電熱致動器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種電熱致動器，尤其涉及一種使用碳納米管紙的電熱致動器。
【背景技術(shù)】
[0002] 致動器的工作原理為將其它能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實現(xiàn)送一轉(zhuǎn)換經(jīng)常采用的途徑有 立種；通過靜電場轉(zhuǎn)化為靜電力，即靜電驅(qū)動；通過電磁場轉(zhuǎn)化為磁力，即磁驅(qū)動；利用材 料的熱膨脹或其它熱特性實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，即熱驅(qū)動。
[0003] 現(xiàn)有的熱致動器通常是W聚合物為主體的膜狀結(jié)構(gòu)，通過電流使聚合物溫度升高 并導(dǎo)致明顯的體積膨脹，從而實現(xiàn)致動。熱致動設(shè)備的原理決定了電極材料必須具備很好 的導(dǎo)電性、柔性和熱穩(wěn)定性。
[0004] 含有碳納米管的復(fù)合材料已被發(fā)現(xiàn)可用來制備電熱致動復(fù)合材料。現(xiàn)有技術(shù)提供 一種含有碳納米管的電熱致動復(fù)合材料，包括柔性高分子基底材料及分散在柔性高分子基 底材料中的碳納米管。含有碳納米管的電熱致動復(fù)合材料可W導(dǎo)電，通電W后可發(fā)熱，發(fā)熱 后，所述含有碳納米管的電熱致動復(fù)合材料體積發(fā)生膨脹，進(jìn)而實現(xiàn)彎曲致動。然而，該電 熱致動復(fù)合材料的形變量有限，且響應(yīng)速率較慢，不利于其進(jìn)一步應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，確有必要提供一種可W實現(xiàn)較大形變量且具有較快響應(yīng)速率的電熱致 動器。
[0006] 一種電熱致動器，其特征在于，包括至少兩個致動部、至少一連接部W及至少兩個 電極，所述至少兩個致動部通過所述至少一連接部電連接，每一致動部及每一連接部包括 一柔性高分子層W及一碳納米管紙，所述碳納米管紙與所述柔性高分子層層疊設(shè)置，且至 少部分碳納米管紙包埋于所述柔性高分子層中，所述碳納米管紙與所述柔性高分子層的厚 度比大于等于1 ;1〇小于等于1 ;7,所述碳納米管紙的密度大于等于0. 5g/cm3,所述柔性高 分子基體的熱膨脹系數(shù)為所述碳納米管紙的熱膨脹系數(shù)的10倍W上，至少兩個致動部和 至少一連接部連接形成至少一導(dǎo)電通路，所述至少兩個電極間隔設(shè)置向該導(dǎo)電通路引入驅(qū) 動電流，每一所述致動部中碳納米管紙沿其電流方向的電導(dǎo)率大于等于lOOOS/m且小于等 于6000S/m，每一所述連接部中碳納米管紙沿其電流方向的電導(dǎo)率大于6000S/m。
[0007] -種電熱致動器，其特征在于，包括；至少兩個致動部和至少一個連接部，所述至 少兩個致動部和至少一連接部分別沿一第一方向和一第二方向延伸且連接形成至少一導(dǎo) 電通路，每一致動部及每一連接部包括包括一柔性高分子層W及一碳納米管紙層疊設(shè)置， 且至少部分碳納米管紙包埋于所述柔性高分子層中，所述碳納米管紙與所述柔性高分子層 的厚度比大于等于1 ;1〇小于等于1 ;7,所述碳納米管紙的密度大于等于0.5g/cm3,所述柔 性高分子層的熱膨脹系數(shù)為所述碳納米管紙的熱膨脹系數(shù)的10倍W上；W及至少兩個電 極，該至少兩個電極分別設(shè)置于所述導(dǎo)電通路的兩端，且與所述碳納米管紙電連接，向該導(dǎo) 電通路引入驅(qū)動電流，每一所述致動部沿所述第一方向的電導(dǎo)率大于等于lOOOS/m且小于 等于6000S/m，每一所述連接部沿所述第二方向的電導(dǎo)率大于6000S/m。
[0008] 與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明提供的電熱致動器，其包括柔性高分子基體，W及設(shè)置 于柔性高分子基體表面的碳納米管紙，由于碳納米管紙的密度較大，機(jī)械強度較大，可W對 柔性高分子基體具有更好的固定作用，進(jìn)而使得彎曲致動的形變量較大。由于碳納米管紙 的熱導(dǎo)率很高，通電后可W快速升溫并將熱量傳導(dǎo)給柔性高分子基體，使柔性高分子基體 受熱膨脹產(chǎn)生致動，進(jìn)而使所述電熱致動器的熱響應(yīng)速率較高，可W達(dá)到10砂W下。另外， 通過調(diào)整電導(dǎo)率在大于等于lOOOS/m小于等于6000 S/m范圍內(nèi)的方向，可W使所述電熱致 動復(fù)合材料W及電熱致動器具有彎曲方向可控性。
【附圖說明】
[0009]圖1為本發(fā)明第一實施例提供的電熱致動復(fù)合材料的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010] 圖2為本發(fā)明第一實施例提供的電熱致動復(fù)合材料伸縮前與通電伸縮后的對比 示意圖。
[0011] 圖3為本發(fā)明第二實施例提供的電熱致動器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012] 圖4為本發(fā)明第H實施例提供的電熱致動器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013] 圖5為本發(fā)明第H實施例提供的其它形狀的電熱致動器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖6為本發(fā)明第H實施例提供的包括多個電極的電熱致動器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015] 圖7為本發(fā)明第四實施例提供的電熱致動器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖8為本發(fā)明第五實施例提供的電熱致動器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017] 圖9為本發(fā)明第五實施例提供的其它形狀的電熱致動器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖10為本發(fā)明第五實施例提供的具有多個導(dǎo)電通路的電熱致動器的結(jié)構(gòu)示意 圖。
[0019] 圖11為本發(fā)明提供的電熱致動器制備方法的流程圖。
[0020] 主要元件符號說明
如下【具體實施方式】將結(jié)合上述附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明。
【具體實施方式】
[0021] W下將結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明提供的電熱致動復(fù)合材料及電熱致動器。
[0022] 請參考圖1，本發(fā)明第一實施例提供一種電熱致動復(fù)合材料100,其包括；一柔性 高分子層140 W及一碳納米管紙120。所述碳納米管紙120與所述柔性高分子層140層疊 設(shè)置，且至少部分碳納米管紙120包埋于所述柔性高分子層140中。所述柔性高分子層140 的熱膨脹系數(shù)為所述碳納米管紙120的熱膨脹系數(shù)的10倍W上，更優(yōu)選地，所述柔性高分 子層140的熱膨脹系數(shù)為所述碳納米管紙120的熱膨脹系數(shù)的100倍W上。
[0023] 所述碳納米管紙120的厚度大于等于30微米且小于等于50微米。所述碳納米管 紙120在平行于該碳納米管紙120表面的一第一方向上的電導(dǎo)率大于等于lOOOS/m且小于 等于6000S/m?？蒞理解，當(dāng)所述碳納米管紙120的電導(dǎo)率過大時，例如，大于6000S/m，即 該碳納米管紙120具有較小的電阻，將一預(yù)定電壓(如，10V)施加于所述碳納米管紙120時， 該碳納米管紙120難W產(chǎn)生足夠的熱量，進(jìn)而難W使所述柔性高分子層140發(fā)生熱膨脹變 形；當(dāng)所述碳納米管紙120的電導(dǎo)率過小時，例如，小于lOOOS/m，即該碳納米管紙120具有 較大的電阻，將所述預(yù)定電壓施加于所述碳納米管紙120時，會導(dǎo)致電熱致動復(fù)合材料100 的熱響應(yīng)速度較慢。更優(yōu)選地，所述碳納米管紙120在平行于該碳納米管紙120表面的第 一方向上的電導(dǎo)率在大于等于2000S/m且小于等于3500S/m。所述碳納米管紙120的密度 在0. 5g/cm3 W上，從而使所述碳納米管紙120的拉伸強度在SMPa W上。當(dāng)所述碳納米管紙 120的密度太小，則碳納米管紙120的機(jī)械強度較小，不足W對所述柔性高分子層140設(shè)置 有碳納米管紙120的一側(cè)提供較好的固定作用，從而會使所述電熱致動復(fù)合材料100在快 速熱致形變的過程中碳納米管紙120容易發(fā)生斷裂。優(yōu)選的，所述碳納米管紙120的密度 大于等于0. 5g/cm3小于等于1. 2g/cm3。
[0024] 所述碳納米管紙120包括多個基本沿同一方向延伸排列的碳納米管，且該多個碳 納米管在其延伸方向通過范德華力首尾相連，且所述多個碳納米管基本平行于該碳納米管 紙120的表面設(shè)置。所述多個碳納米管的延伸方向與所述第一方向形成一大于等于45度小 于等于90度交叉角，從而使所述第一方向上的電導(dǎo)率大于等于lOOOS/m且小于等于6000S/ m。優(yōu)選的，所述多個碳納米管的延伸方向與所述第一方向形成一大于等于80度小于等于 90度的交叉角。
[00巧]本實施例中，所述碳納米管紙120為一長為6厘米、寬為3厘米、厚度為30微米的 長方形平面結(jié)構(gòu)，且所述碳納米管紙120的拉伸強度為4Mpa左右，密度為1. Og/cm3,所述碳 納米管紙120中碳納米管的排列方向與所述第一方向形成一 90度夾角，且所述碳納米管紙 120中的碳納米管在其延伸方向通過范德華力首尾相連。
[0026] 所述柔性高分子層140為厚度大于等于270微米小于等于450微米的薄片狀結(jié) 構(gòu)。當(dāng)所述柔性高分子層140的厚度太大時，由于該柔性高分子層140本身具有較大的機(jī) 械性能，且不利于熱量快速傳遞到整個柔性高分子層140,故，不利于產(chǎn)生熱致形變；當(dāng)所 述柔性高分子層140的厚度太小時，由于熱膨脹量與材料的體積及熱膨脹系數(shù)成正比，貝U 會導(dǎo)致所述電熱致動復(fù)合材料100產(chǎn)生的形變量小。所述柔性高分子層140的形狀可與所 述碳納米管紙120重疊。所述柔性高分子層140的材料應(yīng)當(dāng)具有良好的形狀記憶效應(yīng)W及 耐熱性能。所述形狀記憶效應(yīng)是指當(dāng)柔性材料升高到一定溫度時，該柔性材料發(fā)生形變，而 當(dāng)溫度恢復(fù)到初始溫度時，柔性材料的形狀也恢復(fù)到初始形狀。所述柔性高分子層140的 材料可W為娃橡膠、聚甲基丙帰酸甲醋、聚氨脂、環(huán)氧樹脂、聚丙帰酸己醋、聚丙帰酸了醋、 聚苯己帰、聚了二帰、聚丙帰臘、聚苯胺、聚化咯及聚喔吩等中的一種或幾種的組合。本實 施例中，所述柔性高分子層140為一厚度約為300微米的娃橡膠薄膜，其熱