專利名稱：電致動(dòng)材料及電致動(dòng)元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電致動(dòng)材料及電致動(dòng)元件，尤其涉及一種具有可彎曲特性的電致動(dòng)材料及電致動(dòng)元件。
背景技術(shù)：
致動(dòng)器的工作原理為將其它能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換經(jīng)常采用的途徑有三種通過(guò)靜電場(chǎng)轉(zhuǎn)化為靜電力，即靜電驅(qū)動(dòng)；通過(guò)電磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為磁力，即磁驅(qū)動(dòng)；利用材料的熱膨脹或其它熱特性實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，即熱驅(qū)動(dòng)。靜電驅(qū)動(dòng)的致動(dòng)器一般包括兩個(gè)電極及設(shè)置在兩個(gè)電極之間的電致動(dòng)元件，其工作過(guò)程為在兩個(gè)電極上分別注入電荷，利用電荷間的相互吸引和排斥，通過(guò)控制電荷數(shù)量和電負(fù)性來(lái)控制電極間電致動(dòng)元件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。但是由于靜電力反比于電容板之間距離的平方，因此一般只有在電極間距很小時(shí)靜電力才比較顯著，該距離的要求使該致動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。磁驅(qū)動(dòng)的致動(dòng)器一般包括兩個(gè)磁極及設(shè)置在兩個(gè)磁極之間的電致動(dòng)元件，其工作是通過(guò)磁場(chǎng)的相互吸引和排斥作用使兩磁極之間的電致動(dòng)元件產(chǎn)生相對(duì)的運(yùn)動(dòng)，但是磁驅(qū)動(dòng)的缺點(diǎn)和靜電驅(qū)動(dòng)相同，即由于磁場(chǎng)作用范圍有限，導(dǎo)致電致動(dòng)元件的上下兩個(gè)表面必須保持較小的距離，該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求嚴(yán)格且也限制了該致動(dòng)器的應(yīng)用范圍。而利用熱驅(qū)動(dòng)的致動(dòng)器克服了上述靜電驅(qū)動(dòng)和磁驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器的缺點(diǎn)，該致動(dòng)器結(jié)構(gòu)只要能夠保證獲得一定的熱能就能產(chǎn)生相應(yīng)的形變，另外，相對(duì)于靜電力和磁場(chǎng)力，熱驅(qū)動(dòng)力較大?，F(xiàn)有技術(shù)公開(kāi)一種電熱式致動(dòng)器，請(qǐng)參閱“基于熱膨脹效應(yīng)的微電熱式致動(dòng)器進(jìn)展”，匡一寧等，電子器件，vol 22，pl62(1999)。該電熱式致動(dòng)器采用兩片熱膨脹系數(shù)不同的金屬結(jié)合成雙層結(jié)構(gòu)作為電致動(dòng)元件，當(dāng)通入電流受熱時(shí)，由于一片金屬的熱膨脹量大于另一片，雙金屬片將向熱膨脹量小的一方彎曲。然而，由于上述電致動(dòng)材料采用金屬結(jié)構(gòu)，其柔性較差，導(dǎo)致整個(gè)電熱式致動(dòng)器熱響應(yīng)速度較慢。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，確有必要提供一種具有彎曲特性熱響應(yīng)速度快的的電致動(dòng)材料及電致動(dòng)元件。一種電致動(dòng)材料，包括一片狀柔性高分子基體以及一碳納米管膜結(jié)構(gòu)，其中，所述碳納米管膜結(jié)構(gòu)至少部分包埋于所述柔性高分子基體一表面，所述碳納米管膜結(jié)構(gòu)為多個(gè)碳納米管通過(guò)范德華力結(jié)合而成，所述碳納米管膜結(jié)構(gòu)包括至少一第一接電部、至少一第二接電部及連接所述至少一第一接電部和至少一第二接電部而形成長(zhǎng)條狀導(dǎo)電通路的一連接部，所述至少一第一接電部與至少一第二接電部相互間隔設(shè)置并位于所述連接部的同一側(cè)?！N電致動(dòng)元件，其包括一電致動(dòng)材料，該電致動(dòng)材料為片材，該電致動(dòng)材料包括一柔性高分子基體，以及一碳納米管膜結(jié)構(gòu)，所述碳納米管膜結(jié)構(gòu)與所述柔性高分子基體具有不同的熱膨脹系數(shù)；以及至少一第一電極與至少一一第二電極，所述至少一第一電極與至少一第二電極間隔設(shè)置于所述電致動(dòng)材料，并與所述電致動(dòng)材料電連接；其中，所述碳納米管膜結(jié)構(gòu)至少部分包埋于柔性高分子基體的表面，所述碳納米管膜結(jié)構(gòu)包括至少一第一接電部、至少一第二接電部及連接所述第一接電部和第二接電部而形成長(zhǎng)條狀導(dǎo)電通路的一連接部，所述至少一第一接電部與至少一第二接電部相互間隔設(shè)置并位于所述連接部的同一側(cè)，所述至少一第一電極與所述至少一第一接電部電連接，所述至少一第二接電部與所述至少一第二接電部電連接。 與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明提供的電致動(dòng)材料及電致動(dòng)元件，其包括柔性高分子基體，以及靠近該柔性高分子基體表面，并且至少部分包埋于高分子基體的碳納米管膜結(jié)構(gòu)。該碳納米管膜結(jié)構(gòu)包括多個(gè)碳納米管，該多個(gè)碳納米管由范德華力結(jié)合形成一個(gè)整體， 該多個(gè)碳納米管相互連接并形成導(dǎo)電網(wǎng)路，使得該高分子膜結(jié)構(gòu)具有較好的導(dǎo)電性，可以快速加熱該電致動(dòng)材料，使得該電致動(dòng)材料也相應(yīng)具有較高的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性，且熱響應(yīng)速率較快。


圖1為本發(fā)明第一實(shí)施例提供的電致動(dòng)材料的立體結(jié)構(gòu)示意圖<)
圖2為圖1所示的電致動(dòng)材料沿II-II線的剖視圖。
圖3為圖2中電致動(dòng)材料中的碳納米管膜結(jié)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本發(fā)明第一-實(shí)施例提供的電致動(dòng)材料中采用的碳納米 f拉膜的掃描電鏡照片。
圖5為本發(fā)明第一-實(shí)施例提供的電致動(dòng)材料中采用的碳納米 f碾壓膜的掃描電鏡照片。
圖6為本發(fā)明第一-實(shí)施例提供的電致動(dòng)材料中采用的碳納米 f絮化膜的掃描電鏡照片。
圖7為本發(fā)明第一-實(shí)施例提供的電致動(dòng)材料中的碳納米管薄月II結(jié)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8為本發(fā)明第二.實(shí)施例提供的電致動(dòng)材料的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖9為本發(fā)明實(shí)施例提供的電致動(dòng)元件的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
主要元件符號(hào)說(shuō)明
電致動(dòng)材料10，30
碳納米管膜結(jié)構(gòu)12,32
碳納米管122
第-一接電部124
第-二接電部126
連接部125
增強(qiáng)導(dǎo)電層128
柔性高分子基體14
電致動(dòng)元件20
第-一電極22
第-二電極2具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明提供的電致伸縮復(fù)合元件。請(qǐng)參考圖1及圖2，本發(fā)明第一實(shí)施例提供一種電致動(dòng)材料10，所述電致動(dòng)材料10 為片材，其包括一柔性高分子基體14，以及一碳納米管膜結(jié)構(gòu)12。所述碳納米管膜結(jié)構(gòu)12 與所述柔性高分子基體14具有不同的熱膨脹系數(shù)，其中，所述碳納米管膜結(jié)構(gòu)12靠近柔性高分子基體14的表面設(shè)置，至少部分包埋于高分子基體14中，所述碳納米管膜結(jié)構(gòu)12為多個(gè)碳納米管122通過(guò)范德華力結(jié)合而成。所述柔性高分子基體14為具有一定厚度的片材，該片材的形狀不限，可以為長(zhǎng)方形、圓形，或根據(jù)實(shí)際應(yīng)用制成各種形狀。所述柔性高分子基體14為柔性材料構(gòu)成，該柔性材料為絕緣材料，只要具有柔性并且熱膨脹系數(shù)大于碳納米管膜結(jié)構(gòu)12即可。所述柔性高分子基體14的材料為硅橡膠、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨脂、環(huán)氧樹(shù)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、聚苯胺、聚吡咯及聚噻吩等中的一種或幾種的組合。本實(shí)施例中，所述柔性高分子基體14為一硅橡膠薄膜，該硅橡膠薄膜為厚度為0. 7毫米厚的一長(zhǎng)方形薄片，長(zhǎng)為6厘米，寬為3厘米。該碳納米管膜結(jié)構(gòu)12平行于所述柔性高分子基體14并鋪設(shè)于柔性高分子基體 14的表面。該碳納米管膜結(jié)構(gòu)12是在柔性高分子基體14未完全固化呈粘稠的液態(tài)時(shí)鋪設(shè)。由于該碳納米管膜結(jié)構(gòu)12是由多個(gè)碳納米管122通過(guò)范德華力結(jié)合構(gòu)成，多個(gè)碳納米管122之間存在間隙，液態(tài)的柔性高分子基體材料可以滲透進(jìn)入該碳納米管膜結(jié)構(gòu)12中的碳納米管122之間的間隙當(dāng)中，該柔性高分子基體14的材料與碳納米管膜結(jié)構(gòu)12中的碳納米管122緊密結(jié)合在一起。所述碳納米管膜結(jié)構(gòu)12與柔性高分子基體14接觸的表面部分包埋于所述柔性高分子基體14中，所述碳納米管膜結(jié)構(gòu)12也可以完全設(shè)置于所述柔性高分子基體14中，但仍然靠向整個(gè)高分子基體14的一表面設(shè)置。由于液態(tài)的柔性高分子基體材料可以滲透進(jìn)入該碳納米管膜結(jié)構(gòu)12中的碳納米管122之間的間隙當(dāng)中，從而碳納米管膜結(jié)構(gòu)12可以很好地被固定在該柔性高分子基體14的表面，與該柔性高分子基體14 具有很好的結(jié)合性能。該電致動(dòng)材料10不會(huì)因?yàn)槎啻问褂?，影響碳納米管膜結(jié)構(gòu)12與柔性高分子基體14之間界面的結(jié)合性。該碳納米管膜結(jié)構(gòu)12的厚度小于與柔性高分子基體 14的厚度，且該碳納米管膜結(jié)構(gòu)12靠近該柔性高分子基體14的表面設(shè)置，從而使得該電致動(dòng)材料10具有一非對(duì)稱結(jié)構(gòu)。該碳納米管膜結(jié)構(gòu)12與該柔性高分子基體14的厚度比為 1 5 1 200，優(yōu)選地該碳納米膜結(jié)構(gòu)12與柔性高分子基體14的厚度比為1 20 1 25請(qǐng)參見(jiàn)圖3，所述碳納米管膜結(jié)構(gòu)12呈“U”形。該碳納米管膜結(jié)構(gòu)12包括一第一接電部124，一第二接電部126以及一連接部125。所述連接部125連接所述第一接電部 IM和第二接電部126，從而形成一彎折延伸的長(zhǎng)條形整體結(jié)構(gòu)。所述第一接電部124，第二接電部1 相互間隔設(shè)置并位于所述連接部125的同一側(cè)，從而形成“U”形的導(dǎo)電通路。 碳納米管膜結(jié)構(gòu)12中的碳納米管相互結(jié)合形成一個(gè)整體，該碳納米管膜結(jié)構(gòu)12是以一個(gè)整體的形成復(fù)合于所述柔性高分子基體14的一個(gè)表面，并被柔性高分子基體14包裹其中。所述碳納米管膜結(jié)構(gòu)12為將一個(gè)碳納米管膜或多個(gè)碳納米管膜重疊后剪切形成。例如，可以將多個(gè)碳納米管膜相互層疊設(shè)置后，再將其剪切從而獲得一個(gè)“U”形片狀結(jié)構(gòu)的碳納米管膜結(jié)構(gòu)12。該碳納米管膜可以為碳納米管拉膜、碳納米管碾壓膜、碳納米管絮化膜中的一種或多種的組合。請(qǐng)參閱圖4，所述碳納米管拉膜包括多個(gè)碳納米管，且該多個(gè)碳納米管基本相互平行且平行于碳納米管拉膜的表面。具體地，該碳納米管膜中的多個(gè)碳納米管通過(guò)范德華力首尾相連，且所述多個(gè)碳納米管的軸向基本沿同一方向擇優(yōu)取向排列。所述碳納米管拉膜之中的碳納米管之間存在間隙，當(dāng)使用該多個(gè)碳納米管拉膜層疊后剪切制成的碳納米管膜結(jié)構(gòu)12與柔性高分子基體14結(jié)合時(shí)，該多個(gè)碳納米管拉膜可以交叉后重疊，從而使得剪切后獲得的碳納米管膜結(jié)構(gòu)12中的碳納米管交叉排列；另外，還可以使該多個(gè)碳納米管拉膜平行重疊，從而使剪切后獲得的碳納米管膜結(jié)構(gòu)12中的碳納米管的軸向基本沿同一方向擇優(yōu)取向排列。該碳納米管拉膜的厚度為0. 01微米 100微米，其中的碳納米管為單壁碳納米管、雙壁碳納米管及多壁碳納米管中的一種或幾種。當(dāng)該碳納米管膜中的碳納米管為單壁碳納米管時(shí)，該單壁碳納米管的直徑為0. 5納米 10納米。當(dāng)該碳納米管膜中的碳納米管為雙壁碳納米管時(shí)，該雙壁碳納米管的直徑為1. 0納米 20納米。當(dāng)該碳納米管膜中的碳納米管為多壁碳納米管時(shí)，該多壁碳納米管的直徑為1. 5納米 50納米。所述碳納米管拉膜的面積不限，可根據(jù)實(shí)際需求制備。請(qǐng)參閱圖5，所述碳納米管碾壓膜包括均勻分布的碳納米管。所述碳納米管無(wú)序排列，或者沿同一方向或不同方向擇優(yōu)取向排列。所述碳納米管碾壓膜中的碳納米管相互部分交疊，并通過(guò)范德華力相互吸引，緊密結(jié)合，使得該碳納米管碾壓膜具有很好的柔韌性， 可以彎曲折疊成任意形狀而不破裂。且由于碳納米管碾壓膜中的碳納米管之間通過(guò)范德華力相互吸引，緊密結(jié)合，使碳納米管碾壓膜為一自支撐的結(jié)構(gòu)。所述碳納米管碾壓膜可通過(guò)碾壓一碳納米管陣列獲得。所述碳納米管碾壓膜中的碳納米管與形成碳納米管陣列的生長(zhǎng)基底的表面形成一夾角β，其中，β大于等于0度且小于等于15度β彡15° )，該夾角β與施加在碳納米管陣列上的壓力有關(guān)，壓力越大，該夾角越小，優(yōu)選地，該碳納米管碾壓膜中的碳納米管平行于該生長(zhǎng)基底排列。該碳納米管碾壓膜為通過(guò)碾壓一碳納米管陣列獲得，依據(jù)碾壓的方式不同，該碳納米管碾壓膜中的碳納米管具有不同的排列形式。當(dāng)沿不同方向碾壓時(shí)，碳納米管沿不同方向擇優(yōu)取向排列。當(dāng)沿同一方向碾壓時(shí)，碳納米管沿一固定方向擇優(yōu)取向排列。另外，當(dāng)碾壓方向?yàn)榇怪痹撎技{米管陣列表面時(shí)，該碳納米管可以無(wú)序排列。該碳納米管碾壓膜中碳納米管的長(zhǎng)度大于50微米。該碳納米管碾壓膜的面積和厚度不限，可根據(jù)實(shí)際需要選擇。該碳納米管碾壓膜的面積與碳納米管陣列的尺寸基本相同。該碳納米管碾壓膜厚度與碳納米管陣列的高度以及碾壓的壓力有關(guān)，可為1微米 1毫米?？梢岳斫?，碳納米管陣列的高度越大而施加的壓力越小，則制備的碳納米管碾壓膜的厚度越大；反之，碳納米管陣列的高度越小而施加的壓力越大，則制備的碳納米管碾壓膜的厚度越小。所述碳納米管碾壓膜之中的相鄰的碳納米管之間具有一定間隙，從而在碳納米管碾壓膜中形成多個(gè)孔隙，孔隙的孔徑約小于10微米。請(qǐng)參閱圖6，所述碳納米管絮化膜包括多個(gè)相互纏繞且均勻分布的碳納米管。碳納米管的長(zhǎng)度大于10微米，優(yōu)選為200 900微米，從而使所述碳納米管相互纏繞在一起。 所述碳納米管之間通過(guò)范德華力相互吸引、纏繞，形成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，以形成一自支撐的碳納米管絮化膜。所述碳納米管絮化膜各向同性。所述碳納米管絮化膜中的碳納米管為均勻分
7布，無(wú)規(guī)則排列，形成大量的孔隙結(jié)構(gòu)，孔隙孔徑約小于10微米。所述碳納米管絮化膜的長(zhǎng)度和寬度不限。由于在碳納米管絮化膜中，碳納米管相互纏繞，因此該碳納米管絮化膜具有很好的柔韌性，且為一自支撐結(jié)構(gòu)，可以彎曲折疊成任意形狀而不破裂。所述碳納米管絮化膜的面積及厚度均不限，厚度為1微米 1毫米，優(yōu)選為100微米。請(qǐng)參閱圖3，本實(shí)施例中，所述碳納米管膜結(jié)構(gòu)12優(yōu)選為多個(gè)碳納米管拉膜相互層疊后再剪切形成“U”形結(jié)構(gòu)。該多個(gè)相互層疊的碳納米管拉膜中，碳納米管122的軸向具有相同的擇優(yōu)取向，即該碳納米管膜結(jié)構(gòu)12中的碳納米管122的軸向基本沿通一方向擇優(yōu)取向排列。當(dāng)剪切多個(gè)相互層疊的碳納米管膜時(shí)，要使得形成的碳納米管膜結(jié)構(gòu)12中的第一接電部1 與第二接電部1 沿著碳納米管膜結(jié)構(gòu)12中的碳納米管122的擇優(yōu)取向排列方向延伸。所述電致動(dòng)材料10在應(yīng)用時(shí)，將電壓通過(guò)所述碳納米管膜結(jié)構(gòu)12的第一接電部 124和第二接電部1 施加于該電致動(dòng)材料10，電流可通過(guò)所述碳納米管膜結(jié)構(gòu)12中通過(guò)范德華力相互結(jié)合的碳納米管122所形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。由于碳納米管122的熱導(dǎo)率很高，從而使得所述電致動(dòng)材料10的溫度快速升高，熱量從所述電致動(dòng)材料10中碳納米管122的周圍快速地向整個(gè)電致動(dòng)材料10擴(kuò)散，即碳納米管膜結(jié)構(gòu)12可迅速加熱柔性高分子基體14。由于熱膨脹量與材料的體積及熱膨脹系數(shù)成正比，且本實(shí)施例的電致動(dòng)材料 10由兩層具有不同熱膨脹系數(shù)的碳納米管膜結(jié)構(gòu)12和柔性高分子基體14復(fù)合而成，從而使得加熱后的電致動(dòng)材料10將向熱膨脹系數(shù)小的碳納米管膜結(jié)構(gòu)12彎曲。由于碳納米管膜結(jié)構(gòu)12中的第一接電部IM和第二接電部1 設(shè)置于連接部125的同一側(cè)，當(dāng)該電致動(dòng)材料10的第一接電部IM和第二接電部126的一端固定時(shí)，所述電致動(dòng)材料10具有連接部125的一端向設(shè)有碳納米管膜結(jié)構(gòu)12的表面的方向彎曲。由于碳納米管膜結(jié)構(gòu)12中的第一接電部1 和第二接電部1 設(shè)置于連接部125的同一側(cè)，從而該電致動(dòng)材料10可以實(shí)現(xiàn)在所述電致動(dòng)材料10的同一側(cè)控制另一側(cè)實(shí)現(xiàn)彎曲，可以使該電致動(dòng)材料10在實(shí)際應(yīng)用中具有更廣泛的應(yīng)用。此外，由于碳納米管122具有導(dǎo)電性好、熱容小的特點(diǎn)，所以使該電致動(dòng)材料10的熱響應(yīng)速率快。本實(shí)施例中的電致動(dòng)材料10為長(zhǎng)34毫米，寬5毫米，厚度0. 7毫米的長(zhǎng)方體片材。 施加一 40伏特的電壓2分鐘后，在該電致動(dòng)材料10的連接部125的一端將朝向碳納米管膜結(jié)構(gòu)12的一面彎曲的位移AS為16毫米左右?？梢岳斫獗景l(fā)明實(shí)施例中的柔性高分子基體14可以設(shè)置成與所述碳納米管膜結(jié)構(gòu)12形狀相同的“U”形片狀材料。該碳納米管膜結(jié)構(gòu)12平行于所述柔性高分子基體14 并鋪設(shè)于柔性高分子基體14的表面，從而形成一具有“U”形片狀結(jié)構(gòu)的電致動(dòng)材料10?？梢岳斫猓瑸榱颂岣弑景l(fā)明電致動(dòng)材料10的碳納米管膜結(jié)構(gòu)12的連接部125的導(dǎo)電性，可以在碳納米管薄膜結(jié)構(gòu)12的連接部125遠(yuǎn)離所述第一接電部IM及第二接電部 1 的一側(cè)設(shè)置一導(dǎo)電增強(qiáng)層128，該導(dǎo)電增強(qiáng)層1 至少部分覆蓋所述連接部125，導(dǎo)電增強(qiáng)層1 增強(qiáng)了所述連接部125的導(dǎo)電能力，降低了連接部125的電阻，從而進(jìn)一步提高了該電致動(dòng)材料10的熱響應(yīng)速率。該導(dǎo)電增強(qiáng)層可以為金屬材料，如金、鉬、鈀、銀、銅、鐵、鎳等導(dǎo)電性較好的金屬，可以通過(guò)沉積的方法將一金屬材料沉積在所述連接部125，形成一定厚度的金屬薄膜。該導(dǎo)電增強(qiáng)層也可以為導(dǎo)電膠，如銀膠，通過(guò)印刷的方法形成。請(qǐng)參閱圖7，本發(fā)明實(shí)施例中的電致動(dòng)材料10的碳納米管膜結(jié)構(gòu)12可以包括多個(gè)第一接電部1 及多個(gè)第二接電部126，該多個(gè)第一接電部124與該多個(gè)第二接電部1 交替間隔設(shè)置于連接部125的同一側(cè)。使用時(shí)，可以在第一接電部IM及第二接電部1 之間分別連接電源的正、負(fù)極，通過(guò)連接部125使得整個(gè)碳納米管薄膜結(jié)構(gòu)12中形成回路。 采用多個(gè)第一接電部1 及多個(gè)第二接電部126，可以降低該電致動(dòng)材料10的驅(qū)動(dòng)電壓，有利于實(shí)際應(yīng)用。請(qǐng)參閱圖8，本發(fā)明第二實(shí)施例提供一種電致伸縮材料30與第一實(shí)施例的電致動(dòng)材料10的結(jié)構(gòu)基本相同，主要區(qū)別在于第二實(shí)施例的碳納米管膜結(jié)構(gòu)32與第一實(shí)施例的碳納米管結(jié)構(gòu)12不同。請(qǐng)參閱圖8，本實(shí)施中，碳納米管結(jié)構(gòu)32中的碳納米管首尾相連沿著由第一接電部1 到連接部125，再到第二接電部1 排列。本實(shí)施例的電致伸縮材料可以將圖4所示的碳納米管拉膜直接連續(xù)鋪設(shè)在液態(tài)柔性高分子基體14表面依次形成連續(xù)的第一接電部124，連接部125以及第二接電部126。碳納米管拉膜中的碳納米管具有相同的擇優(yōu)取向排列方向，該碳納米管膜中的多個(gè)碳納米管通過(guò)范德華力首尾相連，且所述多個(gè)碳納米管的軸向基本沿同一方向擇優(yōu)取向排列。本實(shí)施例的電致伸縮材料30中的碳納米米管結(jié)構(gòu)32中的碳納米管沿著由第一接電部124，連接部125及第二接電部126的方向首尾相連排列。由于碳納米管軸向的導(dǎo)電性較強(qiáng)，該電致伸縮材料30由第一接電部124到第二接電部126的電阻較小，從而進(jìn)提高了該電致動(dòng)材料10的熱響應(yīng)速率。請(qǐng)參閱圖9，本發(fā)明實(shí)施例提供一種采用所述電致動(dòng)材料10的電致動(dòng)元件20，其包括一電致動(dòng)材料10、至少一第一電極22以及至少一第二電極24。所述至少第一電極22 與至少第二電極M間隔設(shè)置，并與所述電致動(dòng)材料10電連接。所述電致動(dòng)材料10為具有一定厚度的片材。所述至少第一電極22及至少第二電極M間隔設(shè)置，并與所述電致動(dòng)材料10中的碳納米管膜結(jié)構(gòu)12電連接。具體地，所述第一電極22及第二電極M為長(zhǎng)條形金屬，間隔設(shè)置于電致動(dòng)材料10設(shè)置有第一接電部IM及第二接電部126的端部，所述第一電極22 與所述第一接電部1 的端部電連接，所述第二電極M與所述第二電連接部1 的端部電連接。本實(shí)施例中，所述電致動(dòng)材料10為為長(zhǎng)34毫米，寬5毫米，厚度0. 7毫米的長(zhǎng)方體片材，所述第一電極22及第二電極M為銅片，所述銅片設(shè)置于所述電致動(dòng)材料10兩端并分別與所述第一接電部1 及第二電連接部126電連接。當(dāng)該電致動(dòng)材料10中的碳納米管膜結(jié)構(gòu)12包括多個(gè)第一接電部IM及多個(gè)第二接電部126時(shí)，該電致動(dòng)元件20包括多個(gè)第一電極22及多個(gè)第二電極M，每個(gè)第一電極22與一個(gè)第一接電部IM電連接，每一個(gè)第二電極M與第二接電部126電連接。具體應(yīng)用時(shí)，將電壓施加于該電致動(dòng)元件20中的第一電極22及第二電極24，電流可通過(guò)碳納米管膜結(jié)構(gòu)12所形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。由于所述第一電極22及第二電極 24設(shè)置于該電致動(dòng)元件20的同一側(cè)，當(dāng)通過(guò)該第一電極22及第二電極M通電時(shí)，該電致動(dòng)元件20與所述第一電極22及第二電極M相對(duì)的另一側(cè)將發(fā)生彎曲。因此，本發(fā)明提供的電致動(dòng)元件20可以通過(guò)固定一側(cè)，通電后，使得該電致動(dòng)元件20的另一側(cè)發(fā)生彎曲，從而可以更好的控制該電致動(dòng)元件20的彎曲，應(yīng)用時(shí)更加方便。可以理解，本發(fā)明實(shí)施例所提供的電致伸縮材料的制動(dòng)方式不局限于通電加熱后膨脹，只要是能夠使該電致伸縮材料受熱升溫的方法均可以應(yīng)用于該電致伸縮材料。如，將該電致伸縮材料直接放置于溫控平臺(tái)，通過(guò)熱傳遞使之升溫，從而實(shí)現(xiàn)其彎曲膨脹。另外，還可以采用近紅外激光照射，進(jìn)行光致加熱使其升溫，從而實(shí)現(xiàn)其彎曲膨脹。本發(fā)明實(shí)施例所述的電致伸縮材料及電致動(dòng)元件具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明提供的電致伸縮材料及電致動(dòng)元件，其包括柔性高分子基體，以及靠近柔性高分子基體表面設(shè)置于柔性高分子基體的碳納米管膜結(jié)構(gòu)。由于碳納米管膜結(jié)構(gòu)包括多個(gè)間隙，高分子基體材料浸潤(rùn)入間隙當(dāng)中，使得碳納米管膜結(jié)構(gòu)與柔性高分子基體之間具有較好的結(jié)合性，增加了該電致伸縮材料及電致動(dòng)元件使用壽命。該碳納米管膜結(jié)構(gòu)為由多個(gè)碳納米管由范德華力結(jié)合形成一個(gè)純碳納米管組成的整體結(jié)構(gòu)，該多個(gè)碳納米管相互連接并形成導(dǎo)電網(wǎng)路，相對(duì)于其他僅僅包含碳納米管的復(fù)合材料，純碳納米管膜結(jié)構(gòu)具有較好的導(dǎo)電性，可以快速加熱該電致伸縮材料，從而使其具有較快的響應(yīng)速度。該電致伸縮材料及電致動(dòng)元件熱膨脹具有可彎曲性，從而可以應(yīng)用于精確控制器件中。另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以在本發(fā)明精神內(nèi)做其它變化，當(dāng)然，這些依據(jù)本發(fā)明精神所做的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種電致動(dòng)材料，包括一片狀柔性高分子基體以及一碳納米管膜結(jié)構(gòu)，其特征在于， 所述碳納米管膜結(jié)構(gòu)至少部分包埋于所述柔性高分子基體一表面，所述碳納米管膜結(jié)構(gòu)為多個(gè)碳納米管通過(guò)范德華力結(jié)合而成，所述碳納米管膜結(jié)構(gòu)包括至少一第一接電部、至少一第二接電部及連接所述至少一第一接電部和至少一第二接電部而形成長(zhǎng)條狀導(dǎo)電通路的一連接部，所述至少一第一接電部與至少一第二接電部相互間隔設(shè)置并位于所述連接部的同一側(cè)。
2.如權(quán)利要求1所述的電致動(dòng)材料，其特征在于，所述碳納米管膜結(jié)構(gòu)為將一個(gè)碳納米管膜或多個(gè)層疊的碳納米管膜剪切形成。
3.如權(quán)利要求2所述的電致動(dòng)材料，其特征在于，所述碳納米管膜包括多個(gè)碳納米管， 該碳納米管膜中的多個(gè)碳納米管通過(guò)范德華力首尾相連，所述多個(gè)碳納米管的軸向基本沿同一方向擇優(yōu)取向排列。
4.如權(quán)利要求3所述的電致動(dòng)材料，其特征在于，所述至少一第一接電部與至少一第二接電部沿著碳納米管膜結(jié)構(gòu)中的碳納米管的擇優(yōu)取向排列方向延伸。
5.如權(quán)利要求4所述的電致動(dòng)材料，其特征在于，該電致動(dòng)材料進(jìn)一步包括一導(dǎo)電增強(qiáng)層，該導(dǎo)電增強(qiáng)層設(shè)置于所述連接部遠(yuǎn)離所述至少一第一接電部及至少一第二接電部的一側(cè)，并與所述連接部電連接。
6.如權(quán)利要求5所述的電致動(dòng)材料，其特征在于，該導(dǎo)電增強(qiáng)層的材料為銀膠。
7.如權(quán)利要求2所述的電致動(dòng)材料，其特征在于，所述碳納米管膜包括均勻分布的碳納米管，所述碳納米管無(wú)序，沿同一方向或不同方向擇優(yōu)取向排列。
8.如權(quán)利要求2所述的電致動(dòng)材料，其特征在于，所述碳納米管膜包括多個(gè)碳納米管， 該多個(gè)碳納米管之間通過(guò)范德華力相互吸引、纏繞，形成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)。
9.如權(quán)利要求1所述的電致動(dòng)材料，其特征在于，所述碳納米管膜結(jié)構(gòu)的該碳納米管膜結(jié)構(gòu)與該柔性高分子基體的厚度比為1 5 1 200。
10.如權(quán)利要求1所述的電致動(dòng)材料，其特征在于，所述碳納米管膜結(jié)構(gòu)中的多個(gè)碳納米管之間存在間隙，所述柔性高分子基體的部分材料滲透進(jìn)入所述間隙當(dāng)中，使得柔性高分子基體與碳納米管膜結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合。
11.如權(quán)利要求1所述的電致動(dòng)材料，其特征在于，所述碳納米管膜結(jié)構(gòu)與柔性高分子基體接觸的表面全部包埋于柔性高分子基體中，并靠近所述柔性高分子基體的表面。
12.如權(quán)利要求1所述的電致動(dòng)材料，其特征在于，所述柔性高分子基體的材料為硅橡膠、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨脂、環(huán)氧樹(shù)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、聚苯胺、聚吡咯及聚噻吩中的一種或幾種的組合。
13.如權(quán)利要求1所述的電致動(dòng)材料，其特征在于，碳納米管膜結(jié)構(gòu)包括多個(gè)碳納米管，該多個(gè)碳納米管首尾相連沿著由至少一第一接電部到連接部，再到至少一第二接電部方向排列。
14.一種電致動(dòng)元件，其包括如權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的電致動(dòng)材料；以及至少一第一電極與至少一第二電極，所述至少一第一電極與至少一第二電極間隔設(shè)置于所述電致動(dòng)材料，并與所述電致動(dòng)材料電連接；其特征在于，所述至少一第一電極與所述至少一第一接電部電連接，所述至少一第二電極與所述至少一第二接電部電連接。
15.如權(quán)利要求14所述的電致動(dòng)材料，其特征在于，所述電致動(dòng)材料在通過(guò)所述第一接電部及第二接電部通電時(shí)，所述電致動(dòng)材料設(shè)置有連接部的一端向設(shè)置有碳納米管膜結(jié)構(gòu)的表面方向彎曲。
16.如權(quán)利要求14所述的電致動(dòng)材料，其特征在于，所述電致動(dòng)材料包括多個(gè)第一電極、多個(gè)第二電極、多個(gè)第一接電部以及多個(gè)第二接電部，該多個(gè)第一接電部及多個(gè)第二接電部交替間隔設(shè)置，每個(gè)第一電極與一個(gè)第一接電部電連接，每一個(gè)第二電極與第二接電部電連接。
17.如權(quán)利要求14所述的電致動(dòng)材料，其特征在于，所述柔性高分子基體為與碳納米管膜結(jié)構(gòu)相同的片狀材料。
全文摘要
一種電致動(dòng)材料，包括一片狀柔性高分子基體以及一碳納米管膜結(jié)構(gòu)，其中，所述碳納米管膜結(jié)構(gòu)至少部分包埋于所述柔性高分子基體一表面，所述碳納米管膜結(jié)構(gòu)為多個(gè)碳納米管通過(guò)范德華力結(jié)合而成，所述碳納米管膜結(jié)構(gòu)包括至少一第一接電部、至少一第二接電部及連接所述第一接電部和第二接電部而形成長(zhǎng)條狀導(dǎo)電通路的一連接部，所述第一接電部與第二接電部相互間隔設(shè)置并位于所述連接部的同一側(cè)。本發(fā)明還提供采用所述電致動(dòng)材料的電致動(dòng)元件。所述電致動(dòng)材料及其電致動(dòng)元件可用于人工肌肉或致動(dòng)器等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H02N10/00GK102201532SQ201010133308
公開(kāi)日2011年9月28日 申請(qǐng)日期2010年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月26日
發(fā)明者劉長(zhǎng)洪, 范守善, 陳魯倬 申請(qǐng)人:清華大學(xué), 鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司