基于電活性軟物質(zhì)的可控面外變形單元的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及軟物質(zhì)材料應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種應(yīng)用電活性軟物質(zhì)厚膜產(chǎn)生可調(diào)控面外變形的結(jié)構(gòu)單元。
【背景技術(shù)】
[0002]具有電活性的高分子聚合物材料(Electric Active Polymer，ΕΑΡ)屬于軟物質(zhì)材料的一類，其本身具有電活性、柔韌性好、重量輕、性質(zhì)穩(wěn)定、可透光、材料成本低廉等優(yōu)點。目前對EAP比如介電高彈聚合物(Dielectric Elastomer, DE)材料應(yīng)用技術(shù)研宄的相關(guān)文獻主要集中在將其制成各種形式的作動器(Dielectric Elastomer Actuators, DEAs)，比如 2006 年 Plante 等人在期刊 “ Internat1nal Journal of Solids and Structures” 發(fā)表的“Large-scale failure modes of dielectric elastomer actuators，，論文中論述的就是典型的DEAs。已有的這類DEAs中均采用的是連續(xù)分布的柔性電極，利用的是DE材料膜的面內(nèi)變形產(chǎn)生驅(qū)動效果。目前還未有見有關(guān)利用EAP材料產(chǎn)生可以調(diào)節(jié)控制面外變形的文獻或?qū)＠_發(fā)表，而產(chǎn)生可調(diào)控的面外變形對結(jié)構(gòu)物面三維紋理形貌調(diào)控應(yīng)用具有重要價值。
[0003]目前人工設(shè)計的具有特殊物面特性物面三維紋理形貌的實現(xiàn)主要有兩種方式，一種是采用機械加工形式直接在結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生所需要的三維紋理形貌，如2008年韓鑫等在“中國科學(xué)”發(fā)表的“鯊魚皮復(fù)制工藝研宄”論文中應(yīng)用的微壓印和微塑鑄工藝都屬于這種方式。另一種方式是通過在結(jié)構(gòu)表面粘貼具有已成形紋理形貌的附加層方式獲得需要的紋理形貌，如1995年李育斌等在“氣動實驗與測量控制”發(fā)表的“運七飛機外表面溝紋膜減阻的實驗研宄”中就是采用預(yù)制好的溝紋膜粘貼在飛機表面實現(xiàn)對飛機表面紋理特性改變，達到減小表面阻力的目的。對于第一種方式，由于依賴于傳統(tǒng)的機械加工方式，因而使得能獲得的紋理形貌在幾何尺度上受到限制，而且在面對一些具有復(fù)雜曲面構(gòu)型的結(jié)構(gòu)表面時，機械加工產(chǎn)生特定的物面三維紋理形貌的方式可能無法實施。此外，這兩種方式獲得的物面紋理形貌模式固定、尺度單一，而這種固定模式的紋理形貌對外界環(huán)境條件變化的功能適應(yīng)性差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的加工性差和對外界環(huán)境條件變化的功能適應(yīng)性差的不足，本發(fā)明提出了一種基于電活性軟物質(zhì)的可控面外變形單元。
[0005]本發(fā)明包括蓋片、電活性軟物質(zhì)厚膜元、底盒和兩組接線端子。其中，所述兩組接線端子分別嵌裝在底盒兩側(cè)邊框外表面的框板上。所述電活性軟物質(zhì)厚膜元位于該底盒內(nèi)底板上。在所述電活性軟物質(zhì)厚膜元的上表面的部分區(qū)域和下表面的部分區(qū)域分別涂覆有柔性電極涂層；在位于電活性軟物質(zhì)厚膜元的上表面的柔性電極涂層上均覆蓋有蓋片。
[0006]所述柔性電極涂層的涂覆區(qū)域為矩形或圓形；當所述柔性電極涂層的涂覆區(qū)域為矩形時，該涂覆區(qū)域為所述電活性軟物質(zhì)厚膜元的上表面的兩側(cè)邊處和下表面的兩側(cè)邊處；當所述的涂覆區(qū)域為圓形時，在所述電活性軟物質(zhì)厚膜元的上表面中心圓形區(qū)域以外和下表面中心的圓形區(qū)域以外的表面涂覆有柔性電極涂層。
[0007]當所述所述的涂覆區(qū)域為矩形時，覆蓋在所述涂覆區(qū)域上的蓋片為兩片矩形蓋片；當所述所述的涂覆區(qū)域為圓形時，覆蓋在所述涂覆區(qū)域上的蓋片為一片，并且該蓋片的中部開有圓形孔，該圓形孔的直徑小于未涂覆柔性電極涂層區(qū)域的直徑。
[0008]所述底盒內(nèi)腔的高度為所述電活性軟物質(zhì)厚膜元與柔性電極涂層的厚度之和。在所述底盒相對稱的兩側(cè)邊框框板上分別有4個嵌裝接線端子的安裝槽，在各安裝槽的槽底部分別有貫通所在邊框框板的導(dǎo)線過孔。
[0009]所述每側(cè)邊框框板上的安裝槽分為2組，其中位于各邊框框板兩端的2個安裝槽用于安裝第一組接線端子，位于各邊框框板中間的2個安裝槽用于安裝第二組接線端子。
[0010]本發(fā)明是利用電活性軟物質(zhì)(如DE材料)厚膜單元產(chǎn)生可調(diào)控的面外變形，通過設(shè)計制作的物面調(diào)控單元，實現(xiàn)對物面三維紋理形貌的“可控重塑調(diào)節(jié)”，從而達到改變結(jié)構(gòu)表面的光學(xué)、親/疏水性、粘附性、表面阻力特性等物面特性，實現(xiàn)對物面特性進行調(diào)節(jié)和控制的目的。
[0011]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出設(shè)計制作可產(chǎn)生可控面外變形的電活性軟物質(zhì)材料厚膜結(jié)構(gòu)單元，這里稱其為物面調(diào)控單元。物面調(diào)控單元的基本外形為具有一定厚度的四邊形片狀構(gòu)型。物面調(diào)控單元包括蓋片、柔性電極涂層、變形厚膜元、底盒、和兩組接線端子。變形厚膜單元為電活性軟質(zhì)厚膜，上下表面對稱設(shè)置有間隔分布式柔性電極涂層；底盒為無上端蓋面，具有一定壁厚的深度的正四邊形盒體結(jié)構(gòu)；蓋片為具有一定厚度的正四邊形薄片，兩片蓋片的面積之和小于底盒上端面面積，不完全覆蓋底盒上表面，而是蓋上后為變形厚膜元產(chǎn)生面外變形預(yù)留了開口區(qū)域；蓋片與底盒選用絕緣材料，如尼龍、PVC、亞克力等制成。蓋片與底盒構(gòu)成了物面調(diào)控單元的外殼，主要對變形厚膜元提供基本結(jié)構(gòu)支持。底盒底面為物面調(diào)控單元與被控物面提供粘接面。接線端子為具有一定直徑的裸導(dǎo)線段，嵌裝在底盒側(cè)邊的淺槽中，底盒側(cè)邊框開有小孔用于導(dǎo)線通過，細導(dǎo)線將柔性電極涂層與接線端子相連，為柔性電極與外部電路連接提供接口。
[0012]物面調(diào)控單元產(chǎn)生面外變形的機理可簡要解釋為:在通過間隔分布式柔性電極對軟物質(zhì)厚膜元施加驅(qū)動電壓時，有柔性電極涂層覆蓋區(qū)域的軟物質(zhì)厚膜材料由于MaxwelI效應(yīng)受到厚度方向擠壓，厚度方向擠壓使其厚度減小面積增大；沒有柔性電極涂層覆蓋區(qū)域兩側(cè)或周圍是有柔性電極涂層覆蓋的區(qū)域，有柔性電極涂層覆蓋區(qū)域的軟物質(zhì)厚膜發(fā)生面積增大，對沒有柔性電極涂層覆蓋區(qū)域的軟物質(zhì)厚膜從兩側(cè)或周圍產(chǎn)生推擠驅(qū)動作用，沒有柔性電極涂層覆蓋區(qū)域的軟物質(zhì)厚膜是自由無約束的，因此沒有柔性電極覆蓋區(qū)域的軟物質(zhì)厚膜受到推擠驅(qū)動會發(fā)生彎曲產(chǎn)生面外變形。
[0013]本發(fā)明在物面調(diào)控單元尺寸的確定在兼顧成本的同時還要考慮被調(diào)控物面的具體情況。這一階段還要進行物面調(diào)控單元中電活性軟物質(zhì)變形厚膜元的參數(shù)設(shè)計，選定定變形膜元的厚度，確定間隔分布式柔性電極的形式和具體參數(shù)。這些設(shè)計工作可以通過有限元軟件仿真的方式來輔助進行。變形厚膜元采用電活性軟物質(zhì)厚膜的厚度一般在毫米量級，變形元上下表面對應(yīng)的設(shè)置有間隔分布的柔性電極，中間沒有柔性電極分布的面積占總表面積的60%，柔性電極覆蓋了這部分面積兩邊的各占20%表面積。
[0014]間隔分布式柔性電極涂層的形式可分為兩種:一種稱為條紋間隔式，即柔性電極涂層覆蓋區(qū)與沒有其覆蓋的區(qū)域呈條紋狀間隔分布，這種分布形式可產(chǎn)生條紋狀凸?；虬疾鄣拿嫱庾冃?；一種稱為按鈕式，即沒有柔性電極涂層覆蓋的區(qū)域呈圓形，這種分布形式可產(chǎn)生鼓包凸起或凹坑的面外變形。
[0015]實際使用時需根據(jù)結(jié)構(gòu)物面的實際情況，組合配置一定數(shù)量物面調(diào)控單元覆蓋被調(diào)控結(jié)構(gòu)表面，通過施加驅(qū)動電壓產(chǎn)生可調(diào)控的面外變形，重塑結(jié)構(gòu)表面的紋理形貌，進而達到調(diào)控結(jié)構(gòu)表面物面特性的目的。
[0016]本發(fā)明提出的物面調(diào)控單元可用于結(jié)構(gòu)表面3D紋理形貌調(diào)控，可通過改變結(jié)構(gòu)表面紋理形貌實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)物面特性(如光學(xué)、親/疏水性、粘附性、表面阻力特性等)的調(diào)節(jié)控制。具有在航行器表面減阻、機器人面部仿人表情實現(xiàn)、交互式觸摸顯示