[發明專利]一種纖維狀介電彈性體驅動器及其制備方法

有效

• 申請號: 202110418346.3
• 申請日: 2021-04-19
• 公開（公告）號: CN113265721B
• 公開（公告）日: 2022-02-08
• 發明（設計）人: 何金;羅英武;趙俊杰
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: D01F8/10
• 分類號: D01F8/10;D01D5/34;D01D5/22
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 邱啟旺

本發明公開了一種纖維狀介電彈性體驅動器及其制備方法，該驅動器是三層同心或偏心纖維結構，內外兩層為柔性電極，中間層為介電彈性體。該方法通過設計制備嵌段共聚物作為介電彈性體材料、聚丙烯酸鈉導電水凝膠作為電極材料，采用溶液紡絲共擠出技術，可以實現連續化、規模化制造，有利于推進低成本介電彈性體驅動器的實際應用，通過設計不同形狀的擠出頭，制備得到不同纖維狀結構的驅動器，實現不同的運動形式，本發明的纖維狀介電彈性體驅動器具有輕質、全柔性、高透明度特點，無需硬質框架，無預拉伸時可在較低電壓下實現大變形(＞10％)，彎曲程度大于90度，在軟體機器人、可穿戴電子設備、智能織物、智能光學器件等領域具有巨大的應用前景。

技術領域

本發明涉及介電彈性體驅動器領域，尤其涉及一種纖維狀介電彈性體驅動器及其制備方法。

背景技術

目前機器人與工業自動化領域傳統的驅動形式是電機驅動，以剛性結構為主，存在笨重、安全系數低、環境適應性差、傳動效率低、噪聲大等問題。

為解決這些問題，人們開發了各種柔性驅動器，根據驅動機理可分為物質驅動、熱驅動、氣壓驅動和電驅動。物質驅動的水凝膠和導電聚合物驅動器，響應速度慢，需要液相介質，這限制了其應用；熱驅動的液晶彈性體和形狀記憶聚合物驅動器，存在熱量難以控制的問題；氣動人工肌肉體積大、受輔助系統的限制；而電驅動的介電彈性體是一類能在外電場作用下產生大變形的智能軟材料，具有柔性、響應速度快、不需要液相介質、易于控制集成、體積小、質量輕、能量密度高、能量轉化效率高、噪聲低等特點，被視為新一代人工肌肉，在軟體機器人、智能可穿戴設備、康復醫療器材、人機交互產品、微流體控制等領域具有巨大的應用潛力。

在介電彈性體薄膜的上下表面涂覆柔性電極，即可組成介電彈性體驅動器。其驅動機理是：向電極表面施加電壓時，上下表面的異種電荷相互吸引，同一表面的同種電荷相互排斥，產生麥克斯韋應力(Maxwell Stress)，使得介電彈性體在厚度方向被壓縮，在平面方向上發生擴張，從而產生驅動變形，將電能轉化為機械能。施加在介電彈性體薄膜上的麥克斯韋應力(P)為：

P＝ε₀ε_rE²

式中ε₀為真空介電常數(8.85×10^-12F/m)，ε_r為介電彈性體的相對介電常數，E為外加電場的電場強度(等于外加電壓U與薄膜厚度d的比值，)。在小變形時，薄膜厚度收縮應變(S_Z)為：

式中Y為介電彈性體的彈性模量。由此可見，介電彈性體驅動器的驅動應變與模量、厚度的平方成反比，與介電常數、電壓的平方成正比。

相比于產生雙向驅動不利于實際應用的平面構型驅動器，能實現線性驅動的纖維狀驅動器具有諸多優點：纖維是一種具有柔性和各向異性的結構，可利用傳統的紡織技術進行編織得到可穿戴的智能織物，而且，自然界中最完美的柔性驅動器——生物肌肉，也具有多級纖維結構，其運動單元是能產生線性驅動的肌纖維，通過組合便可實現復雜的運動形式。

現有制備纖維狀介電彈性體驅動器的方法主要有手工涂覆導電電極到管狀介電彈性體法、浸漬涂覆法、介電彈性體薄膜卷繞彈簧芯法等。Arora等人將市售硅橡膠彈性體中空管預拉伸后用硬質框架固定，再手工涂覆導電電極，制備得到的纖維驅動器在高達14kV的電壓下產生7％的應變；Kofod等人利用多次浸漬涂覆工藝，將橡皮筋預拉伸后固定，分別在電極溶液和介電彈性體溶液中浸涂上電極層和介電彈性體層，該驅動器在大約10kV的電壓下應變為6.9％；Rajamani等人將VHB膜預拉伸、涂覆碳膏電極后，在彈簧表面卷繞，形成矮胖型卷繞驅動器，在3.64kV電壓下驅動應變為12.77％。