[發(fā)明專利]致動材料和雙向彎曲型致動器及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710456908.7
• 申請日: 2017-06-16
• 公開（公告）號: CN107297929B
• 公開（公告）日: 2019-03-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳魯倬;張薇;翁明岑;周培迪;黃志高
• 申請（專利權(quán)）人: 福建師范大學(xué)
• 主分類號: B32B7/12
• 分類號: B32B7/12;B32B9/00;B32B9/04;B32B23/04;B32B23/08;B32B25/04;B32B27/06;B32B27/32;B32B37/10;B32B37/12;B82Y15/00;B82Y30/00;F03G7/00
• 代理公司: 福州君誠知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 35211
• 代理人: 戴雨君

本發(fā)明公開了致動材料和雙向彎曲型致動器及其制備方法，所述致動材料包括層疊設(shè)置的第一材料層和第二材料層，所述第一材料層和第二材料層之間設(shè)有粘結(jié)劑層，所述第一材料層的濕度膨脹系數(shù)大于第二材料層的濕度膨脹系數(shù)，并且第一材料層的熱膨脹系數(shù)小于第二材料層的熱膨脹系數(shù)，所述第一材料層為碳基纖維素復(fù)合材料層，所述第二材料層為聚合物材料層。所述致動器包括所述致動材料以及至少兩個電極，兩個電極間隔設(shè)置并與所述致動材料電連接，兩個電極間隔固定于致動材料第一材料層的表面上，該致動器能對多種刺激做出響應(yīng)，可通過光、電、濕度驅(qū)動，并且可實現(xiàn)雙向彎曲形變。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及致動材料領(lǐng)域，具體涉及一種致動材料、能對多種刺激產(chǎn)生響應(yīng)的雙向彎曲型致動器及其制備方法。

背景技術(shù)

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。

利用熱驅(qū)動的致動器克服了靜電驅(qū)動和磁驅(qū)動致動器形變量小的缺點，該致動器結(jié)構(gòu)只要能夠保證獲得一定的熱能就可以產(chǎn)生相應(yīng)的形變。另外，相對于靜電力和磁場力，熱驅(qū)動力較大。電熱式致動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，由于上述致動材料采用金屬結(jié)構(gòu)，其柔性較差，形變量較小，致動器熱響應(yīng)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(chǎn)生活中的應(yīng)用。

濕度致動器，是一種能感受氣體中水蒸氣含量，并利用材料的干縮濕脹效應(yīng)的致動器，主要應(yīng)用于機械工程、傳感器、氣體及濕度致動器等方面。濕度致動器的特點是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時，膜的體積發(fā)生變化，利用這一特性即可制成彎曲型致動器。

傳統(tǒng)的熱致動器與濕度致動器有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制備繁瑣，價格昂貴，且運動形式單一等缺點，急需改進。

碳基材料包括富勒烯、碳納米管、石墨烯及其衍生物，是近幾年來倍受關(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(xué)性能和熱學(xué)性能。研究測試結(jié)果表明，碳納米管的平均電導(dǎo)率可達到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，如較高的強度和模量。

現(xiàn)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(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，難以滿足目前對致動器多樣化的需求。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于結(jié)合熱致動器及濕度致動器的優(yōu)勢，提供一種能對多種刺激做出響應(yīng)的雙向彎曲型致動器及其制備方法以及該致動器采用的致動材料。本發(fā)明的致動器成本低，結(jié)構(gòu)簡單，可快速制備且靈敏度高。

一種致動材料，其包括第一材料層、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(jié)劑層，所述第一材料層、粘結(jié)劑層、第二材料層層疊設(shè)置，所述第一材料層的濕度膨脹系數(shù)大于第二材料層的濕度膨脹系數(shù)，并且第一材料層的熱膨脹系數(shù)小于第二材料層的熱膨脹系數(shù)，所述第一材料層為碳基纖維素復(fù)合材料層，所述第二材料層為聚合物材料層。

所述碳基纖維素復(fù)合材料層中的纖維素材料與碳基材料的重量比為500:1~1:1，纖維素材料為纖維素、半纖維素或木質(zhì)素，碳基材料為碳納米管、石墨、碳黑及其衍生物。

所述聚合物材料層中的聚合物為聚丙烯，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、聚丙烯腈中的一種或幾種的組合。