CN101814577B - 电致伸缩材料及其制备方法以及电热式致动器 - Google Patents

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刘长洪
李洪江
范守善
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Abstract

本发明提供一种电热式致动器,其包括一第一材料层、一第二材料层及至少两个电极,所述第一材料层和第二材料层层叠设置且热膨胀系数不同,该至少两个电极间隔设置并与第一材料层电连接,其中,所述第一材料层包括一第一聚合物基体及分散在该第一聚合物基体中的多个碳纳米管,所述第二材料层包括一第二聚合物基体。该电热式致动器具有较高的导电和导热特性,且热响应速率较快。

Description

电致伸缩材料及其制备方法以及电热式致动器技术领域[0001] 本发明涉及一种电热式致动器,同时涉及一种电致伸缩材料及其制备方法。背景技术[0002] 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。[0003] 静电驱动的致动器一般包括两个电极及设置在两个电极之间的电致伸缩元件,其工作过程为在两个电极上分别注入电荷,利用电荷间的相互吸引和排斥,通过控制电荷数量和电负性来控制电极间电致伸缩元件的相对运动。但是由于静电力反比于电容板之间距离的平方,因此一般只有在电极间距很小时静电力才比较显著,该距离的要求使该致动器的结构设计较为复杂。磁驱动的致动器一般包括两个磁极及设置在两个磁极之间的电致伸缩元件,其工作是通过磁场的相互吸引和排斥作用使两磁极之间的电致伸缩元件产生相对的运动,但是磁驱动的缺点和静电驱动相同,即由于磁场作用范围有限,导致电致伸缩元件的上下两个表面必须保持较小的距离,该结构的设计要求严格且也限制了该致动器的应用范围。[0004] 而利用热驱动的致动器克服了上述静电驱动和磁驱动致动器的缺点,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热式致动器,请参阅“基于热膨胀效应的微电热式致动器进展”,匡一宁等,电子器件,vol 22,p.162(1999)。该电热式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,由于上述电致伸缩材料采用金属结构,其柔性较差,导致整个电热式致动器热响应速度较慢。发明内容[0005] 有鉴于此,确有必要提供一种柔性的电致伸缩材料及其制备方法,以及一种热响应速度快的电热式致动器。[0006] —种电致伸缩材料,其包括一第一材料层和一第二材料层,所述第一材料层和第二材料层层叠设置且热膨胀系数不同,其中,所述第一材料层包括一第一聚合物基体及均匀分散在该第一聚合物基体中的多个碳纳米管,所述第二材料层包括一第二聚合物基体。[0007] —种电致伸缩材料的制备方法,其包括以下步骤:提供多个碳纳米管与一第一聚合物单体溶液;混合该多个碳纳米管及第一聚合物单体溶液形成一混合溶液;聚合上述混合溶液,从而形成一第一材料层;在所述第一材料层的一表面形成一第二材料层。[0008] 一种电热式致动器,其包括一第一材料层、一第二材料层及至少两个电极,所述第一材料层和第二材料层层叠设置且热膨胀系数不同,该至少两个电极间隔设置并与第一材料层电连接,其中,所述第一材料层包括一第一聚合物基体及分散在该第一聚合物基体中的多个碳纳米管,所述第二材料层包括一第二聚合物基体。[0009] 与现有技术相比较,所述电热式致动器、电致伸缩材料及其制备方法具有以下优点:由于所述电热式致动器中的电致伸缩材料包括分散的碳纳米管,所述碳纳米管具有低热容、导热性和导电性良好的性质,使得该电热式致动器也相应具有较高的导电和导热性,且热响应速率较快;由于第一材料层和第二材料层均采用聚合物基体,因此该电致伸缩材料具有一定的柔性,所述电致伸缩材料的制备方法简单。附图说明[0010] 图1是本发明实施例的电热式致动器的剖面结构示意图。[0011] 图2是本发明实施例的电热式致动器的伸缩特性对比图。[0012] 图3是本发明实施例的电致伸缩材料的制备方法流程图。具体实施方式[0013] 以下将结合附图详细说明本发明实施例的电热式致动器及其制备方法。[0014] 请参阅图1,本发明第一实施例提供一种电热式致动器10,其包括一电致伸缩材料(图未示)及至少两个电极16。该电致伸缩材料包括一第一材料层12和一第二材料层14,该第一材料层12和第二材料层14层叠设置且相互结合。所述第一材料层12和第二材料层14的表面积和厚度基本相同,且第一材料层12和第二材料层14的厚度可根据实际需要选择。该第一材料层12和第二材料层14具有不同的热膨胀系数。[0015] 所述第一材料层12为导电材料层,该第一材料层12包括一第一聚合物基体122及一均匀分散在该第一聚合物基体122中的多个碳纳米管124,该碳纳米管124互相搭接在该第一聚合物基体122中形成大量导电网络。[0016] 所述第一材料层12中的多个碳纳米管124呈无序排列,且相邻或者相近的多个碳纳米管124之间部分接触,形成交错纵横的导电导热通道,该导电导热通道与所述至少两个电极16形成电连接。该碳纳米管124在第一材料层12中的质量百分含量小于等于10%,优选地,该碳纳米管124在第一材料层12中的质量百分含量为0.5%〜2%。该碳纳米管124的含量若太少,则其不能构成一导电通路且导热性能不好,若太多则增加了第一材料层12的硬度,使其柔性及热膨胀性能变差。该碳纳米管124可为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管及多壁碳纳米管中的一种或其任意组合,单壁碳纳米管的直径为0.5纳米〜50纳米,双壁碳纳米管的直径为1.0纳米〜50纳米,多壁碳纳米管的直径为1.5纳米〜50纳米,该碳纳米管124的长度为0.5微米〜10微米。[0017] 所述第一材料层12中的第一聚合物基体122的材料为一柔性材料,该材料可为导电聚合物,如聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等中的一种或几种的组合,该导电聚合物可进一步提高电热式致动器10的电导率,该材料也可为非导电聚合物,如硅橡胶、聚甲基丙烯酸甲酯、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,或者为上述导电聚合物和非导电聚合物的组合。该第一聚合物基体122在第一材料层12中的质量百分比含量为92%〜99.9%。[0018] 本实施例中,该第一材料层12中的第一聚合物基体122的材料为聚甲基丙烯酸甲酯,该聚甲基丙烯酸甲酯在第一材料层12中的质量百分含量为98.5 %。碳纳米管124为多壁碳纳米管,该碳纳米管124在第一材料层12中的质量百分含量为1.5%。[0019] 所述第二材料层14的热膨胀系数不同于第一材料层12,该第二材料层14至少包括一第二聚合物基体,该第二聚合物基体的材料为柔性材料,包括硅橡胶、聚甲基丙烯酸甲酯、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、聚苯胺、聚吡咯及聚噻吩等中的一种或几种的组合。该第二材料层14可仅包括一第二聚合物基体,因第一材料层12中的碳纳米管124对第一材料层12的热膨胀系数影响较小,所以此时该第二聚合物基体的材料需不同于第一材料层12中的第一聚合物基体122的材料且二者的热膨胀系数不同。可以理解,第二材料层14也可包括多个碳纳米管,该多个碳纳米管均匀分散于第二聚合物基体中,由于碳纳米管导热性良好,因此可进一步提高整个电热式致动器10的热响应速度。本实施例中,所述第二材料层14仅包括一第二聚合物基体,该第二聚合物基体为娃橡胶,且该娃橡胶的热膨胀系数大于本实施例中第一材料层12中第一聚合物基体122的材料聚甲基丙烯酸甲酯的热膨胀系数。[0020] 另外,所述第一材料层12或第二材料层14可进一步包括一均匀分散在该第一聚合物基体122或第二聚合物基体中的掺杂体(图未示),该掺杂体可以调节第一材料层12或第二材料层14的热膨胀系数,该掺杂体包括陶瓷颗粒、金属颗粒、气泡或玻璃颗粒等。若第二材料层14所包括的第二聚合物基体与第一材料层12中的第一聚合物基体122的材料相同,则该第一材料层12和第二材料层14可分别包括一均勻分散在该第一聚合物基体122和第二聚合物基体中的掺杂体,且二者所包含的掺杂体不同且热膨胀系数也不同;同时,也可只在第一材料层12或第二材料层14的其中一层中包括有一掺杂体,以使第二材料层14的热膨胀系数不同于第一材料层12的热膨胀系数。该掺杂体在第一材料层12或第二材料层14中的质量百分含量根据其热膨胀系数的大小而定。[0021] 电热式致动器10中该电致伸缩材料的整体厚度不限,可依实际需求而定,一般为0.02〜2毫米,且第一材料层12的厚度为0.5〜1.5毫米,第二材料层14的厚度为0.5〜1.5毫米。本实施中,第一材料层为I毫米,第二材料层为I毫米。[0022] 所述至少两个电极16间隔设置并固定于第一材料层12的两端或表面。本实施例中该电极16为两个,该两个电极16与第一材料层12电连接,用于将外部电流输入至第一材料层12中。所述电极16可以为棒状、条状、块状或其它形状,其横截面的形状可为圆形、方形、梯形、三角形、多边形或其它不规则形状。该两个电极16的材料可选择为金、铜或铁等。本实施例中该电极16的材料为铜并固定于第一材料层12的两端。[0023] 所述电热式致动器10在应用时,将电压施加于该电热式致动器10的第一材料层12的两端,电流可通过上述碳纳米管124所形成的导电网络进行传输。由于碳纳米管124的热导率很高,从而使得所述电热式致动器10的温度快速升高,热量从所述电热式致动器10中碳纳米管124的周围快速地向整个电热式致动器10扩散,即第一材料层12可迅速加热第二材料层14。由于热膨胀量与材料的体积及热膨胀系数成正比,且本实施例的电热式致动器10由两层具有不同热膨胀系数的第一材料层12和第二材料层14复合而成,从而使得加热后的电热式致动器10将向热膨胀系数小的材料层弯曲。另外,该电热式致动器10不仅可沿电流延伸的方向上产生一明显的线性热变形,还可以在垂直于电流延伸的方向发生一弯曲形变。此外,由于碳纳米管124具有导电性好、热容小的特点,所以使该电热式致动器10的热响应速率快,同时只需在其中一层加入少量的碳纳米管124就可以获得较大的变形,节省了碳纳米管124。[0024] 请参阅图2,另外,本实施例中通过导线将电源电压施加于所述电致伸缩材料的两端并对所述的电致伸缩材料进行伸缩特性测量。[0025] 在未通电时,测得所述电致伸缩材料的原始长度LI为5厘米;施加一 40伏特的电压2分钟后,测得所述电致伸缩材料的长度L2为5.5厘米;在垂直于电流延伸的方向上,所述电致伸缩材料的位移Λ S为5毫米左右。[0026] 请参阅图3,本发明第一实施例所述的电致伸缩材料的制备方法,包括以下步骤:[0027] 步骤一:提供多个碳纳米管与一第一聚合物单体溶液;[0028] 本实施例所述碳纳米管通过化学气相沉积法获得,也可通过电弧放电法或激光烧灼法获得。所述的第一聚合物单体溶液可以为甲基丙烯酸甲酯(MMA)、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、苯乙烯、丁二烯、丙烯腈中的至少一种,本实施例采用甲基丙烯酸甲酯。[0029] 步骤二:混合所述的碳纳米管及第一聚合物单体溶液,从而获得一第一混合溶液;[0030] 首先,将所述第一聚合物单体溶液与碳纳米管进行混合,形成一第一混合溶液,所述第一聚合物单体在混合溶液中的质量百分含量为92〜99.8%,所述碳纳米管在混合溶液中的质量百分含量为0.2〜10% ;其次,用超声波振荡法处理上述第一混合溶液,使得碳纳米管均匀分散在上述第一聚合物单体溶液中。当第一聚合物单体具有挥发性时,为保持该第一混合溶液原有的质量不变,可在该超声分散过程结束之后补充在超声波震荡过程中挥发掉的第一聚合物单体溶液。[0031] 该步骤二进一步包括一球磨过程,即在用超声波振荡法处理上述第一混合溶液前或后,将上述第一混合溶液倒入球磨罐中球磨一定时间。由于碳纳米管具有较大的长径比,容易团聚,从而导致碳纳米管在混合溶液中分散不均匀,经过球磨之后,碳纳米管可受到进一步的破碎,从而减小尺寸,使碳纳米管进一步分散在混合溶液中,该球磨时间可为I〜5小时,本实施例优选为3小时。[0032] 另外,该步骤可进一步包括提供一掺杂体并将该掺杂体加入到上述第一聚合物单体溶液中,所述掺杂体可为陶瓷颗粒、金属颗粒、气泡或玻璃颗粒等。该掺杂体可以调节该第一材料层的热膨胀系数。[0033] 步骤三:聚合上述第一混合溶液,从而形成第一材料层;[0034] 该步骤中聚合上述第一混合溶液的反应方法依第一聚合物单体的种类不同可包括缩聚反应、聚加反应、自由基聚合、阴离子聚合或阳离子聚合等。如聚丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯和聚丙烯腈等采用自由基聚合反应,环氧树脂和聚氨脂采用缩聚反应。[0035] 本实施例中的第一聚合物单体溶液为甲基丙烯酸甲酯(MMA),聚合该第一混合溶液的具体方法包括以下步骤:[0036] 第一,在上述第一混合溶液中加入一定比例的引发剂,从而获得一第二混合溶液。所述引发剂的材料选择与第一聚合物单体的材料有关,该引发剂可为偶氮二异丁腈(AIBN),过氧化苯甲酰及偶氮二异丁腈中的至少一种,本实施例选用偶氮二异丁腈(AIBN),该引发剂在混合液中的质量百分含量为0.02〜2%。该引发剂的加入可使在聚合反应中单体分子的双键活化而成为游离基,从而进行进一步的反应。[0037] 另外,可进一步在上述第二混合溶液中加入一定比例的增塑剂,所述增塑剂的材料选择与第一聚合物单体的材料有关。该增塑剂可为邻苯二甲酸二丁酯(DBP)、十六烷基三甲基溴化胺、聚乙烯酸盐、聚甲基丙烯酸盐、C12-C18高级脂肪酸、硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂及铝酸酯偶联剂中的至少一种,本实施例选用邻苯二甲酸二丁酯(DBP),其在第二混合溶液中的质量百分含量为O〜5%。该增塑剂的作用在于削弱聚合物分子间的作用力,增加聚合物分子链的移动性、降低了聚合物分子链的结晶度,从而使聚合物的塑性增加。[0038] 第二,使上述第二混合溶液发生预聚合反应并形成第一预聚合混合溶液。[0039] 所述形成第一预聚合混合溶液的方法具体包括以下步骤:首先,将上述第二混合溶液加热到一定温度并搅拌,使第二混合溶液发生预聚合反应,待溶液反应至具有一定粘性时停止加热,本实施例中,采用水浴法将第二混合溶液加热到92摄氏度,之后搅拌10分钟并待其反应至具有一定粘性或呈甘油状时停止加热;其次,冷却并搅拌第一预聚合混合溶液直至预聚合反应停止,本实施例中,将甘油状第一预聚合混合溶液放置于空气中待其自然冷却。[0040] 第三,使上述第一预聚合混合溶液发生聚合反应并形成包含多个碳纳米管和第一聚合物基体的第一材料层;[0041] 该步骤具体为:首先,将上述已经冷却的预聚合混合溶液倒入一容器中并放置于一定的温度环境中,使上述容器中的预聚合混合溶液进行聚合反应。本实施例为将容器放于50〜60摄氏度的温度环境中,发生聚合反应的时间为I〜4小时。其次,将上述第一预聚合混合溶液继续加热到的一定温度,使其进行聚合反应直至完全聚合,从而得到一含有碳纳米管的聚合物薄膜。本实施例中加热温度为70〜100摄氏度。[0042] 进一步地,可将上述含有碳纳米管的聚合物薄膜在温水中浸泡一定时间,然后将其从容器中剥离,从而得到一完整的包含多个碳纳米管的第一材料层。本实施例为在50〜60摄氏度的水中浸泡2分钟左右,然后迅速将上述含有碳纳米管的聚合物薄膜从容器中剥离,从而得到一完整的包含多个碳纳米管和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的第一材料层。[0043] 步骤四:在第一材料层的一表面上形成第二材料层,所述的第二材料层包括一第二聚合物基体,该第二材料层与第一材料层的热膨胀系数不同。[0044] 该第二材料层的制备方法为:提供一第二聚合物单体溶液;聚合上述第二聚合物单体溶液,从而形成第二材料层。另外该第二材料层的制备方法可进一步包括提供多个碳纳米管或掺杂体并将该多个碳纳米管或掺杂体与上述第二聚合物单体溶液混合均匀。所述的多个碳纳米管可进一步提高该电热致动器的导电和导热性能,所述的掺杂体可调节该第二材料层的热膨胀系数,该掺杂体可为陶瓷颗粒、金属颗粒、气泡或玻璃颗粒等。[0045] 该第二材料层与第一材料层的结合方法具有以下两种:第一种为,将上述已经制备好的第二材料层通过粘结、压合等方式形成在第一材料层的表面上;第二种为将未发生固化的第二聚合物单体溶液以其自有的流动性在第一材料层的表面上展开,从而在第一材料层的表面上形成第二材料层。该第二材料层所包括的第二聚合物基体的材料为硅橡胶、聚甲基丙烯酸甲酯、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种或几种。[0046] 本实施例中在第一材料层的一表面上形成第二材料层的方法为将一第二聚合物单体溶液倒在上述第一材料层的一表面,并利用其自有的流动性在第一材料层的一表面展开,之后在室温下静置12〜18个小时后聚合便得到了第二材料层。该方法可使第一材料层和第二材料层具有良好的结合,从而使第一材料层更容易将热量扩散到第二材料层,减少二者之间的热阻。本实施例所述第二材料层中的第二聚合物基体的材料选用硅橡胶。[0047] 所述硅橡胶是由GF-T2A弹性电子灌封胶A、B两组分按A: B的质量比为100: 4〜100: 8的比例组成的。其具体的制备方法为:首先,充分混合并搅拌上述的A、B两组分;其次,将搅拌后的A、B两组分混合溶液倒在第一材料层上使其利用自有的流动性在第一材料层的表面上展开。[0048] 本实施例可进一步包括通过导电粘结剂将两个电极间隔设置于第一材料层的两端或者表面。[0049] 本技术方案实施例所述的电致伸缩材料及其制备方法以及电热式致动器具有以下优点:由于所述电热式致动器中的电致伸缩材料包括分散的碳纳米管,使得该电热式致动器具有较高的导电和导热性,且热响应速率较快;由于所述电致伸缩材料的第一材料层和第二材料层具有不同的热膨胀系数,从而使该电致伸缩材料在有电流通过时,不仅可以在电流流过的方向上发生变形,还可在垂直于该电流的方向上发生弯曲;所述电致伸缩材料中,只需有一层加入少量的碳纳米管就可以获得较大的变形,节省了碳纳米管,节约了成本;所述电致伸缩材料是柔性材料,该材料结构简单,更接近自然肌肉,生物兼容性好,还可用作人工肌肉;所述电致伸缩材料的制备方法简单、适合大规模生产集成等。[0050]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 (17)

1.一种电致伸缩材料,其包括一第一材料层和一第二材料层,所述第一材料层和第二材料层层叠设置且热膨胀系数不同,其特征在于,所述第一材料层包括一第一聚合物基体及均匀分散在该第一聚合物基体中的多个碳纳米管,该多个碳纳米管相互搭接形成导电网络,该多个碳纳米管在该第一材料层中的质量百分含量为0.59TlO%,所述第二材料层包括一第二聚合物基体。
2.如权利要求1所述的电致伸缩材料,其特征在于,所述第一材料层和第二材料层通过粘结、压合的方式层叠设置。
3.如权利要求1所述的电致伸缩材料,其特征在于,所述第二材料层进一步包括多个碳纳米管,该多个碳纳米管均匀分散在所述第二聚合物基体中。
4.如权利要求1所述的电致伸缩材料,其特征在于,所述第一聚合物基体的材料为导电聚合物。
5.如权利要求4所述的电致伸缩材料,其特征在于,所述多个碳纳米管无序分布于所述导电聚合物中,以提高第一材料层的电导率。
6.如权利要求1所述的电致伸缩材料,其特征在于,所述第一聚合物基体或第二聚合物基体的材料为硅橡胶、聚甲基丙烯酸甲酯、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、聚苯胺、聚吡咯及聚噻吩中的一种或几种的组合。
7.如权利要求1所述的电致伸缩材料,其特征在于,所述第一材料层及第二材料层二者至少之一进一步包括一掺杂体,所述掺杂体为陶瓷颗粒、金属颗粒、气泡及玻璃颗粒中的一种或者几种。
8.—种电致伸缩材料的制备方法,其包括以下步骤: 提供多个碳纳米管与一第一聚合物单体溶液; 混合该多个碳纳米管及第一聚合物单体溶液形成一混合溶液; 聚合上述混合溶液,从而形成一第一材料层,该第一材料层包括一由所述多个碳纳米管相互搭接形成的导电网络,该多个碳纳米管在该第一材料层中的质量百分含量为0.5%〜10% ;及 在所述第一材料层的一表面形成一第二材料层,所述第一材料层和第二材料层层叠设置且热膨胀系数不同。
9.如权利要求8所述的电致伸缩材料的制备方法,其特征在于,所述形成混合溶液的方法进一步包括:采用超声波震荡法处理上述混合溶液,使得碳纳米管均匀分散在上述混合溶液中。
10.如权利要求8所述的电致伸缩材料的制备方法,其特征在于,所述形成混合溶液的方法进一步包括将上述混合溶液进行球磨处理,以使碳纳米管断裂以及充分分散。
11.如权利要求8所述的电致伸缩材料的制备方法,其特征在于,所述聚合混合溶液,形成第一材料层的方法包括以下步骤: 在上述混合溶液中加入引发剂; 使上述加入引发剂的混合溶液发生预聚合反应并形成预聚合混合溶液; 使上述预聚合混合溶液发生聚合反应并形成包含多个碳纳米管和第一聚合物基体的第一材料层。
12.如权利要求8所述的电致伸缩材料的制备方法,其特征在于,所述形成第二材料层的方法包括:提供一第二聚合物单体溶液;聚合上述第二聚合物单体溶液形成第二材料层;将所述第二材料层通过粘结、压合的方法设置在第一材料层的表面。
13.如权利要求8所述的电致伸缩材料的制备方法,其特征在于,所述形成一第二材料层的方法包括:提供一第二聚合物单体溶液;将该第二聚合物单体溶液涂敷在第一材料层的一表面;聚合该第二聚合物单体溶液并形成第二材料层。
14.一种电热式致动器,其包括一第一材料层、一第二材料层及至少两个电极,所述第一材料层和第二材料层层叠设置且热膨胀系数不同,该至少两个电极间隔设置并与第一材料层电连接,其特征在于,所述第一材料层包括一第一聚合物基体及分散在该第一聚合物基体中的多个碳纳米管,该多个碳纳米管相互搭接形成导电网络,该多个碳纳米管在该第一材料层中的质量百分含量为0.59^10%,所述第二材料层包括一第二聚合物基体。
15.如权利要求14所述的电热式致动器,其特征在于,所述第一聚合物基体的材料为导电聚合物。
16.如权利要求15所述的电热式致动器,其特征在于,所述多个碳纳米管无序分布于所述导电聚合物中,以提高第一材料层的电导率。
17.如权利要求14所述的电热式致动器,其特征在于,所述导电网络与所述至少两个电极电连 接。
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Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101814577B (zh) * 2009-02-24 2013-06-05 清华大学 电致伸缩材料及其制备方法以及电热式致动器
CN102044627A (zh) * 2009-10-22 2011-05-04 清华大学 电致伸缩复合材料及电致伸缩元件
US20120162146A1 (en) * 2010-12-27 2012-06-28 Hon Hai Precision Industry Co., Ltd. Touch pen
EP2795124B1 (en) * 2011-12-19 2015-09-16 Panasonic Corporation Actuator
US9745965B2 (en) 2012-04-11 2017-08-29 Arizona Board Of Regents On Behalf Of Arizona State University Printed actuators and uses thereof
WO2015143601A1 (zh) * 2014-03-24 2015-10-01 国家纳米科学中心 一种柔性电热型驱动器及其用途以及驱动器驱动的锁紧单元
CN105336841B (zh) * 2014-07-23 2018-08-17 清华大学 电热致动器
CN105336846A (zh) * 2014-07-23 2016-02-17 清华大学 电热致动复合材料及电热致动器
US9972768B2 (en) * 2014-08-15 2018-05-15 Novasentis, Inc. Actuator structure and method
CN104912760B (zh) * 2015-05-14 2018-01-19 国家纳米科学中心 一种基于导电泡沫材料的热力气动型致动器及其制备方法
CN104924701B (zh) * 2015-06-18 2017-07-04 福建师范大学 一种碳基材料/聚合物复合材料及其制备方法
CN105355776B (zh) * 2015-10-26 2018-04-17 福建师范大学 电致动材料及其制备方法和采用该电致动材料的致动器
CN105591021A (zh) * 2016-01-13 2016-05-18 福建师范大学 一种透明电致动材料及其透明电致动器

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101077930A (zh) 2006-05-26 2007-11-28 国家纳米科学中心 一种电致伸缩聚合物层状纳米复合材料及其制法和应用

Family Cites Families (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02281707A (en) * 1989-04-24 1990-11-19 Tdk Corp Polymer ptc element
JP2799910B2 (ja) 1991-03-01 1998-09-21 シーシーアイ株式会社 制振複合体及びその製造方法
US6161382A (en) * 1992-07-30 2000-12-19 Brotz; Gregory R. Thermoelectric actuator
US6376971B1 (en) * 1997-02-07 2002-04-23 Sri International Electroactive polymer electrodes
US6087638A (en) * 1997-07-15 2000-07-11 Silverbrook Research Pty Ltd Corrugated MEMS heater structure
JP3418561B2 (ja) 1997-12-26 2003-06-23 ミタケ電子工業株式会社 導電性粒子−高分子系による歪みセンサー
US6812624B1 (en) 1999-07-20 2004-11-02 Sri International Electroactive polymers
WO2001031172A9 (en) * 1999-10-22 2002-08-15 Nasa Polymer-polymer bilayer actuator
US6599961B1 (en) * 2000-02-01 2003-07-29 University Of Kentucky Research Foundation Polymethylmethacrylate augmented with carbon nanotubes
US7588699B2 (en) * 2001-11-02 2009-09-15 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Electrically conductive, optically transparent polymer/carbon nanotube composites and process for preparation thereof
JP3832338B2 (ja) * 2001-12-25 2006-10-11 松下電工株式会社 電歪ポリマーアクチュエータ
JP4222467B2 (ja) * 2002-04-18 2009-02-12 テイカ株式会社 コンポジット圧電体およびその製造方法
US6685303B1 (en) * 2002-08-14 2004-02-03 Eastman Kodak Company Thermal actuator with reduced temperature extreme and method of operating same
US7402264B2 (en) * 2004-03-09 2008-07-22 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Sensing/actuating materials made from carbon nanotube polymer composites and methods for making same
JP4732798B2 (ja) * 2005-05-19 2011-07-27 株式会社日立製作所 アクチュエーターおよびアクチュエーターモジュール
JP4732876B2 (ja) * 2005-11-30 2011-07-27 株式会社日立製作所 アクチュエータ、アクチュエータモジュールおよびアクチュエータモジュール製造方法
WO2007064164A1 (en) * 2005-11-30 2007-06-07 Korea Electrotechnology Research Institute Dye-sensitized solar cell module and the manufacturing method using carbon nanotube electrode
JP4063300B2 (ja) * 2006-04-24 2008-03-19 松下電工株式会社 電歪ポリマーアクチュエータ
CN101090586B (zh) * 2006-06-16 2010-05-12 清华大学;鸿富锦精密工业(深圳)有限公司 纳米柔性电热材料及包括该纳米柔性电热材料的加热装置
US7836564B2 (en) * 2006-09-12 2010-11-23 Gm Global Technology Operations, Inc. Reversible attachment mechanisms
KR101285415B1 (ko) 2007-05-22 2013-07-11 (주)탑나노시스 압전 복합 소재
CN101781461B (zh) * 2009-01-16 2012-01-25 清华大学 电致伸缩复合材料及其制备方法
CN101814577B (zh) * 2009-02-24 2013-06-05 清华大学 电致伸缩材料及其制备方法以及电热式致动器
CN101958394B (zh) * 2009-07-17 2011-11-30 清华大学 电致伸缩复合材料及电致伸缩元件
CN102044627A (zh) * 2009-10-22 2011-05-04 清华大学 电致伸缩复合材料及电致伸缩元件

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101077930A (zh) 2006-05-26 2007-11-28 国家纳米科学中心 一种电致伸缩聚合物层状纳米复合材料及其制法和应用

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JP平5-4312A 1993.01.14
薛伟,尹桂.高强度碳纳米管/聚合物复合材料的制备和应用.《江苏化工》.2007,第35卷(第3期),

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