[發明專利]石墨烯電極介電彈性體驅動器

在審

• 申請號: 201710852426.3
• 申請日: 2017-09-19
• 公開（公告）號: CN107493035A
• 公開（公告）日: 2017-12-19
• 發明（設計）人: 袁曦明;袁一楠
• 申請（專利權）人: 中國地質大學（武漢）
• 主分類號: H02N2/00
• 分類號: H02N2/00;H02N2/06
• 代理公司: 武漢知產時代知識產權代理有限公司42238
• 代理人: 付春霞

技術領域

本發明屬于機器人驅動器與工業自動化驅動器技術領域，更具體地說，涉及一種石墨烯電極介電彈性體驅動器。

背景技術

當前隨著人類生產生活的不斷發展，對于機器人技術的需求不斷提升。在人類不宜涉足的極端和危險工程環境中，機器人為人類提供了很大的便利。目前機器人常用的驅動形式包括：電動機驅動、氣壓驅動、液壓驅動等。這些傳統的驅動方式存在能量密度偏低的問題，存在體積偏大、質量偏大、輸出力偏小、安全系數偏低、環境適應差、可靠性低、不夠靈活等系列問題，很難達到生物的動態性能；另外傳統的驅動方式一般以剛性結構為主，難以滿足像生物的柔韌性要求，因此抗沖擊較差、抗碰撞能力較差。當前，人們研制了氣動人工肌肉驅動器，但存在體積偏大，并受限于復雜的輔助系統。人們也開發了形狀記憶合金制作的人工肌肉驅動器，但存在變形不可預知，響應速度較慢等問題；還有電活性陶瓷制作的驅動器也存在應變率較小問題。然而介電彈性體驅動器作為一種人工肌肉驅動器具有許多優勢，如：具有提供的場致應變較大，力重比較大，功率密度較大，能量轉化效率高等優點，但介電彈性體驅動器發展中也還存系列需要解決的一些技術問題，如：如何進一步減小電極對介電彈性體驅動剛度的影響，如何能夠進一步減小電極厚度，如何提高介電彈性體驅動器的彎曲變形性，如何增大電極導電率，如何進一步提高介電彈性體驅動器的整體性能等技術問題。

發明內容

本發明針對目前驅動器存在的系列問題，提供一種石墨烯電極介電彈性體驅動器，以達到優化提升驅動器的綜合性能。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：石墨烯電極介電彈性體驅動器，包括介電彈性體、石墨烯電極，在所述介電彈性體兩側表面均分別有石墨烯電極形成三明治結構的石墨烯電極介電彈性體驅動器，所述石墨烯電極包括：石墨烯層、引出電極；所述石墨烯層為石墨烯薄膜、石墨烯涂層或石墨烯復合材料層；所述石墨烯電極介電彈性體驅動器為石墨烯電極單層介電彈性體驅動器、石墨烯電極堆疊型介電彈性體驅動器、石墨烯電極管型介電彈性體驅動器或石墨烯電極卷型介電彈性體驅動器；所述石墨烯電極堆疊型介電彈性體驅動器為石墨烯電極矩形堆疊型介電彈性體驅動器或石墨烯電極圓形堆疊型介電彈性體驅動器。

所述石墨烯電極介電彈性體驅動器的介電彈性體位于兩層石墨烯電極材料之間，當在兩側石墨烯電極上施加上電壓時，兩石墨烯電極之間產生的庫倫力在介電彈性體厚度方向上產生擠壓力使之壓縮，在平面方向上則伸展，可以使介電彈性體在厚度和平面方向發生形變產生驅動作用；去掉電壓時，介電彈性體恢復到原來的形狀。通過利用不同方向的變形，分別得到厚度位移驅動器和平面位移驅動器。

上述方案中，所述的石墨烯電極堆疊型介電彈性體驅動器，其特征在于，所述石墨烯電極矩形堆疊型介電彈性體驅動器由石墨烯電極矩形單層介電彈性體單元依次堆疊構成；所述石墨烯電極圓形堆疊型介電彈性體驅動器由石墨烯電極圓形單層介電彈性體單元依次堆疊構成；因此，石墨烯電極單層介電彈性體單元堆疊越多則驅動力越大；石墨烯電極單層介電彈性體單元堆疊面積越大則驅動力越大；所述石墨烯電極矩形堆疊型介電彈性體驅動器和石墨烯電極圓形堆疊型介電彈性體驅動器的邊緣均有小的絕緣框區，防止電極短路。所述的石墨烯電極堆疊型介電彈性體驅動器可以用很小體積產生很大的力和形變。

上述方案中，所述的石墨烯電極管型介電彈性體驅動器的特征在于：介電彈性體呈管筒形狀，石墨烯電極處于管筒形狀介電彈性體內側與外側并相連接；所述石墨烯電極卷型介電彈性體驅動器的特征在于：介電彈性體兩側面均與石墨烯層相連接，在石墨烯層邊緣有引出電極和絕緣層，并將彈簧兩端預處理后進行卷膜，構成石墨烯電極卷型介電彈性體驅動器。

上述方案中，所述的介電彈性體(DE)所采用的材料為硅橡膠及復合材料、改性石墨烯介電彈性體、硅樹脂、明膠、環狀高分子、天然橡膠、丙烯酸酯彈性體、聚氨酯彈性體、丁晴橡膠、亞乙烯基氟化三氟乙烯、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、高介電常數填料添加的復合介電彈性體或微納米填料添加的復合介電彈性體。

本發明石墨烯電極介電彈性體驅動器可以廣泛應用于：機器人、航空航天、機械手、人工關節、汽車、人工肌肉、飛艇尾舵調節、膜片泵、智能驅動、生物醫療等領域。

實施本發明的石墨烯電極介電彈性體驅動器具有以下有益效果：

(1)本發明采用了石墨烯電極構成的介電彈性體驅動器，其性能指標優于

其它類型電極的介電彈性體驅動器；采用的石墨烯電極厚度極薄，不影響

介電彈性體剛度，彎曲變形性能好，并具有電阻低、電導率高的性能，機