電致動材料及電致動器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電致動材料領域，尤其涉及電致動材料及電致動器。
【背景技術】
[0002]致動器的工作原理為將其它能量轉換為機械能，實現這一轉換經常采用的途徑有三種:通過靜電場轉化為靜電力，即靜電驅動；通過電磁場轉化為磁力，即磁驅動；利用材料的熱膨脹或其它熱特性實現能量的轉換，即熱驅動。
[0003]利用熱驅動的致動器克服了靜電驅動和磁驅動致動器形變量小的缺點，該致動器結構只要能夠保證獲得一定的熱能就能產生相應的形變，另外，相對于靜電力和磁場力，熱驅動力較大。現有技術公開一種電致動器，請參見“基于熱膨脹效應的微電致動器進展”，匡一寧等，電子器件，vol 22，pl62 (1999)。該電致動器采用兩片熱膨脹系數不同的金屬結合成雙層結構作為電致伸縮元件，當通入電流受熱時，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，由于上述電致動材料采用金屬結構，其柔性較差，形變量較小，致動器熱響應速度較慢；此外形變只能向一個方向彎曲，形變模式單一，不利于實際生產生活中的應用。
[0004]碳基材料包括富勒烯、碳納米管、石墨烯及其衍生物，是近幾年倍受關注的材料。以碳納米管為例，其具有許多優異的性能，可應用于許多領域。碳納米管是由石墨片卷成的無縫中空管體，由于在碳納米管內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動，因此碳納米管表現出獨特的電學性能和熱學性能。研究測試結果表明，碳納米管的平均電導率可達到1000~2000S/m(西門子/米)。此外，碳納米管還具有優良的力學性能，如，較高的強度和模量。
[0005]現有基于碳基材料的致動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，例如致動器的結構比較單一，大多是采用雙層材料疊層設置的結構，因而致動器僅能向熱膨脹量小的一側彎曲，彎曲方向單一，難以滿足目前對致動器多樣化的需求。

【發明內容】

[0006]本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供柔性的電致動材料及其制備方法，使得能夠根據實際需要進行先進的結構設計，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器。
[0007]本發明采用的技術方案是:
一種電致動材料，其包括第一復合層、第二復合層和基體材料層，所述第一復合層設于基體材料層一端的表面上，所述第二復合層設于基體材料層另一端的表面上，所述第一復合層包括第一材料層和第一粘結劑層，所述第一材料層通過第一粘結劑層層疊設于基體材料層表面的一端；所述第二復合層包括第二材料層和第二粘結劑層，所述第二材料層通過第二粘結劑層層疊設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與基體材料層的熱膨脹系數不同，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]所述第一復合層和第二復合層分別設在基體材料層的上下兩個不同的表面上。
[0009]所述第一復合層和第二復合層間隔設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應第一復合層和第二復合層的間隔處設有第三復合層，第三復合層的寬度小于第一復合層和第二復合層的間隔處的寬度，所述第三復合層包括第三材料層和第三粘結劑層，第三材料層通過第三粘結劑層疊設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劑層采用粘結、壓合的方式層疊設置于碳基材料層上。
[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]所述粘結劑層的粘結劑為光固化膠、熱固化膠、非導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、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚氨脂、環氧樹脂、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均大于所述碳基材料層的碳基材料的熱膨脹系數。
[0016]本發明還公開一種所述的電致動材料的制備方法，其包括以下步驟:
步驟一:形成一由碳基材料薄膜構成基體材料層；
步驟二:形成由已聚合完成的聚合物薄膜構成的聚合物材料層；
步驟三:將作為粘結劑層的粘結劑均勻覆蓋在由聚合物薄膜構成的聚合物材料層上，分別形成第一復合層和第二復合層；
步驟四:通過粘結劑層采用粘結、壓合的方式將第一復合層設于基體材料層一端的表面上，將第二復合層設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、聚加反應、自由基聚合反應、陰離子聚合反應和陽離子聚合反應，根據聚合物材料層的聚合物單體種類的不同選取相應的方法形成所述聚合物薄膜。
[0018]將粘結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]本發明還公開一種S型電致動器，其包括一采用權利要求2所述的電致動材料、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置于所述電致動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，S型電致動器具有復合層的特定部位會分別向2個方向彎曲，使得致動器整體形成S型彎曲。
[0021]本發明還公開一種波浪型電致動器，其包括一采用權利要求3所述的電致動材料、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置于所述電致動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，所述波浪型電致動器具有復合層的特定部位會共同向同一個方向的彎曲，波浪型電致動器的彎曲部位不連續。
[0023]本發明還公開一種雙向波浪型電致動器，其包括一采用權利要求4所述的電致動材料、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置于所述電致動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，雙向波浪型電致動器具有復合層的特定部位會形成向2個方向的雙向波浪型彎曲，雙向波浪型電致動器的彎曲部位不連續。
[0025]本發明采用以上技術方案，與現有技術相比較，所述的電致動材料具有以下優點:其一，可通過先進的結構設計與制備工藝實現致動器的特定部位產生特定方向彎曲，例如實現S型、波浪型、雙向波浪型等彎曲形變，大大拓寬致動器的多樣性；其二，制備流程簡單，生產時間短，可以短時間大規模制備；其三，采用柔性聚合物材料與碳基材料作為主要材料，使得所述電致動器具有柔性，且兼具碳基材料良好的電學與力學性能；其四，所述電致動器響應迅速，形變程度大，優于目前所報道的同類型致動器。
【附圖說明】
[0026]以下結合附圖和【具體實施方式】對本發明做進一步詳細說明；
圖1為本發明實施例1的S型電致動器剖面圖；
圖2為本發明實施例1的S型電致動器的致動效果圖；
圖3為本發明實施例2的波浪型電致動器剖面圖；
圖4為本發明實施例2的波浪型電致動器的致動效果圖；
圖5為本發明實施例3的雙向波浪型電致動器剖面圖；
圖6為本發明實施例3的雙向波浪型電致動器的致動效果圖。
【具體實施方式】
[0027]實施例1:
如圖1或圖2所示，本發明公開一種電致動材料10，其包括第一復合層、第二復合層和基體材料層17，所述第一復合層設于基體材料層17 —端的表面上，所述第二復合層設于基體材料層17另一端的表面上，所述第一復合層和第二復合層分別設在基體材料層的上下兩個不同的表面上。所述第一復合層包括第一材料層13和第一粘結劑層14，第一材料層13和第一粘結劑層14具有相同的長度和寬度，所述第一材料層13通過第一粘結劑層14層疊設于基體材料層17表面的一端；所述第二復合層包括第二材料層15和第二粘結劑層16，第二材料層15和第二粘結劑層16具有相同的長度和寬度，所述第二材料層15通過第二粘結劑層16層疊設于基體材料層17表面的另一端；所述第一材料層13和第二材料層14的熱膨脹系數大于基體材料層17的熱膨脹系數，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