驱动模块和储能模块是分开的，不利于机器人的小型化和多功能化；现有的水下驱动器性能还比较差，驱动形变曲率较小。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种两栖多功能器件及其制作方法，能够在水下和陆上的两栖环境中同时具有储能和驱动功能。

2、本发明采用的技术方案是：

3、一种两栖多功能器件，其包括驱动与储能共用层、水凝胶层、储能层和水凝胶复合层；

4、驱动与储能共用层包括驱动模块和储能模块，驱动模块和储能模块分别位于驱动与储能共用层的两端；储能模块的储能层，覆盖于水凝胶复合层表面；

5、水凝胶层覆盖于驱动与储能共用层的一端的驱动模块，水凝胶层与驱动与储能共用层构成驱动器结构；

6、水凝胶复合层覆盖于驱动与储能共用层的另一端的储能模块，水凝胶复合层夹层于驱动与储能共用层和储能层之间；驱动与储能共用层、水凝胶复合层和储能层构成超级电容结构；

7、水凝胶层和驱动与储能共用层的积水溶胀能力不同。

8、进一步地，所述驱动与储能共用层包括碳材料薄膜，所述储能层包括碳材料薄膜。

9、进一步地，碳材料薄膜的碳材料可以为石墨烯、石墨、碳纳米管、富勒烯及其衍生物等中的一种，或者两种以上的混合物。

10、进一步地，所述水凝胶层包括聚乙烯醇水凝胶材料。

11、进一步地，所述水凝胶复合层包括两个聚吡咯层和一个水凝胶电解质层，两个聚吡咯层分别形成于水凝胶电解质层的两个表面。

12、进一步地，所述驱动模块和储能模块在所述驱动与储能共用层相邻设置，所述驱动模块所占面积不小于驱动与储能共用层的二分之一。

13、一种两栖多功能器件制作方法，包括以下步骤：

14、s10，提供驱动与储能共用层和储能层，所述驱动与储能共用层包括储能模块和驱动模块，所述储能层仅包括储能模块；

15、s20，制作所述水凝胶复合层；

16、s30，将所述水凝胶复合层夹层于所述驱动与储能共用层和所述储能层，形成超级电容器结构，位于所述储能模块；

17、s40，制作水凝胶层，所述水凝胶层与所述驱动与储能共用层构成驱动器结构，位于所述驱动模块。

18、进一步地， s20中水凝胶复合层的制作步骤如下：

19、s21，制作聚乙烯醇-硫酸水凝胶电解质，并将其浸泡在吡咯的盐酸水溶液中；

20、s22，将过硫酸铵水溶液加入到所述吡咯的盐酸水溶液中；

21、s23, 用去离子水、乙醇和丙酮对所述的吡咯和过硫酸铵混合溶液中的所述聚乙烯醇-硫酸水凝胶电解质清洗；

22、s24，清洗干净后的所述聚乙烯醇-硫酸水凝胶电解质即为水凝胶复合层，包括所述聚乙烯醇-硫酸水凝胶电解质和两个聚吡咯层。

23、进一步地，在s22中取15ml的过硫酸铵水溶液均匀滴加于吡咯的盐酸水溶液中，并将其置于0℃环境中反应3h。

24、进一步地，水凝胶层采用聚乙烯醇水凝胶，通过在碳材料薄膜表面涂覆聚乙烯醇水溶液并自然烘干制得聚乙烯醇水凝胶。

25、进一步地，在s40中水凝胶层的制作方法包括以下步骤：

26、在所述驱动与储能共用层的驱动模块涂覆水凝胶溶液，并自然烘干制得水凝胶层；水凝胶层与驱动与储能共用层的积水溶胀能力不同。

27、本发明采用以上技术方案，针对驱动模块和储能模块的集成化及其面向两栖环境的使用场景特殊性，提出以水溶胀性的水凝胶材料为基底，通过多种结构调控方式制备水凝胶驱动器，并通过原位聚合等方式制备一体型水凝胶超级电容器。

28、首先利用水凝胶和石墨材料积水溶胀性能的差异制备两栖驱动器，驱动器中的水凝胶在水中吸收水分膨胀，从而向石墨材料一侧弯曲，在空气中失去水分发生收缩，向水凝胶一侧弯曲。为了克服传统超级电容器中电极与电解液在水下容易分离的不足，本发明采用一体化水凝胶超级电容器的策略。通过在水凝胶块体中原位聚合电化学活性材料，制备了无界面一体型水凝胶超级电容器。本发明的实施可以实现两栖驱动储能平台的有效集成，实现其在多功能机器人中的应用。

技术特征：

1.一种两栖多功能器件，其特征在于：其包括驱动与储能共用层、水凝胶层、储能层和水凝胶复合层；

2.根据权利要求1所述的一种两栖多功能器件，其特征在于：所述驱动与储能共用层包括碳材料薄膜，储能层包括碳材料薄膜。

3.根据权利要求2所述的一种两栖多功能器件，其特征在于：碳材料薄膜采用的碳材料为石墨烯、石墨、碳纳米管、富勒烯及其衍生物中的一种，或者两种以上的混合物。

4.根据权利要求1所述的一种两栖多功能器件，其特征在于：所述水凝胶层包括聚乙烯醇水凝胶材料。

5.根据权利要求1所述的一种两栖多功能器件，其特征在于：所述水凝胶复合层包括两个聚吡咯层和一个水凝胶电解质层，两个聚吡咯层分别形成于水凝胶电解质层的两个表面。

6.根据权利要求1所述的一种两栖多功能器件，其特征在于：所述驱动模块和储能模块在所述驱动与储能共用层相邻设置，所述驱动模块所占面积不小于驱动与储能共用层的二分之一。

7.一种两栖多功能器件制作方法，用于制作权利要求1至6任一项所述的一种两栖多功能器件，其特征在于：方法包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种两栖多功能器件制作方法，其特征在于：s20中水凝胶复合层的制作步骤如下：

9.根据权利要求8所述的一种两栖多功能器件制作方法，其特征在于：在s22中取15ml的过硫酸铵水溶液均匀滴加于吡咯的盐酸水溶液中，并将其置于0℃环境中反应3h。

10.根据权利要求7所述的一种两栖多功能器件制作方法，其特征在于：s40中水凝胶层采用聚乙烯醇水凝胶，通过在碳材料薄膜表面涂覆聚乙烯醇水溶液并自然烘干制得聚乙烯醇水凝胶。

技术总结
本发明公开一种两栖多功能器件及其制作方法，其包括驱动与储能共用层、水凝胶层和水凝胶复合层；驱动与储能共用层包括驱动模块和储能模块，驱动模块和储能模块分别位于驱动与储能共用层的两端；储能模块的储能层，覆盖于水凝胶复合层表面；水凝胶层覆盖于驱动与储能共用层的一端的驱动模块，水凝胶层与驱动与储能共用层构成驱动器结构；水凝胶复合层覆盖于驱动与储能共用层的另一端的储能模块，水凝胶复合层夹层于驱动与储能共用层和储能层之间；驱动与储能共用层、水凝胶复合层和储能层构成超级电容结构；水凝胶层和驱动与储能共用层的积水溶胀能力不同。本发明的驱动与储能共用层和水凝胶层在吸收水分时的变形程度不同，产生弯曲、复原等驱动变化，构成两栖驱动结构。

技术研发人员：薛冠峰,罗志灵,陈鲁倬
受保护的技术使用者：福建师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15