CN105206738B - 电致动材料及电致动器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电致动材料，包括第一复合层、第二复合层和基体材料层，第一复合层包括第一材料层和第一粘结剂层，第一材料层通过第一粘结剂层层叠设于基体材料层一端的表面；第二复合层包括第二材料层和第二粘结剂层，第二材料层通过第二粘结剂层层叠设于基体材料层另一端的表面；第一、第二材料层的热膨胀系数大于基体材料层的热膨胀系数，第一、第二材料层均为聚合物材料层，基体材料层为碳基材料层。本发明的电致动材料的柔性良好兼具碳基材料良好的电学与力学性能，制备简单。基于本发明的电致动材料的电致动器响应迅速，形变程度大，可实现特定部位产生特定方向弯曲，拓宽致动器的多样性。
Description
技术领域
本发明涉及电致动材料领域，尤其涉及电致动材料及电致动器。
背景技术
致动器的工作原理为将其它能量转换为机械能，实现这一转换经常采用的途径有三种：通过静电场转化为静电力，即静电驱动；通过电磁场转化为磁力，即磁驱动；利用材料的热膨胀或其它热特性实现能量的转换，即热驱动。
利用热驱动的致动器克服了静电驱动和磁驱动致动器形变量小的缺点，该致动器结构只要能够保证获得一定的热能就能产生相应的形变，另外，相对于静电力和磁场力，热驱动力较大。现有技术公开一种电致动器，请参见“基于热膨胀效应的微电致动器进展”，匡一宁等，电子器件，vol 22, p162 (1999）。该电致动器采用两片热膨胀系数不同的金属结合成双层结构作为电致伸缩元件，当通入电流受热时，由于一片金属的热膨胀量大于另一片，双金属片将向热膨胀量小的一方弯曲。然而，由于上述电致动材料采用金属结构，其柔性较差，形变量较小，致动器热响应速度较慢；此外形变只能向一个方向弯曲，形变模式单一，不利于实际生产生活中的应用。
碳基材料包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯及其衍生物，是近几年倍受关注的材料。以碳纳米管为例，其具有许多优异的性能，可应用于许多领域。碳纳米管是由石墨片卷成的无缝中空管体，由于在碳纳米管内电子的量子限域作用，电子只能在石墨片中沿着碳纳米管的轴向运动，因此碳纳米管表现出独特的电学性能和热学性能。研究测试结果表明，碳纳米管的平均电导率可达到1000~2000S/m（西门子/米）。此外，碳纳米管还具有优良的力学性能，如，较高的强度和模量。
现有基于碳基材料的致动器在性能上有了较大的提升，整体柔性较好，形变量增大。然而，还是存在一些局限性，例如致动器的结构比较单一，大多是采用双层材料叠层设置的结构，因而致动器仅能向热膨胀量小的一侧弯曲，弯曲方向单一，难以满足目前对致动器多样化的需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供柔性的电致动材料及其制备方法，使得能够根据实际需要进行先进的结构设计，可快速制备具有特定部位弯曲，双向弯曲等多功能的电致动器。
本发明采用的技术方案是：
一种电致动材料，其包括第一复合层、第二复合层和基体材料层，所述第一复合层设于基体材料层一端的表面上，所述第二复合层设于基体材料层另一端的表面上，所述第一复合层包括第一材料层和第一粘结剂层，所述第一材料层通过第一粘结剂层层叠设于基体材料层表面的一端；所述第二复合层包括第二材料层和第二粘结剂层，所述第二材料层通过第二粘结剂层层叠设于基体材料层表面的另一端；所述第一材料层和第二材料层的热膨胀系数与基体材料层的热膨胀系数不同，所述第一材料层、第二材料层均为聚合物材料层，所述基体材料层为碳基材料层。
所述第一复合层和第二复合层分别设在基体材料层的上下两个不同的表面上。
所述第一复合层和第二复合层间隔设在基体材料层的同一表面上。
所述基体材料层的另一表面对应第一复合层和第二复合层的间隔处设有第三复合层，第三复合层的宽度小于第一复合层和第二复合层的间隔处的宽度，所述第三复合层包括第三材料层和第三粘结剂层，第三材料层通过第三粘结剂层叠设于基体材料层的另一表面上，所述第三材料层为聚合物材料层。
所述的聚合物材料层通过粘结剂层采用粘结、压合的方式层叠设置于碳基材料层上。
所述碳基材料层的碳基材料为石墨、碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯和碳纤维及它们的衍生物中的一种或两种以上的组合。
所述粘结剂层的粘结剂为光固化胶、热固化胶、非导电性固化胶中的一种或两种以上的的组合。
所述聚合物材料可以为双向拉伸聚丙烯、聚丙烯、聚乙烯、硅橡胶、氟硅橡胶、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨脂、环氧树脂、聚丙烯酸乙酯、聚丙烯酸丁酯、聚苯乙烯、聚丁二烯和聚丙烯腈中的一种或两种以上的组合。
所述聚合物材料层的聚合物材料的热膨胀系数均大于所述碳基材料层的碳基材料的热膨胀系数。
本发明还公开一种所述的电致动材料的制备方法，其包括以下步骤：
步骤一：形成一由碳基材料薄膜构成基体材料层；
步骤二：形成由已聚合完成的聚合物薄膜构成的聚合物材料层；
步骤三：将作为粘结剂层的粘结剂均匀覆盖在由聚合物薄膜构成的聚合物材料层上，分别形成第一复合层和第二复合层；
步骤四：通过粘结剂层采用粘结、压合的方式将第一复合层设于基体材料层一端的表面上，将第二复合层设于基体材料层另一端的表面上。
形成所述聚合物薄膜的方法包括缩聚反应、聚加反应、自由基聚合反应、阴离子聚合反应和阳离子聚合反应，根据聚合物材料层的聚合物单体种类的不同选取相应的方法形成所述聚合物薄膜。
将粘结剂层均匀分布在聚合物材料层上的方法包括旋涂法、提拉法和涂抹法。
本发明还公开一种S型电致动器，其包括一采用权利要求2所述的电致动材料、至少一第一电极与至少一第二电极，所述至少一第一电极与至少一第二电极间隔设置于所述电致动材料的基体材料层的表面上，并与所述基体材料层电连接。
在所述第一电极及第二电极通电时，S型电致动器具有复合层的特定部位会分别向2个方向弯曲，使得致动器整体形成S型弯曲。
本发明还公开一种波浪型电致动器，其包括一采用权利要求3所述的电致动材料、至少一第一电极与至少一第二电极，所述至少一第一电极与至少一第二电极间隔设置于所述电致动材料的基体材料层的表面上，并与所述基体材料层电连接。
在所述第一电极及第二电极通电时，所述波浪型电致动器具有复合层的特定部位会共同向同一个方向的弯曲，波浪型电致动器的弯曲部位不连续。
本发明还公开一种双向波浪型电致动器，其包括一采用权利要求4所述的电致动材料、至少一第一电极与至少一第二电极，所述至少一第一电极与至少一第二电极间隔设置于所述电致动材料的基体材料层的表面上，并与所述基体材料层电连接。
在所述第一电极及第二电极通电时，双向波浪型电致动器具有复合层的特定部位会形成向2个方向的双向波浪型弯曲，双向波浪型电致动器的弯曲部位不连续。
本发明采用以上技术方案，与现有技术相比较，所述的电致动材料具有以下优点：其一，可通过先进的结构设计与制备工艺实现致动器的特定部位产生特定方向弯曲，例如实现S型、波浪型、双向波浪型等弯曲形变，大大拓宽致动器的多样性；其二，制备流程简单，生产时间短，可以短时间大规模制备；其三，采用柔性聚合物材料与碳基材料作为主要材料，使得所述电致动器具有柔性，且兼具碳基材料良好的电学与力学性能；其四，所述电致动器响应迅速，形变程度大，优于目前所报道的同类型致动器。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明；
图1为本发明实施例1的S型电致动器剖面图；
图2为本发明实施例1的S型电致动器的致动效果图；
图3为本发明实施例2的波浪型电致动器剖面图；
图4为本发明实施例2的波浪型电致动器的致动效果图；
图5为本发明实施例3的双向波浪型电致动器剖面图；
图6为本发明实施例3的双向波浪型电致动器的致动效果图。
具体实施方式
实施例1：
如图1或图2所示，本发明公开一种电致动材料10，其包括第一复合层、第二复合层和基体材料层17，所述第一复合层设于基体材料层17一端的表面上，所述第二复合层设于基体材料层17另一端的表面上，所述第一复合层和第二复合层分别设在基体材料层的上下两个不同的表面上。所述第一复合层包括第一材料层13和第一粘结剂层14，第一材料层13和第一粘结剂层14具有相同的长度和宽度，所述第一材料层13通过第一粘结剂层14层叠设于基体材料层17表面的一端；所述第二复合层包括第二材料层15和第二粘结剂层16，第二材料层15和第二粘结剂层16具有相同的长度和宽度，所述第二材料层15通过第二粘结剂层16层叠设于基体材料层17表面的另一端；所述第一材料层13和第二材料层14的热膨胀系数大于基体材料层17的热膨胀系数，所述第一材料层13、第二材料层14均为聚合物材料层，所述基体材料层17为碳基材料层。
所述第一材料层13和第二材料层15为聚合物材料，可以为双向拉伸聚丙烯，聚丙烯，聚乙烯，硅橡胶、氟硅橡胶、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨脂、环氧树脂、聚丙烯酸乙酯、聚丙烯酸丁酯、聚苯乙烯、聚丁二烯、聚丙烯腈等中的一种或几种的组合，但不局限于这些材料。所述第一材料层13的长度和第二材料层15的长度之和小于或等于基体材料层17的长度。本实施例中优选第一材料层13的长度和第二材料层15的长度均为基体材料层17的长度一半。所述第一材料层13和第二材料层15的厚度可以为1μm～5mm。
在本实施例中优选地，聚合物材料为双向拉伸聚丙烯，厚度为35μm。具体地，所述第一材料层13和第二材料层15的聚合物材料为双向拉伸聚丙烯，长度为45mm，宽度为18mm，厚度为35μm。
所述第一粘结剂层14和第二粘结剂层16的粘结剂可以为光固化胶、热固化胶和非导电性固化胶中的一种或几种的组合，可以为聚乙烯醇、α-氰基丙烯酸乙酯、亚克力胶，但不局限于这些材料。所述第一粘结剂层14和第二粘结剂层16的厚度可以为1μm~0.5mm。在本实施例中优选地，粘结剂为亚克力胶，厚度为5μm。所述第一粘结剂层14的长度和第二粘结剂层16的长度之和小于或等于基体材料层17的长度。
本实施例中优选第一粘结剂层14的长度和第二粘结剂层16的长度均为基体材料层17的长度一半。具体地，所述第一粘结剂层14和第二粘结剂层16的粘结剂为亚克力胶，长度为45mm，宽度为18mm，厚度为5μm；
所述基体材料层17为碳基材料层，可以为石墨，碳纳米管，石墨烯，碳纤维和它们衍生物中的一种或两种以上的混合，但不局限于这些材料。所述碳基材料层为薄膜结构，其中碳基材料构成导电导热网络。所述基体材料层17的厚度可以为0.1μm~1mm。
在本实施例中优选地，碳基材料为碳纳米管纸，厚度为7μm。具体地，所述基体材料层17为碳纳米管纸，长度为90mm，宽度为18mm，厚度为7μm。
本发明提供一种S型电致动器100，其包括至少一第一电极11、至少一第二电极12和所述电致动材料10，所述至少一第一电极11与至少一第二电极12间隔设置于所述电致动材料10的基体材料层17的表面上，并与所述基体材料层17电连接，用于将外部电流输入至基体材料层17中。
在所述第一电极11及第二电极12通电时，S型电致动器100具有复合层的特定部位会分别向2个方向弯曲，使得致动器整体形成S型弯曲。具体的，S型电致动器100的电致动材料10对应设有复合层的特定部位发生弯曲，由于第一复合层和第二复合层分别设于基体材料层17的上下两个相对的表面，第一复合层对应的部位和第二复合层对应的部位分别向2个方向弯曲，使得致动器整体形成S型弯曲。
所述第一电极11，第二电极12可以为棒状、条状、块状或其他二维及三维形状，其截面的形状可以为圆形、方形、梯形、三角形、多边形或其它不规则形状。该第一电极11与第二电极12的材料可选择为金、银、铜、铜合金、铂、铂合金、碲、钢、铁、锌、钨、钼、氧化铝、氧化铟锡、氧化锌、导电性聚合物、石墨或其他导电碳材料、其他可用于固体的导电材料等。
在本实施例中优选地，所述第一电极11，第二电极12的材料为铜，形状为长条状，宽度为1mm，长度为18mm，间距为90mm；
所述S型电致动器100在应用时，将电压通过第一电极11与第二电极12施加于该S型电致动器100的基体材料层17的两端，电流可通过上述基体材料层17进行传输。由于基体材料层17电导率高，焦耳热效应使第一材料层13，第二材料层15的温度快速升高，热量从所述基体材料层17的周围快速地向整个电致动器扩散，由于第一材料层13，第三材料层15的热膨胀系数大于基体材料层17的热膨胀系数，从而使得加热后它们材料伸长的长度不一致，且基体材料层17与第一材料层13，第二材料层15通过粘结剂层紧密结合在一起，所以受热伸长时不会产生相对滑动，进而导致该S型电致动器100的左右两个部分分别向基体材料层17不同的两侧弯曲，并且由于第一材料层13与第二材料层15间隔设置并不相连，从而形成一个S型的弯曲形变，具体如图2所示。
以往的电致动器绝大多数都是受电激励后整体产生同一个方向的弯曲形变，与之相比，本发明的S型电致动器100可通过先进结构设计与制备，使得第一材料层13（加上第一粘结剂层14）位于基体材料层7的一侧，第二材料层15（加上第二粘结剂层16）位于基板材料层17的另一侧，从而使得该致动器在通电之后，由于不同材料层之间的热膨胀系数差导致该致动器的不同部位分别向不同的两侧发生弯曲，这种多功能致动器在以往的致动器中鲜见报道，从而大大拓宽了致动器的功能性和多样性。
本发明所述S型电致动器100的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：形成一由碳基材料薄膜构成基体材料层；
如步骤一所述的碳基材料薄膜，形成所述碳基材料薄膜的方法包括真空抽滤法，滚筒拉膜法等方法，但不局限于上述方法。在本实施例中，制备碳纳米管纸的方法为滚筒拉膜法。
步骤二：形成由已聚合完成的聚合物薄膜构成的聚合物材料层；
如步骤二所述的聚合物材料薄膜，形成所述聚合物材料薄膜的方法根据第一材料层、第二材料层聚合物材料单体种类的不同分为包括缩聚反应、聚加反应、自由基聚合反应、阴离子聚合反应或阳离子聚合反应。在本实施例中，利用缩聚反应形成聚丙烯薄膜，再对聚丙烯薄膜进行双向拉伸，形成双向拉伸聚丙烯薄膜。
步骤三：将作为粘结剂层的粘结剂均匀覆盖在由聚合物薄膜构成的聚合物材料层上，分别形成第一复合层和第二复合层；
如步骤三所述的粘结剂层，将粘结剂层均匀分布在第一材料层、第二材料层上的方法包括旋涂法，提拉法，涂抹法等，但不仅局限于上述方法。在本实施例中，采用提拉法将亚克力胶均匀覆盖在双向拉伸聚丙烯薄膜上，形成粘结剂层，进而形成对应的复合层。
步骤四：通过粘结、压合等方式将第一材料层的聚合物材料薄膜与基体材料层的碳基材料薄膜组合在一起。也就是说，通过粘结剂层采用粘结、压合的方式将第一复合层设于基体材料层上表面（或者下表面）的一端。
步骤五：将步骤四获得的复合材料翻转后，通过粘结、压合等方式将第二材料层的聚合物材料薄膜与基体材料层的碳基材料薄膜组合在一起。也就是说，通过粘结剂层采用粘结、压合的方式将第二复合层设在与第一复合层相对的下表面（或者上表面）的另一端。
步骤六：用导电胶将第一电极、第二电极分别与碳基材料薄膜形成的基体材料层结合起来。
实施例2：
如图3或图4所示，本发明公开一种电致动材料20，其包括第一复合层、第二复合层和基体材料层27，所述第一复合层设于基体材料层27一端的表面上，所述第二复合层设于基体材料层27另一端的表面上，所述第一复合层和第二复合层间隔设在基体材料层的同一表面上。所述第一复合层包括第一材料层23和第一粘结剂层24，第一材料层23和第一粘结剂层24具有相同的长度和宽度，所述第一材料层23通过第一粘结剂层24层叠设于基体材料层27表面的一端；所述第二复合层包括第二材料层25和第二粘结剂层26，第二材料层25和第二粘结剂层26具有相同的长度和宽度，所述第二材料层25通过第二粘结剂层26层叠设于基体材料层27表面的另一端；所述第一材料层23和第二材料层25的热膨胀系数大于基体材料层27的热膨胀系数，所述第一材料层23、第二材料层25均为聚合物材料层，所述基体材料层27为碳基材料层。
所述第一材料层23和第二材料层25为聚合物材料，可以为双向拉伸聚丙烯，聚丙烯，聚乙烯，硅橡胶、氟硅橡胶、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨脂、环氧树脂、聚丙烯酸乙酯、聚丙烯酸丁酯、聚苯乙烯、聚丁二烯、聚丙烯腈等中的一种或几种的组合，但不局限于这些材料。所述第一材料层23的长度和第二材料层25的长度之和小于基体材料层27的长度。本实施例中第一材料层23的长度和第二材料层25的长度均小于基体材料层27的长度一半，且第一材料层23的长度等于第二材料层15的长度。所述第一材料层23，第二材料层25的厚度可以为1μm～5mm 。
在本实施例中优选地，聚合物材料为双向拉伸聚丙烯，厚度为35μm。具体地，所述第一材料层23和第二材料层25的聚合物材料为双向拉伸聚丙烯，长度为30mm，宽度为18mm，厚度为35μm。
所述第一粘结剂层24和第二粘结剂层26的粘结剂可以为光固化胶、热固化胶和非导电性固化胶中的一种或几种的组合，可以为聚乙烯醇、α-氰基丙烯酸乙酯、亚克力胶，但不局限于这些材料。所述第一粘结剂层24的长度和第二粘结剂层26的长度之和小于基体材料层27的长度。本实施例中第一粘结剂层24的长度和第二粘结剂层26的长度均小于基体材料层27的长度一半，且第一粘结剂层24的长度等于第二粘结剂层16的长度。所述第一粘结剂层24和第二粘结剂层26的厚度可以为1μm~0.5mm。
在本实施例中优选地，粘结剂为亚克力胶，厚度为5μm。具体地，所述第一粘结剂层24和第二粘结剂层26的粘结剂为亚克力胶，长度为30mm，宽度为18mm，厚度为5μm；
所述基体材料层27为碳基材料层，可以为石墨，碳纳米管，石墨烯，碳纤维和它们衍生物中的一种或两种以上的混合，但不局限于这些材料。所述碳基材料层为薄膜结构，其中碳基材料构成导电导热网络。所述基体材料层27的厚度可以为0.1μm~1mm。
在本实施例中优选地，碳基材料为碳纳米管纸，厚度为7μm。具体地，所述基体材料层27为碳纳米管纸，长度为90mm，宽度为18mm，厚度为7μm。
本发明实施例2提供一种电致动器200，其包括至少一第一电极21、至少一第二电极22和所述电致动材料20，所述至少一第一电极21与至少一第二电极22间隔设置于所述电致动材料20的基体材料层27的表面上，并与所述基体材料层27电连接，用于将外部电流输入至基体材料层27中。
在所述第一电极21及第二电极22通电时，所述波浪型电致动器200具有复合层的特定部位会共同向同一个方向的弯曲，波浪型电致动器200的弯曲部位不连续。
所述第一电极21、第二电极22可以为棒状、条状、块状或其他二维及三维形状，其截面的形状可以为圆形、方形、梯形、三角形、多边形或其它不规则形状。该第一电极21与第二电极22的材料可选择为金、银、铜、铜合金、铂、铂合金、碲、钢、铁、锌、钨、钼、氧化铝、氧化铟锡、氧化锌、导电性聚合物、石墨或其他导电碳材料、其他可用于固体的导电材料等。
在本实施例中优选地，所述第一电极21、第二电极22的材料为铜，形状为长条状，宽度为1mm，长度为18mm，间距为90mm；
所述电致动器200在应用时，将电压通过第一电极21与第二电极22施加于该电致动器200的基体材料层27的两端，电流可通过上述基体材料层27进行传输。由于基体材料层27电导率高，焦耳热效应使第一材料层23，第二材料层25的温度快速升高，热量从所述基体材料层27的周围快速地向整个电致动器扩散，由于第一材料层23，第三材料层25的热膨胀系数大于基体材料层27的热膨胀系数，从而使得加热后它们材料伸长的长度不一致，且基体材料层27与第一材料层23，第二材料层25通过粘结剂层紧密结合在一起，所以受热伸长时不会产生相对滑动，进而导致该电致动器200的左右两个部分分别都向基体材料层27同一侧弯曲，并且由于第一材料层23与第二材料层25间隔设置并不相连，从而形成一个波浪型的弯曲形变，具体如图4所示。
本发明所述电致动器200的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：形成一由碳基材料薄膜构成基体材料层；
如步骤一所述的碳基材料薄膜，形成所述碳基材料薄膜的方法包括真空抽滤法，滚筒拉膜法等方法，但不局限于上述方法。在本实施例中，制备碳纳米管纸的方法为滚筒拉膜法。
步骤二：形成由已聚合完成的聚合物薄膜构成的聚合物材料层；
如步骤二所述的聚合物材料薄膜，形成所述聚合物材料薄膜的方法根据第一材料层、第二材料层聚合物材料单体种类的不同分为包括缩聚反应、聚加反应、自由基聚合反应、阴离子聚合反应或阳离子聚合反应。在本实施例中，利用缩聚反应形成聚丙烯薄膜，再对聚丙烯薄膜进行双向拉伸，形成双向拉伸聚丙烯薄膜。
步骤三：将作为粘结剂层的粘结剂均匀覆盖在由聚合物薄膜构成的聚合物材料层上，分别形成第一复合层和第二复合层；
如步骤三所述的粘结剂层，将粘结剂层均匀分布在第一材料层、第二材料层上的方法包括旋涂法，提拉法，涂抹法等，但不仅局限于上述方法。在本实施例中，采用提拉法将亚克力胶均匀覆盖在双向拉伸聚丙烯薄膜上，形成粘结剂层，进而形成对应的复合层。
步骤四：通过粘结、压合等方式将第一材料层和第二材料层的聚合物材料薄膜与基体材料层的碳基材料薄膜组合在一起。也就是说，通过粘结剂层采用粘结、压合的方式将第一复合层设于基体材料层上表面（或者下表面）的一端，采用同样的方式将第二复合层间隔设在与第一复合层相同的上表面（或者下表面）的另一端。
步骤五：用导电胶将第一电极、第二电极分别与碳基材料薄膜形成的基体材料层结合起来。
以往的电致动器绝大多数都是受电激励后致动器整体产生弯曲形变，与之相比，本发明的波浪型电致动器200可通过先进结构设计与制备，可实现致动器在特定部位产生弯曲，从而大大拓宽了致动器的功能性和多样性。
实施例3
如图5或图6所示，本发明公开一种电致动材料30，其包括第一复合层、第二复合层、第三复合层和基体材料层37，所述第一复合层和第二复合层间隔设在基体材料层的同一表面上。所述第一复合层设于基体材料层37同一表面的一端上，所述第二复合层设于基体材料层37同一表面的另一端上。第三复合层设于所述基体材料层37的另一表面对应第一复合层和第二复合层的间隔处，第三复合层的宽度小于第一复合层和第二复合层的间隔处的宽度。
所述第一复合层包括第一材料层33和第一粘结剂层34，第一材料层33和第一粘结剂层34具有相同的长度和宽度，所述第一材料层33通过第一粘结剂层34层叠设于基体材料层37表面的一端；所述第二复合层包括第二材料层35和第二粘结剂层36，第二材料层35和第二粘结剂层36具有相同的长度和宽度，所述第二材料层35通过第二粘结剂层36层叠设于基体材料层37表面的另一端；所述第三复合层包括第三材料层38和第三粘结剂层39，第三材料层38通过第三粘结剂层39叠设于基体材料层37的另一表面上对应第一复合层和第二复合层的间隔处。所述第一材料层33、第二材料层35和第三材料层38的热膨胀系数均大于基体材料层37的热膨胀系数，第一材料层33、第二材料层35和第三材料层38的热膨胀系数可以相同，也可以不同，所述第一材料层33、第二材料层35和第三材料层38均为聚合物材料层，所述基体材料层37为碳基材料层。
所述第一材料层33，第二材料层35，第三材料层38为聚合物材料，可以为双向拉伸聚丙烯，聚丙烯，聚乙烯，硅橡胶、氟硅橡胶、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨脂、环氧树脂、聚丙烯酸乙酯、聚丙烯酸丁酯、聚苯乙烯、聚丁二烯、聚丙烯腈等中的一种或几种的组合，但不局限于这些材料。所述第一材料层33、第二材料层35和第三材料层38的长度之和小于或等于基体材料层37的长度。本实施例中，第一材料层33、第二材料层35和第三材料层38具有相同的长度，且第一材料层33、第二材料层35和第三材料层38的长度均小于基体材料层37的长度的三分之一。所述第一材料层33、第二材料层35和第三材料层38的厚度可以为1μm～5mm。在本实施例中优选地，所述第一材料层33、第二材料层35和第三材料层38的聚合物材料为双向拉伸聚丙烯，长度都为30mm，宽度都为18mm，厚度都为35μm。
所述第一粘结剂层34，第二粘结剂层36，第三粘结剂层39的粘结剂可以为聚乙烯醇，α-氰基丙烯酸乙酯，亚克力胶，光固化胶，热固化胶，非导电性固化胶等中的一种或几种的组合，但不局限于这些材料。所述第一结剂层34、第二结剂层36和第三结剂层39的长度之和小于或等于基体材料层37的长度。本实施例中，第一结剂层34、第二结剂层36和第三结剂层39具有相同的长度，且第一粘结剂层34、第二粘结剂层36和第三粘结剂层39的长度均小于基体材料层37的长度的三分之一。所述第一粘结剂层34，第二粘结剂层36，第三粘结剂层39的厚度可以为1μm~0.5mm。
在本实施例中优选地，所述第一粘结剂层34、第二粘结剂层36、第三粘结剂层39的粘结剂为亚克力胶，长度都为30mm，宽度都为18mm，厚度都为5μm。
所述基体材料层37为碳基材料，可以为石墨，碳纳米管，石墨烯，碳纤维和它们衍生物中的一种或两种以上的混合，但不局限于这些材料。其特征在于，所述碳基材料为薄膜结构，其中碳基材料构成导电导热网络。所述基体材料层37的厚度可以为0.1μm~1mm。在本实施例中优选地，所述基体材料层37为碳纳米管纸，长度为110mm，宽度为18mm，厚度为7μm。
本发明还公开一种双向波浪型电致动器300，其包括所述的电致动材料30、至少一第一电极31与至少一第二电极32，所述至少一第一电极31与至少一第二电极32间隔设置于所述电致动材料30的基体材料层37的表面上，并与所述基体材料层37电连接。
在所述第一电极31及第二电极32通电时，双向波浪型电致动器300具有复合层的特定部位会分别形成向2个方向的双向波浪型弯曲，双向波浪型电致动器300的弯曲部位不连续。
所述电致动器300在应用时，将电压通过第一电极31与第二电极32施加于该电致动器300的基体材料层37的两端，电流可通过上述基体材料层37进行传输。由于基体材料层37电导率高，焦耳热效应使第一材料层33，第二材料层35，第三材料层38的温度快速升高，热量从所述基体材料层37的周围快速地向整个电致动器扩散，由于第一材料层33，第二材料层35，第三材料层38的热膨胀系数大于基体材料层37的热膨胀系数，从而使得加热后它们材料伸长的长度不一致，且基体材料层37与第一材料层33，第二材料层35，第三材料层38通过粘结剂层紧密结合在一起，所以受热伸长时不会产生相对滑动，进而导致该电致动器300的左中右三个部位分别向基体材料层37两侧弯曲，从而形成一个双向波浪型的弯曲形变。电致动器300的致动效果如图6所示。
实施例3与实施例1和实施例2的不同点在于第一粘结剂层，第二粘结剂层，第三粘结剂层以及第一材料层，第二材料层，第三材料层在基体材料层上不连续，实现致动器不同部位分别向不同侧发生弯曲形变，而不影响相邻的致动单元，大大拓宽了致动器的功能性和多样性。
本发明所述电致动器300的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：形成一由碳基材料薄膜构成基体材料层；
如步骤一所述的碳基材料薄膜，形成所述碳基材料薄膜的方法包括真空抽滤法，滚筒拉膜法等方法，但不局限于上述方法。在本实施例中，制备碳纳米管纸的方法为滚筒拉膜法。
步骤二：形成由已聚合完成的聚合物薄膜构成的聚合物材料层；
如步骤二所述的聚合物材料薄膜，形成所述聚合物材料薄膜的方法根据第一材料层、第二材料层聚合物材料单体种类的不同分为包括缩聚反应、聚加反应、自由基聚合反应、阴离子聚合反应或阳离子聚合反应。在本实施例中，利用缩聚反应形成聚丙烯薄膜，再对聚丙烯薄膜进行双向拉伸，形成双向拉伸聚丙烯薄膜。
步骤三：将作为粘结剂层的粘结剂均匀覆盖在由聚合物薄膜构成的聚合物材料层上，分别形成第一复合层和第二复合层；
如步骤三所述的粘结剂层，将粘结剂层均匀分布在第一材料层、第二材料层上的方法包括旋涂法，提拉法，涂抹法等，但不仅局限于上述方法。在本实施例中，采用提拉法将亚克力胶均匀覆盖在双向拉伸聚丙烯薄膜上，形成粘结剂层，进而形成对应的复合层。
步骤四：通过粘结、压合等方式将第一材料层和第二材料层的聚合物材料薄膜与基体材料层的碳基材料薄膜组合在一起。也就是说，通过粘结剂层采用粘结、压合的方式将第一复合层设于基体材料层上表面（或者下表面）的一端，采用同样的方式将第二复合层间隔设在与第一复合层相同的上表面（或者下表面）的另一端。
步骤五：将步骤四获得的复合材料翻转后，通过粘结、压合等方式将第三材料层的聚合物材料薄膜与基体材料层的碳基材料薄膜组合在一起。也就是说，通过粘结剂层采用粘结、压合的方式将第三复合层设在与第一复合层和第二复合层相对的下表面（或者上表面）上，且对应第一复合层和第二复合层间隔的中间处。
步骤六：用导电胶将第一电极、第二电极分别与碳基材料薄膜形成的基体材料层结合起来。
本发明采用以上技术方案，与现有技术相比较，本发明的电致动材料具有以下优点：其一，可通过先进的结构设计与制备工艺实现致动器的特定部位产生特定方向弯曲，例如实现S型、波浪型、双向波浪型等弯曲形变，大大拓宽致动器的多样性；其二，制备流程简单，生产时间短，可以短时间大规模制备；其三，采用柔性聚合物材料与碳基材料作为主要材料，基于本发明的电致动材料的电致动器具有柔性，且兼具碳基材料良好的电学与力学性能；其四，基于本发明的电致动材料的电致动器响应迅速，形变程度大，优于目前所报道的同类型致动器。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化，当然，这些依本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种电致动材料，其特征在于：其包括第一复合层、第二复合层和基体材料层，所述第一复合层设于基体材料层一端的表面上，所述第二复合层设于基体材料层另一端的表面上，所述第一复合层包括第一材料层和第一粘结剂层，所述第一材料层通过第一粘结剂层层叠设于基体材料层表面的一端；所述第二复合层包括第二材料层和第二粘结剂层，所述第二材料层通过第二粘结剂层层叠设于基体材料层表面的另一端；所述第一材料层和第二材料层的热膨胀系数与基体材料层的热膨胀系数不同，所述第一材料层、第二材料层均为聚合物材料层，所述基体材料层为碳基材料层。
2.根据权利要求1所述的电致动材料，其特征在于：所述第一复合层和第二复合层分别设在基体材料层的上下两个不同的表面上。
3.根据权利要求1所述的电致动材料，其特征在于：所述第一复合层和第二复合层间隔设在基体材料层的同一表面上。
4.根据权利要求3所述的电致动材料，其特征在于：所述基体材料层的另一表面对应第一复合层和第二复合层的间隔处设有第三复合层，第三复合层的宽度小于第一复合层和第二复合层的间隔处的宽度，所述第三复合层包括第三材料层和第三粘结剂层，第三材料层通过第三粘结剂层叠设于基体材料层的另一表面上，所述第三材料层为聚合物材料层。
5.根据权利要求1至4任一权利要求所述的电致动材料，其特征在于：所述的聚合物材料层通过粘结剂层采用粘结、压合的方式层叠设置于碳基材料层上。
6.根据权利要求1至4任一权利要求所述的电致动材料，其特征在于：所述碳基材料层的碳基材料为石墨、碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯、碳纤维和它们衍生物中的一种或两种以上的组合；所述粘结剂层的粘结剂为光固化胶、热固化胶、非导电性固化胶中的一种或两种以上的组合；所述聚合物材料可以为双向拉伸聚丙烯、聚丙烯、聚乙烯、硅橡胶、氟硅橡胶、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨脂、环氧树脂、聚丙烯酸乙酯、聚丙烯酸丁酯、聚苯乙烯、聚丁二烯和聚丙烯腈中的一种或两种以上的组合。
7.根据权利要求1至4任一权利要求所述的电致动材料，其特征在于：所述聚合物材料层的聚合物材料的热膨胀系数均大于所述碳基材料层的碳基材料的热膨胀系数。
8.一种S型电致动器，其特征在于：其包括一采用权利要求2所述的电致动材料、至少一第一电极与至少一第二电极，所述至少一第一电极与至少一第二电极间隔设置于所述电致动材料的基体材料层的表面上，并与所述基体材料层电连接；在所述第一电极及第二电极通电时，S型电致动器具有复合层的特定部位会分别向2个方向弯曲，使得致动器整体形成S型弯曲。
9.一种波浪型电致动器，其特征在于：其包括一采用权利要求3所述的电致动材料、至少一第一电极与至少一第二电极，所述至少一第一电极与至少一第二电极间隔设置于所述电致动材料的基体材料层的表面上，并与所述基体材料层电连接；在所述第一电极及第二电极通电时，所述波浪型电致动器具有复合层的特定部位会共同向同一个方向的弯曲，波浪型电致动器的弯曲部位不连续。
10.一种双向波浪型电致动器，其特征在于：其包括一采用权利要求4所述的电致动材料、至少一第一电极与至少一第二电极，所述至少一第一电极与至少一第二电极间隔设置于所述电致动材料的基体材料层的表面上，并与所述基体材料层电连接；在所述第一电极及第二电极通电时，双向波浪型电致动器具有复合层的特定部位会形成向2个方向的双向波浪型弯曲，双向波浪型电致动器的弯曲部位不连续。
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