電致動(dòng)材料及電致動(dòng)器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電致動(dòng)材料領(lǐng)域，尤其涉及電致動(dòng)材料及電致動(dòng)器。
【背景技術(shù)】
[0002]致動(dòng)器的工作原理為將其它能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換經(jīng)常采用的途徑有三種:通過靜電場(chǎng)轉(zhuǎn)化為靜電力，即靜電驅(qū)動(dòng)；通過電磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為磁力，即磁驅(qū)動(dòng)；利用材料的熱膨脹或其它熱特性實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，即熱驅(qū)動(dòng)。
[0003]利用熱驅(qū)動(dòng)的致動(dòng)器克服了靜電驅(qū)動(dòng)和磁驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器形變量小的缺點(diǎn)，該致動(dòng)器結(jié)構(gòu)只要能夠保證獲得一定的熱能就能產(chǎn)生相應(yīng)的形變，另外，相對(duì)于靜電力和磁場(chǎng)力，熱驅(qū)動(dòng)力較大?，F(xiàn)有技術(shù)公開一種電致動(dòng)器，請(qǐng)參見“基于熱膨脹效應(yīng)的微電致動(dòng)器進(jìn)展”，匡一寧等，電子器件，vol 22，pl62 (1999)。該電致動(dòng)器采用兩片熱膨脹系數(shù)不同的金屬結(jié)合成雙層結(jié)構(gòu)作為電致伸縮元件，當(dāng)通入電流受熱時(shí)，由于一片金屬的熱膨脹量大于另一片，雙金屬片將向熱膨脹量小的一方彎曲。然而，由于上述電致動(dòng)材料采用金屬結(jié)構(gòu)，其柔性較差，形變量較小，致動(dòng)器熱響應(yīng)速度較慢；此外形變只能向一個(gè)方向彎曲，形變模式單一，不利于實(shí)際生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。
[0004]碳基材料包括富勒烯、碳納米管、石墨烯及其衍生物，是近幾年倍受關(guān)注的材料。以碳納米管為例，其具有許多優(yōu)異的性能，可應(yīng)用于許多領(lǐng)域。碳納米管是由石墨片卷成的無(wú)縫中空管體，由于在碳納米管內(nèi)電子的量子限域作用，電子只能在石墨片中沿著碳納米管的軸向運(yùn)動(dòng)，因此碳納米管表現(xiàn)出獨(dú)特的電學(xué)性能和熱學(xué)性能。研究測(cè)試結(jié)果表明，碳納米管的平均電導(dǎo)率可達(dá)到1000~2000S/m(西門子/米)。此外，碳納米管還具有優(yōu)良的力學(xué)性能，如，較高的強(qiáng)度和模量。
[0005]現(xiàn)有基于碳基材料的致動(dòng)器在性能上有了較大的提升，整體柔性較好，形變量增大。然而，還是存在一些局限性，例如致動(dòng)器的結(jié)構(gòu)比較單一，大多是采用雙層材料疊層設(shè)置的結(jié)構(gòu)，因而致動(dòng)器僅能向熱膨脹量小的一側(cè)彎曲，彎曲方向單一，難以滿足目前對(duì)致動(dòng)器多樣化的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供柔性的電致動(dòng)材料及其制備方法，使得能夠根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可快速制備具有特定部位彎曲，雙向彎曲等多功能的電致動(dòng)器。
[0007]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
一種電致動(dòng)材料，其包括第一復(fù)合層、第二復(fù)合層和基體材料層，所述第一復(fù)合層設(shè)于基體材料層一端的表面上，所述第二復(fù)合層設(shè)于基體材料層另一端的表面上，所述第一復(fù)合層包括第一材料層和第一粘結(jié)劑層，所述第一材料層通過第一粘結(jié)劑層層疊設(shè)于基體材料層表面的一端；所述第二復(fù)合層包括第二材料層和第二粘結(jié)劑層，所述第二材料層通過第二粘結(jié)劑層層疊設(shè)于基體材料層表面的另一端；所述第一材料層和第二材料層的熱膨脹系數(shù)與基體材料層的熱膨脹系數(shù)不同，所述第一材料層、第二材料層均為聚合物材料層，所述基體材料層為碳基材料層。
[0008]所述第一復(fù)合層和第二復(fù)合層分別設(shè)在基體材料層的上下兩個(gè)不同的表面上。
[0009]所述第一復(fù)合層和第二復(fù)合層間隔設(shè)在基體材料層的同一表面上。
[0010]所述基體材料層的另一表面對(duì)應(yīng)第一復(fù)合層和第二復(fù)合層的間隔處設(shè)有第三復(fù)合層，第三復(fù)合層的寬度小于第一復(fù)合層和第二復(fù)合層的間隔處的寬度，所述第三復(fù)合層包括第三材料層和第三粘結(jié)劑層，第三材料層通過第三粘結(jié)劑層疊設(shè)于基體材料層的另一表面上，所述第三材料層為聚合物材料層。
[0011]所述的聚合物材料層通過粘結(jié)劑層采用粘結(jié)、壓合的方式層疊設(shè)置于碳基材料層上。
[0012]所述碳基材料層的碳基材料為石墨、碳納米管、石墨烯、氧化石墨烯和碳纖維及它們的衍生物中的一種或兩種以上的組合。
[0013]所述粘結(jié)劑層的粘結(jié)劑為光固化膠、熱固化膠、非導(dǎo)電性固化膠中的一種或兩種以上的的組合。
[0014]所述聚合物材料可以為雙向拉伸聚丙烯、聚丙烯、聚乙烯、硅橡膠、氟硅橡膠、聚甲基丙烯酸甲酯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚氨脂、環(huán)氧樹脂、聚丙烯酸乙酯、聚丙烯酸丁酯、聚苯乙烯、聚丁二烯和聚丙烯腈中的一種或兩種以上的組合。
[0015]所述聚合物材料層的聚合物材料的熱膨脹系數(shù)均大于所述碳基材料層的碳基材料的熱膨脹系數(shù)。
[0016]本發(fā)明還公開一種所述的電致動(dòng)材料的制備方法，其包括以下步驟:
步驟一:形成一由碳基材料薄膜構(gòu)成基體材料層；
步驟二:形成由已聚合完成的聚合物薄膜構(gòu)成的聚合物材料層；
步驟三:將作為粘結(jié)劑層的粘結(jié)劑均勻覆蓋在由聚合物薄膜構(gòu)成的聚合物材料層上，分別形成第一復(fù)合層和第二復(fù)合層；
步驟四:通過粘結(jié)劑層采用粘結(jié)、壓合的方式將第一復(fù)合層設(shè)于基體材料層一端的表面上，將第二復(fù)合層設(shè)于基體材料層另一端的表面上。
[0017]形成所述聚合物薄膜的方法包括縮聚反應(yīng)、聚加反應(yīng)、自由基聚合反應(yīng)、陰離子聚合反應(yīng)和陽(yáng)離子聚合反應(yīng)，根據(jù)聚合物材料層的聚合物單體種類的不同選取相應(yīng)的方法形成所述聚合物薄膜。
[0018]將粘結(jié)劑層均勻分布在聚合物材料層上的方法包括旋涂法、提拉法和涂抹法。
[0019]本發(fā)明還公開一種S型電致動(dòng)器，其包括一采用權(quán)利要求2所述的電致動(dòng)材料、至少一第一電極與至少一第二電極，所述至少一第一電極與至少一第二電極間隔設(shè)置于所述電致動(dòng)材料的基體材料層的表面上，并與所述基體材料層電連接。
[0020]在所述第一電極及第二電極通電時(shí)，S型電致動(dòng)器具有復(fù)合層的特定部位會(huì)分別向2個(gè)方向彎曲，使得致動(dòng)器整體形成S型彎曲。
[0021]本發(fā)明還公開一種波浪型電致動(dòng)器，其包括一采用權(quán)利要求3所述的電致動(dòng)材料、至少一第一電極與至少一第二電極，所述至少一第一電極與至少一第二電極間隔設(shè)置于所述電致動(dòng)材料的基體材料層的表面上，并與所述基體材料層電連接。
[0022]在所述第一電極及第二電極通電時(shí)，所述波浪型電致動(dòng)器具有復(fù)合層的特定部位會(huì)共同向同一個(gè)方向的彎曲，波浪型電致動(dòng)器的彎曲部位不連續(xù)。
[0023]本發(fā)明還公開一種雙向波浪型電致動(dòng)器，其包括一采用權(quán)利要求4所述的電致動(dòng)材料、至少一第一電極與至少一第二電極，所述至少一第一電極與至少一第二電極間隔設(shè)置于所述電致動(dòng)材料的基體材料層的表面上，并與所述基體材料層電連接。
[0024]在所述第一電極及第二電極通電時(shí)，雙向波浪型電致動(dòng)器具有復(fù)合層的特定部位會(huì)形成向2個(gè)方向的雙向波浪型彎曲，雙向波浪型電致動(dòng)器的彎曲部位不連續(xù)。
[0025]本發(fā)明采用以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比較，所述的電致動(dòng)材料具有以下優(yōu)點(diǎn):其一，可通過先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備工藝實(shí)現(xiàn)致動(dòng)器的特定部位產(chǎn)生特定方向彎曲，例如實(shí)現(xiàn)S型、波浪型、雙向波浪型等彎曲形變，大大拓寬致動(dòng)器的多樣性；其二，制備流程簡(jiǎn)單，生產(chǎn)時(shí)間短，可以短時(shí)間大規(guī)模制備；其三，采用柔性聚合物材料與碳基材料作為主要材料，使得所述電致動(dòng)器具有柔性，且兼具碳基材料良好的電學(xué)與力學(xué)性能；其四，所述電致動(dòng)器響應(yīng)迅速，形變程度大，優(yōu)于目前所報(bào)道的同類型致動(dòng)器。
【附圖說明】
[0026]以下結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明；
圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的S型電致動(dòng)器剖面圖；
圖2為本發(fā)明實(shí)施例1的S型電致動(dòng)器的致動(dòng)效果圖；
圖3為本發(fā)明實(shí)施例2的波浪型電致動(dòng)器剖面圖；
圖4為本發(fā)明實(shí)施例2的波浪型電致動(dòng)器的致動(dòng)效果圖；
圖5為本發(fā)明實(shí)施例3的雙向波浪型電致動(dòng)器剖面圖；
圖6為本發(fā)明實(shí)施例3的雙向波浪型電致動(dòng)器的致動(dòng)效果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]實(shí)施例1:
如圖1或圖2所示，本發(fā)明公開一種電致動(dòng)材料10，其包括第一復(fù)合層、第二復(fù)合層和基體材料層17，所述第一復(fù)合層設(shè)于基體材料層17 —端的表面上，所述第二復(fù)合層設(shè)于基體材料層17另一端的表面上，所述第一復(fù)合層和第二復(fù)合層分別設(shè)在基體材料層的上下兩個(gè)不同的表面上。所述第一復(fù)合層包括第一材料層13和第一粘結(jié)劑層14，第一材料層13和第一粘結(jié)劑層14具有相同的長(zhǎng)度和寬度，所述第一材料層13通過第一粘結(jié)劑層14層疊設(shè)于基體材料層17表面的一端；所述第二復(fù)合層包括第二材料層15和第二粘結(jié)劑層16，第二材料層15和第二粘結(jié)劑層16具有相同的長(zhǎng)度和寬度，所述第二材料層15通過第二粘結(jié)劑層16層疊設(shè)于基體材料層17表面的另一端；所述第一材料層13和第二材料層14的熱膨脹系數(shù)大于基體材料層17的熱膨脹系數(shù)，所述第一材料層13、第二材料層14均為聚合物材料層，所述基體材料層17為碳基材料層。
[0028]所述第一材料層13和第二材料層15為聚合物材料，可以為雙向拉伸聚丙稀，聚丙烯，聚乙烯，硅橡膠、氟硅橡膠、聚甲基丙烯酸甲