[發(fā)明專利]電致伸縮材料及其制備方法以及電熱式致動(dòng)器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910105807.0
• 申請日: 2009-02-24
• 公開（公告）號: CN101814577A
• 公開（公告）日: 2010-08-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳魯倬;劉長洪;李洪江;范守善
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué);鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司
• 主分類號: H01L41/18
• 分類號: H01L41/18;H01L41/22;H01L41/08;B82B1/00;H02N10/00
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種電熱式致動(dòng)器，同時(shí)涉及一種電致伸縮材料及其制備方 法。

背景技術(shù)

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：通過靜電場轉(zhuǎn)化為靜電力，即靜電驅(qū)動(dòng)；通過電磁場轉(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)。

靜電驅(qū)動(dòng)的致動(dòng)器一般包括兩個(gè)電極及設(shè)置在兩個(gè)電極之間的電致伸縮 元件，其工作過程為在兩個(gè)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(fù)性來控制電極間電致伸縮元件的相對運(yùn)動(dòng)。 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(shí)靜電力才比較顯著，該距離的要求使該致動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。磁 驅(qū)動(dòng)的致動(dòng)器一般包括兩個(gè)磁極及設(shè)置在兩個(gè)磁極之間的電致伸縮元件，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伸縮元件產(chǎn)生相 對的運(yùn)動(dòng)，但是磁驅(qū)動(dòng)的缺點(diǎn)和靜電驅(qū)動(dòng)相同，即由于磁場作用范圍有限， 導(dǎo)致電致伸縮元件的上下兩個(gè)表面必須保持較小的距離，該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 嚴(yán)格且也限制了該致動(dòng)器的應(yīng)用范圍。

而利用熱驅(qū)動(dòng)的致動(dòng)器克服了上述靜電驅(qū)動(dòng)和磁驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器的缺點(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 于靜電力和磁場力，熱驅(qū)動(dòng)力較大。現(xiàn)有技術(shù)公開一種電熱式致動(dòng)器，請參 閱“基于熱膨脹效應(yīng)的微電熱式致動(dòng)器進(jìn)展”，匡一寧等，電子器件，vol?22， p.162(1999)。該電熱式致動(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，由于上述電致伸縮材料 采用金屬結(jié)構(gòu)，其柔性較差，導(dǎo)致整個(gè)電熱式致動(dòng)器熱響應(yīng)速度較慢。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，確有必要提供一種柔性的電致伸縮材料及其制備方法，以及 一種熱響應(yīng)速度快的電熱式致動(dòng)器。

一種電致伸縮材料，其包括一第一材料層和一第二材料層，所述第一材 料層和第二材料層層疊設(shè)置且熱膨脹系數(shù)不同，其中，所述第一材料層包括 一第一聚合物基體及均勻分散在該第一聚合物基體中的多個(gè)碳納米管，所述 第二材料層包括一第二聚合物基體。

一種電致伸縮材料的制備方法，其包括以下步驟：提供多個(gè)碳納米管與 一第一聚合物單體溶液；混合該多個(gè)碳納米管及第一聚合物單體溶液形成一 混合溶液；聚合上述混合溶液，從而形成一第一材料層；在所述第一材料層 的一表面形成一第二材料層。

一種電熱式致動(dòng)器，其包括一第一材料層、一第二材料層及至少兩個(gè)電 極，所述第一材料層和第二材料層層疊設(shè)置且熱膨脹系數(shù)不同，該至少兩個(gè) 電極間隔設(shè)置并與第一材料層電連接，其中，所述第一材料層包括一第一聚 合物基體及分散在該第一聚合物基體中的多個(gè)碳納米管，所述第二材料層包 括一第二聚合物基體。

與現(xiàn)有技術(shù)相比較，所述電熱式致動(dòng)器、電致伸縮材料及其制備方法具 有以下優(yōu)點(diǎn)：由于所述電熱式致動(dòng)器中的電致伸縮材料包括分散的碳納米管， 所述碳納米管具有低熱容、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性良好的性質(zhì)，使得該電熱式致動(dòng) 器也相應(yīng)具有較高的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性，且熱響應(yīng)速率較快；由于第一材料層和 第二材料層均采用聚合物基體，因此該電致伸縮材料具有一定的柔性，所述 電致伸縮材料的制備方法簡單。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的電熱式致動(dòng)器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的電熱式致動(dòng)器的伸縮特性對比圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例的電致伸縮材料的制備方法流程圖。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明實(shí)施例的電熱式致動(dòng)器及其制備方法。

請參閱圖1，本發(fā)明第一實(shí)施例提供一種電熱式致動(dòng)器10，其包括一電致 伸縮材料(圖未示)及至少兩個(gè)電極16。該電致伸縮材料包括一第一材料層 12和一第二材料層14，該第一材料層12和第二材料層14層疊設(shè)置且相互結(jié)合。 所述第一材料層12和第二材料層14的表面積和厚度基本相同，且第一材料層 12和第二材料層14的厚度可根據(jù)實(shí)際需要選擇。該第一材料層12和第二材料 層14具有不同的熱膨脹系數(shù)。