[發明專利]一種太陽光驅動的柔性薄膜致動器

在審

• 申請號: 202010050400.9
• 申請日: 2020-01-17
• 公開（公告）號: CN111224579A
• 公開（公告）日: 2020-06-02
• 發明（設計）人: 袁寧一;董旭;丁建寧;程廣貴;江瑤瑤;許意達
• 申請（專利權）人: 常州大學;江蘇大學
• 主分類號: H02N11/00
• 分類號: H02N11/00
• 代理公司: 常州市英諾創信專利代理事務所(普通合伙) 32258
• 代理人: 謝新萍

本發明涉及一種柔性薄膜致動器，特別涉及一種太陽光驅動的柔性薄膜致動器。通過兩步法連續磁控濺射，將納米晶金屬薄膜與FEP塑料結合，制備出納米晶金屬薄膜/柔性全氟乙烯丙烯共聚物薄膜，制備的薄膜輕薄、薄膜層間結合力強，且制備方法簡單、可大規模工業生產。利用兩層薄膜之間的熱膨脹系數差異以及金屬薄膜的高熱傳導系數，制備出可實現大幅度形變的柔性薄膜致動器。制備的光驅動柔性薄膜致動器具有對太陽光的高靈敏性、環境中長期穩定性、可以任意裁剪拼接等特性。

技術領域

本發明涉及一種柔性薄膜致動器，特別涉及一種基于納米晶金屬薄膜/柔性全氟乙烯丙烯共聚物基底的太陽光驅動的柔性仿生薄膜致動器。

背景技術

飛行類動物的飛行動力來源于全身復雜肌肉群協同控制翅膀拍打空氣，而人造飛行器的推動力主要通過化石燃料的燃燒噴射或驅動螺旋槳旋轉獲取。模仿飛行類動物，通過煽動“翅膀”實現持續運動一直是仿生機器人領域的重點研究領域。相對比于剛性結構，柔性薄膜致動器可以大幅降低類“煽動”驅動的機械和算法的復雜性。柔性致動器由柔性材料組合構造，能夠將外部刺激，如光、熱、濕度等，轉化為復雜的機械形變，在仿生設備、微型機器人、智能設備等領域有著廣泛的應用。光驅動因具有無線化、可控化等優點而廣受關注。太陽光取之不盡用之不竭、安全清潔。太陽光驅動是目前光驅動柔性致動器領域中非常重要的研究方向，同時利于光驅動柔性致動器在自然環境中的應用。

常見的光驅動柔性致動器的工作原理是利用高能光強刺激具有光敏性的液晶聚合物產生分子取向變化或者利用光熱轉換使層狀柔性器件不同層之間形成熱膨脹差異，從而實現可以對熱、光等實現復雜的力學響應。光敏性液晶聚合物一般形變程度較小且需要高強度光源刺激，僅有的將外部光刺激轉化為可持續連續運動的“毛毛蟲”結構需要外部硬框架的協同約束，還需要高達540mW/cm²的光強刺激。利用光-熱轉換的光驅動柔性機器人同樣需要高強度光源，目前利用可見光驅動的研究很少，結構通常為碳納米管/柔性基底，光驅動時器件形變程度較小，且只能通過設定光源周期性開關實現持續運動。

發明內容

針對背景技術中的利用高能光源驅動且只能通過設定光源周期性開關實現持續運動的光驅動柔性致動器的局限性，本發明提出一種基于納米晶金屬薄膜/柔性全氟乙烯丙烯共聚物基底的類似蝴蝶翅膀的太陽光驅動的柔性仿生薄膜致動器的制備方法，該光驅動柔性薄膜致動器通過持續撲動，同鳥類煽動翅膀飛行相似，持續拍打空氣產生反作用力，能夠在太陽光的作用下持續產生驅動力，為未來光驅動輕量化設備或仿生飛行提供一定的參考與借鑒。

本發明通過下述技術方案予以實現：

(1)：柔性基底處理

將柔性全氟乙烯丙烯共聚物薄膜(FEP)裁剪成7cm×7cm尺寸，依次用丙酮、無水乙醇清洗(超聲清洗1h，去除表面灰塵、油污)，然后使用氧等離子體清洗機進行處理(對處理物表面改性，提高處理物表面能，增加吸附力及均勻性；同時等離子清洗機可以去除處理物表面的污染物)。

其中，全氟乙烯丙烯共聚物薄膜具有135×10^-6/K的熱膨脹系數。

(2)：制備第一層金屬薄膜

將處理過的FEP薄膜平鋪在磁控濺射托盤上，兩端通過高溫膠帶固定，首先在5.0-6.0Pa的腔壓下，通過30-50W射頻磁控濺射預濺射金屬靶材10-20s，形成結合力較好的第一層超薄納米晶金屬薄膜，厚度約為幾納米。

(3)制備第二層金屬薄膜

在3.0-5.0Pa的腔壓下，通過30-40W直流磁控濺射金屬靶材40-60min，沉積的納米晶金屬薄膜層總厚度為200-500nm，晶粒尺寸為30-50nm。

使用的金屬靶材包括Sn、Cu、Mo、Sb₂Se₃等，磁控濺射型號為SP-SS4-A00。