[發(fā)明專利]形狀改變裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201780041879.6
• 申請(qǐng)日: 2017-07-05
• 公開（公告）號(hào): CN109417127B
• 公開（公告）日: 2023-05-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: E·G·M·佩爾塞斯;M·科瓦切維奇米利沃耶維奇;V·拉韋佐;D·A·范登恩德;M·T·約翰遜;F·J·G·哈肯斯;R·A·范德莫倫赫拉夫
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 皇家飛利浦有限公司
• 主分類號(hào): H10N30/092
• 分類號(hào): H10N30/092;H10N30/20;H10N30/85
• 代理公司: 永新專利商標(biāo)代理有限公司 72002
• 代理人: 蔡洪貴

本發(fā)明提供一種形狀改變裝置(20)，其利用電活性聚合物材料的多個(gè)顆粒(28)，該多個(gè)顆粒嵌置在順應(yīng)性材料基質(zhì)(24)內(nèi)且適于響應(yīng)于電刺激的施加而變形。順應(yīng)性基質(zhì)所產(chǎn)生的形狀改變能夠在順應(yīng)性材料的表面上實(shí)現(xiàn)具體的變形輪廓。顆粒由電極(34)的一個(gè)或多個(gè)布置結(jié)構(gòu)以復(fù)數(shù)個(gè)群組進(jìn)行刺激。受刺激的EAP顆粒區(qū)域的形狀、尺寸、維度和位置可選擇性地選取以在材料中引發(fā)具體的響應(yīng)，并且在材料表面上產(chǎn)生具體的預(yù)期變形輪廓。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及具有可變形的構(gòu)件的裝置。本發(fā)明還涉及用于制造該裝置的方法。該裝置和方法利用用于使用電刺激來(lái)引發(fā)變形的電活性聚合物材料。

背景技術(shù)

電活性聚合物(EAP)是電響應(yīng)性材料領(lǐng)域內(nèi)的一類新興材料。EAP可用作傳感器或致動(dòng)器，且可輕松地被制造成各種形狀，從而允許輕松地整合到各種各樣的系統(tǒng)中。

材料已經(jīng)研發(fā)到具有諸如致動(dòng)應(yīng)力和應(yīng)變的特性，該特性在過(guò)去十年得到了顯著改善。技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)已減小到產(chǎn)品開發(fā)可接受的水平，使得EAP在市場(chǎng)上和技術(shù)上都越來(lái)越受關(guān)注。EAP的優(yōu)點(diǎn)包括低功率、小形狀因子、柔性、無(wú)噪音操作、準(zhǔn)確度、高分辨率可能性、快速響應(yīng)時(shí)間以及周期性致動(dòng)。

EAP材料的改善的性能和特定優(yōu)勢(shì)形成了對(duì)新應(yīng)用的適用性。

EAP裝置可用于期望一個(gè)部件或特征有基于電致動(dòng)的少量移動(dòng)的任何應(yīng)用中。類似地，該技術(shù)可用于感測(cè)少量移動(dòng)。

由于與常用致動(dòng)器相比將相對(duì)大的變形和力與小的體積或薄的形狀因子相結(jié)合，使用EAP能夠?qū)崿F(xiàn)之前不可能實(shí)現(xiàn)的功能，或者提供優(yōu)于常用傳感器/致動(dòng)器解決方案的較大優(yōu)勢(shì)。EAP還提供無(wú)噪音操作、準(zhǔn)確的電子控制、快速響應(yīng)以及大范圍的可能的致動(dòng)頻率，諸如0-1MHz，更通常地低于20kHz。

使用電活性聚合物的裝置可被細(xì)分為場(chǎng)驅(qū)動(dòng)型材料和離子驅(qū)動(dòng)型材料。

場(chǎng)驅(qū)動(dòng)型EAP的示例包括壓電聚合物、電致伸縮聚合物(諸如基于PVDF的馳豫型聚合物)和電介質(zhì)彈性體。其它示例包括電致伸縮接枝聚合物、電致伸縮紙、駐極體、電致粘彈性彈性體和液晶彈性體。

離子驅(qū)動(dòng)型EAP的示例是共軛/導(dǎo)電聚合物、離子聚合物金屬?gòu)?fù)合材料(IPMC)和碳納米管(CNT)。其它示例包括離子聚合物凝膠。

場(chǎng)驅(qū)動(dòng)型EAP是由電場(chǎng)通過(guò)直接機(jī)電耦合來(lái)致動(dòng)的。它們通常需要高電場(chǎng)(每米伏特)但需要低電流。聚合物層通常是薄的，以保持驅(qū)動(dòng)電壓盡可能地低。離子型EAP是由離子和/或溶劑的電感傳輸激活的。它們通常需要低電壓但需要高電流。它們需要液體/凝膠電解質(zhì)介質(zhì)(但一些材料系統(tǒng)也可以使用固態(tài)電解質(zhì)操作)。兩類EAP均具有多個(gè)家族成員，每一個(gè)都具有其自身的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。

場(chǎng)驅(qū)動(dòng)型EAP的值得注意的第一子類是壓電聚合物和電致伸縮聚合物。盡管傳統(tǒng)的壓電聚合物的機(jī)電性能有限，但改善此性能的一項(xiàng)突破性進(jìn)展已導(dǎo)致產(chǎn)生了PVDF弛豫型聚合物，其顯示出自發(fā)性的電極化(場(chǎng)驅(qū)動(dòng)對(duì)準(zhǔn))。這些材料可以是預(yù)應(yīng)變的，以便改善應(yīng)變方向上的性能(預(yù)應(yīng)變導(dǎo)致更好的分子對(duì)準(zhǔn))。正常情況下會(huì)使用金屬電極，因?yàn)閼?yīng)變通常處于適中的狀態(tài)(1-5％)。也可使用其它類型的電極(諸如導(dǎo)電聚合物、基于碳黑的油、凝膠或彈性體等)。電極可以是連續(xù)的或分段的。

場(chǎng)驅(qū)動(dòng)型EAP的所關(guān)注的另一子類是電介質(zhì)彈性體。這種材料的薄膜可夾在適形電極之間，從而形成平行板電容器。在電介質(zhì)彈性體的情況下，由所施加的電場(chǎng)感應(yīng)出的麥克斯韋(Maxwell)應(yīng)力導(dǎo)致在薄膜上產(chǎn)生應(yīng)力，從而使得薄膜的厚度減小而面積擴(kuò)大。應(yīng)變性能通常通過(guò)對(duì)彈性體進(jìn)行預(yù)應(yīng)變(需要框架以保持預(yù)應(yīng)變)而增大。應(yīng)變可以是相當(dāng)大的(10-300％)。這也約束了可使用的電極類型：對(duì)于低應(yīng)變和中等應(yīng)變來(lái)說(shuō)，可考慮金屬電極和導(dǎo)電聚合物電極；對(duì)于高應(yīng)變狀態(tài)來(lái)說(shuō)，通常使用基于碳黑的油、凝膠或彈性體。電極可以是連續(xù)的或分段的。