電致動材料及其制備方法和采用該電致動材料的致動器的制造方法
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及電致動材料領域，尤其涉及電致動材料及其制備方法和采用該電致動材料的致動器。
【背景技術】
[0002]致動器的工作原理為將其它能量轉(zhuǎn)換為機械能，實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換經(jīng)常采用的途徑有三種: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]靜電驅(qū)動的致動器一般包括兩個電極及設置在兩個電極之間的電致動元件，其工作過程為在兩個電極上分別注入電荷，利用電荷間的相互吸引和排斥，通過控制電荷數(shù)量和電負性來控制電極間電致動元件的相對運動。但是由于靜電力反比于電容板之間距離的平方，因此一般只有在電極間距很小時靜電力才比較顯著，該距離的要求使該致動器的結構設計較為復雜。
[0004]磁驅(qū)動的致動器一般包括兩個磁極及設置在兩個磁極之間的電致動元件，其工作是通過磁場的相互吸引和排斥作用使兩磁極之間的電致動元件產(chǎn)生相對的運動，但是磁驅(qū)動的缺點和靜電驅(qū)動相同，即由于磁場作用范圍有限，導致電致動元件的上下兩個表面必須保持較小的距離，該結構的設計要求嚴格且也限制了該致動器的應用范圍。
[0005]而利用熱驅(qū)動的致動器克服了上述靜電驅(qū)動和磁驅(qū)動致動器的缺點，該致動器結構只要能夠保證獲得一定的熱能就能產(chǎn)生相應的形變，另外，相對于靜電力和磁場力，熱驅(qū)動力較大?，F(xiàn)有技術公開一種電熱式致動器，請參見“基于熱膨脹效應的微電熱式致動器進展”，匡一寧等，電子器件，V0122，pl62 (1999)。該電熱式致動器采用兩片熱膨脹系數(shù)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，導致整個電熱式致動器熱響應速度較慢。
[0006]碳基材料是近幾年倍受關注的材料，尤其是碳納米管。碳納米管具有許多優(yōu)異的性能，可應用于諸多領域。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(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動，因此碳納米管表現(xiàn)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100?2000S/m (西門子/米)。此外，碳納米管還具有優(yōu)良的力學性能，如，較高的強度和模量。
[0007]碳納米管紙，顧名思義，是將碳納米管通過若干步驟制備為薄膜、紙張狀的宏觀材料。目前，碳納米管紙的制備方法主要包括碳納米管的選擇、溶液系分散、抽濾及烘干成型等基本步驟。由于需要先將碳納米管分散在溶液中，該制備方法所制得的碳納米管紙中碳納米管的取向無法確定，碳納米管紙中碳納米管的密度較低，從而大大影響了碳納米管紙的性能，而且不利于大規(guī)模生產(chǎn)。現(xiàn)有一種新型碳納米管紙的制備方法是可從碳納米管陣列中用干法抽拉出碳納米管薄膜，而后將薄膜層層堆疊起來，即形成具有擇優(yōu)取向排列的碳納米管紙。
[0008]現(xiàn)有基于碳納米管的電致動器仍存在以下幾個缺點:
1、所需驅(qū)動電壓較高，仍需要幾十伏的電壓進行驅(qū)動；
2、響應時間較長，需要大幾十秒甚至是分鐘數(shù)量級；
3、通常采用原位聚合的方式制備或需要溶液進行輔助，所需時間較長，不利于工業(yè)化生產(chǎn)；
4、致動器的形變量仍然有待進一步提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種柔性的電致動材料及快速制備方法，以及一種低電壓驅(qū)動、熱響應速度極快、大形變的電致動器。
[0010]本發(fā)明采用的技術方案是:
一種電致動材料，包括第一材料層、第二材料層以及位于第一材料層和第二材料層之間的粘結劑層，所述第一材料層、粘結劑層和第二材料層層疊設置，且第一材料層與第二材料層的熱膨脹系數(shù)不同，所述第一材料層為碳納米管紙，所述第二材料層為聚合物薄膜。
[0011]所述第一材料層和第二材料層通過粘結劑層采用粘結、壓合的方式層疊設置。
[0012]所述第一材料層的厚度為0.1 μπι?1mm，所述第二材料層的厚度為I μπι?5mm，所述粘結劑層14的厚度為I μπι?0.5_。
[0013]所述碳納米管紙包括至少一層的碳納米管薄膜。所述碳納米管薄膜包括多個碳納米管，所述多個碳納米管通過范德華力首尾相連，所述多個碳納米管的軸向基本沿同一方向擇優(yōu)取向排列。
[0014]所述粘結劑層的粘結劑采用光固化膠、熱固化膠、非導電性固化膠中的一種或兩種以上的組合。
[0015]所述粘結劑層的粘結劑為聚乙烯醇、α -氰基丙烯酸乙酯、亞克力膠、光固化膠和熱固化膠中的一種或幾種的組合。
[0016]所述第二材料層為雙向拉伸聚丙烯，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(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幾種的組合。
[0017]所述碳納米管紙的熱膨脹系數(shù)小于所述聚合物薄膜的熱膨脹系數(shù)本發(fā)明公開一種電致動材料的制備方法，其包括以下步驟:
步驟一:形成一由碳納米管紙構成第一材料層；
步驟二:形成一由已聚合完成的聚合物薄膜構成的第二材料層；
步驟三:將作為粘結劑層的粘結劑均勻覆蓋在聚合物薄膜構成的第二材料層上；步驟四:通過粘結劑層采用粘結、壓合的方式將碳納米管紙構成第一材料層與聚合物薄膜構成的第二材料層層疊組合在一起。
[0018]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(jù)第二材料層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。
[0019]將粘結劑層均勻分布在第二材料層上的方法包括旋涂法、提拉法和涂抹法。
[0020]本發(fā)明還公開一種卷曲型電致動器，其包括一采用所述的電致動材料，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上，并與所述電致動材料電連接；
在所述第一電極及第二電極通電時，所述的卷曲型電致動器向碳納米管紙的表面方向彎曲。
[0021]所述的卷曲型電致動器實現(xiàn)彎曲角度大于360°的卷曲式形變。
[0022]本發(fā)明采用以上技術方案，本申請的有益效果在于:與現(xiàn)有技術相比較，所述的電致動材料具有以下優(yōu)點:其一，制備流程簡單，生產(chǎn)時間短，可以短時間大規(guī)模制備；其二，采用柔性聚合物與碳納米管紙作為主要材料，使得所述電致動器具有柔性，且兼具碳納米管良好的電學與力學性能；其三，所述電致動器響應迅速，形變幅度大，可實現(xiàn)彎曲角度大于360°的卷曲形變，性能遠優(yōu)于目前所報道的同類型致動器。
【附圖說明】
[0023]以下結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做進一步詳細說明；
圖1為本發(fā)明的電致動材料的結構示意圖；
圖2為本發(fā)明的卷曲型電致動器的結構示意圖；
圖3為本發(fā)明的卷曲型電致動器的通電后的致動效果示意圖。
【具體實施方式】
[0024]實施例1:
如圖1至圖3之一所示，本發(fā)明提供一種電致動材料10，所述電致動材料10包括第一材料層13、粘結劑層14和第二材料層15。第一材料層13、粘結劑層14、第二材料層15具有相同的長度和寬度，且它們層疊設置，第一材料層與第二材料層的熱膨脹系數(shù)不同。
[0025]所述第一材料層13為碳納米管紙。該碳納米管紙包括至少一層碳納米管薄膜，當所屬碳納米管紙13包括多層碳納米管薄膜時，所述碳納米管膜的層數(shù)不限，該多個碳納米管薄膜可并排設置或?qū)盈B設置，且薄膜包含多個碳納米管，該多個碳納米管基本互相平行且平行于碳納米管紙的表面。具體地，該碳納米管紙中的多個碳納米管通過范德華力首尾相連，且所述多個碳納米管的軸向基本沿同一方向擇優(yōu)取向排列。
[0026]在本實施例中，所述第一材料層13的厚度可以為0.1 μπι?1mm。
[0027]優(yōu)選地，所述碳納米管紙的厚度為7 μm，包含碳納米管薄膜層數(shù)為400層。
[0028]所述粘結劑層14的粘結劑可以為聚乙烯醇，α -氰基丙烯酸乙酯，亞克力膠，光固化膠，熱固化膠，非導電性固化膠等中的一種或幾種的組合，但不局限于這些材料。
[0029]在本實施例中，所述粘結劑層14的厚度可以為I μ m?0.5mm。
[0030]優(yōu)選地，粘結劑為亞克力膠，厚度為5 μ m0
[0031]所述第二材料層15為聚合物，可以為雙向拉伸聚丙稀，聚丙稀，聚乙稀，娃橡膠、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(huán)氧樹脂、聚丙烯酸乙酯、聚丙烯酸丁酯、聚苯乙烯、聚丁二烯、聚丙烯腈等中的一種或幾種的組合，但不局限于這些材料。
[0032]在本實施例中，所述第二材料層的厚度可以為I μπι?5mm。
[0033]優(yōu)選地，聚合物為雙向拉伸聚丙烯，厚度為35 μ m。
[0034]第一材料層13碳納米管紙與第二材料層15聚合物薄膜的厚度比可為1:2?1:200，優(yōu)選地，該