[發(fā)明專利]納米顆粒團(tuán)聚型納米多孔電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器及其制備和測(cè)試方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201911107777.7
• 申請(qǐng)日: 2019-11-13
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110863962B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-10-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 冀梁;申勝平;鄧謙
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號(hào): F03G7/00
• 分類號(hào): F03G7/00;G01R31/00;H02N11/00
• 代理公司: 西安智大知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 何會(huì)俠

本發(fā)明公開(kāi)了一種納米顆粒團(tuán)聚型納米多孔電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器及其制備和測(cè)試方法，該驅(qū)動(dòng)器包括柔性導(dǎo)體材料的沉積基底和沉積在沉積基底上的驅(qū)動(dòng)薄膜；該制備方法利用高能激光束轟擊實(shí)現(xiàn)靶材從固態(tài)—等離子態(tài)—固態(tài)的轉(zhuǎn)變，從而可在不同基底上形成納米顆粒團(tuán)聚型納米多孔驅(qū)動(dòng)薄膜。通過(guò)調(diào)控靶基間距、基底轉(zhuǎn)速、沉積溫度等制備條件，可獲得顆粒粒徑可控的納米多孔電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器。克服了傳統(tǒng)電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器不可兼顧響應(yīng)速率與變形能力的不足；通過(guò)縮短離子嵌入路徑、提升離子吸附能力，驅(qū)動(dòng)速率與變形幅值得以同步提升。本發(fā)明驅(qū)動(dòng)器響應(yīng)速率快、驅(qū)動(dòng)幅值高、載物驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、工藝簡(jiǎn)單且成本低廉，其可推動(dòng)電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器在小型醫(yī)療器械、微納機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域的應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電化學(xué)驅(qū)動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高性能的納米顆粒團(tuán)聚型納米多孔電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器及其制備和測(cè)試方法。

背景技術(shù)

電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器可在低電壓作用下通過(guò)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生機(jī)械能。相較于其他類型的驅(qū)動(dòng)器而言，電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電壓更低且能量輸出更高，故其在人造肌肉、智能機(jī)器人以及微納機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。對(duì)于電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器而言，響應(yīng)速率與變形能力是兩個(gè)至關(guān)重要但又相互對(duì)立的參數(shù)。更具體地說(shuō)，低模量的凝膠或?qū)щ娋酆衔镱愲娀瘜W(xué)驅(qū)動(dòng)器雖然有著出色的變形能力，但其響應(yīng)速率極慢；相較而言，碳納米材料電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器有著較快的響應(yīng)速率，但其變形能力受限于高模量的影響而不能充分發(fā)揮；其二者的同步提升也成為了電化學(xué)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。僅通過(guò)選取新材料或雜化不同特性的材料很難實(shí)現(xiàn)響應(yīng)速率與變形幅值的同步提升。

對(duì)于雙層結(jié)構(gòu)(驅(qū)動(dòng)薄膜—基底)的電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器而言，其驅(qū)動(dòng)行為源自于離子嵌入引起的活性層膨脹效應(yīng)與基底提供的約束效應(yīng)之間的相互作用。因此，電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)速率與變形能力分別取決于離子在活性層中的擴(kuò)散速率與活性層吸附離子的能力。近年的研究結(jié)果表明，材料在納觀尺度上會(huì)表現(xiàn)出更出色的力學(xué)與電化學(xué)特性。由此，調(diào)控電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器的納觀結(jié)構(gòu)便成了解決這一巨大挑戰(zhàn)的可行方法。傳統(tǒng)的電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器多為單層納米片結(jié)構(gòu)或多層納米片堆疊結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)很大程度上封閉了離子的嵌入通道；此外，離子在上述結(jié)構(gòu)中的擴(kuò)散路徑也過(guò)長(zhǎng)且不易控制。

球形納米顆粒團(tuán)聚型納米多孔結(jié)構(gòu)可以增大材料的比表面積，為離子提供更多的嵌入通道。此外，該結(jié)構(gòu)可為離子提供最短的擴(kuò)散路徑。除了提升離子嵌入的速率與效率，該電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器的力學(xué)性能還能通過(guò)調(diào)節(jié)制備參數(shù)得以改善。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種高性能的納米顆粒團(tuán)聚型納米多孔電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器及其制備和測(cè)試方法，以解決背景技術(shù)中所述的響應(yīng)速率與變形能力不可同時(shí)提升的技術(shù)問(wèn)題。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種納米顆粒團(tuán)聚型納米多孔電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器，其特征在于，為雙層薄膜結(jié)構(gòu)，包括柔性導(dǎo)體材料的沉積基底和沉積在沉積基底上的驅(qū)動(dòng)薄膜，所述驅(qū)動(dòng)薄膜由納米顆粒團(tuán)聚而成，通過(guò)團(tuán)聚、沉積不同粒徑的納米顆粒來(lái)實(shí)現(xiàn)納米多孔結(jié)構(gòu)；所述驅(qū)動(dòng)薄膜與沉積基底的厚度比應(yīng)滿足(0.3～1)：1；在電化學(xué)反應(yīng)中，當(dāng)有離子嵌入驅(qū)動(dòng)薄膜時(shí)，驅(qū)動(dòng)薄膜會(huì)發(fā)生體積膨脹；而沉積基底不受離子嵌入的影響，無(wú)體積膨脹；驅(qū)動(dòng)薄膜中離子嵌入誘發(fā)的體積膨脹效應(yīng)與沉積基底對(duì)其的約束效應(yīng)之間會(huì)發(fā)生相互作用，因而使得雙層薄膜結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲、實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)效果。

進(jìn)一步的，所述的柔性導(dǎo)體材料包括鋁箔、銀箔、金箔等金屬箔材或鍍有導(dǎo)電電極的聚合物薄膜。所述的納米多孔驅(qū)動(dòng)薄膜由過(guò)渡金屬硫化物、金屬或碳納米顆粒中的任一種或多種團(tuán)聚生長(zhǎng)而成。