CN102522491B - 具有驱动和传感能力的聚合物器件及其制备和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有驱动和传感能力的聚合物器件及其制备和应用，包括PVDF膜构成的压电层，所述的功能材料为多层复合材料，以离子交换层为中心，上下两面由内向外对称的设有过渡电极层、弹性导电黏结层、压电层和电极层；所述的离子交换层为Nafion溶液固化成型得到；所述的过渡电极层为金属Pt或Ag构成的内外两层；所述的弹性导电黏结层为Nafion溶液中均匀添加纳米级导电材料固化成型得到；所述的压电层为PVDF膜；所述的电极层为金属Ag或Al构成的呈网格状的若干相互独立的微电极，各微电极之间相互绝缘，根据设计需要与驱动源或是传感源进行电连接。本发明可以使材料产生多尺度、维度的连续可控变形。
Description
一、技术领域
本发明的具有驱动和传感能力的聚合物器件可广泛应用于航空航天、仿生工程、生物医药以及能量收集等领域。
二、背景技术
长期以来，研究人员一直致力于在工程和机械领域广泛应用的硬材料研究，然而，自然界中动、植物生物体的机械结构通常是软材料。与传统的金属、陶瓷等“硬质材料”相比，高分子聚合物是“软质材料”的典型代表。软质材料针对外界的刺激(如机械应力、温度、电磁场等等)能够产生不同程度的形变而体现出活性。智能软材料是一种能感知外部刺激、进行判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料，相比传统硬质智能材料具有可承受大变形、具备良好生物亲和性、密度低等特点。智能材料及智能器件有着巨大的潜在的应用前景，从大到石油开采密封，小到药物输送，在机械，医疗，军工都有广泛的应用，由于其变形能力和驱动力都接近于生物肌肉，在机器人领域也有非常好的发展前景。智能软材料在模拟生物特征方面展现出了无与伦比的特性，因此它也被称为“活”性软材料。作为新型智能软活性聚合物材料的代表，电致活性聚合物(Electro-activepolymer EAP)主动软材料日益显示出其巨大的优越性。
离子型EAP如离子聚合物基金属复合材料(IPMC)等。IPMC材料可以在较低电压下(1～2V)产生诱导弯曲位移，但是需要保持一定的湿润度，而且在直流电场激励下很难保持稳定的诱导位移。聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物是最常见的铁电智能软聚合物。由于它们具有良好的柔韧性并易制成大面积的薄膜，因而在音频和超声传感器、生物医学传感器、机电换能器以及热释电和光学器件中具有重要的应用前景。但其致动能力低下，在150MV/m电场下，其电致伸缩应变为7％。
常规IPMC及PVDF属性及优、缺点：
表一两种功能材料的基本特征
三、发明内容
为了解决现有技术存在的PVDF的致动能力低下的缺点，本发明提供了一种具有驱动和传感能力的聚合物器件及其制备和应用。
本发明的技术方案为：一种具有驱动和传感能力的聚合物器件，包括PVDF膜构成的压电层，所述的功能材料为多层复合材料，以离子交换层为中心，上下两面由内向外对称的设有过渡电极层、弹性导电黏结层、压电层和电极层；
所述的离子交换层为Nafion溶液固化成型得到；所述的过渡电极层为金属Pt或Ag构成的内外两层，其中内层为渗入离子交换层内部的3～7微米的内层过渡电极，外层为6～12微米厚的外层过渡电极；所述的弹性导电黏结层为Nafion溶液中均匀添加纳米级导电材料固化成型得到；所述的压电层为PVDF膜；所述的电极层为金属Ag或Al构成的呈网格状的若干相互独立的微电极，各微电极之间相互绝缘，根据设计需要与驱动源或是传感源进行电连接。
所述的纳米级导电材料为碳纳米管或纳米级金属粉末。
制备所述的具有驱动和传感能力的聚合物器件的方法，步骤为：
第一步，制备离子交换层(1)：Nafion溶液按照设计的厚度常规方法固化成型为离子交换膜；
第二步，制备过渡电极层(2)：对离子交换膜的表面进行粗化，使表面呈磨砂状；再进行活化；最后采用常规的化学镀方法镀上Pt或者Ag形成内层过渡电极和外层过渡电极；
第三步，制备弹性黏结层(3)：Nafion溶液中加入纳米级导电材料，分散均匀后，将溶液均匀涂敷于过渡电极层(2)的表面然后覆盖上压电层(4)，压电层设置为正负极对应即，相对于离子交换层(1)一侧以正极粘结，另一面以负极粘结。最后常规方法固化成型；
第四步，在压电层(4)的表面按设计要求采用涂敷或加防护罩的方法，使用常规的溅射或是蒸镀的方式镀上金属Ag或Al形成网格状的相互绝缘的微电极；
第五步，将材料置于70～100℃恒温场中，以600～1000KV/cm的极化电压，极化0.5～1小时，缓慢冷却至室温后撤去电场。
化学镀方法镀上Pt形成内层过渡电极的化学反应为：
4Pt++NaBH4+4OH-→4Pt+2H2+B(OH)4 -+Na+；
以化学镀方法镀上Pt形成外层过渡电极的化学反应为：
Pt++2N2H4→Pt+2NH4 ++4NH3+N2↑。
化学镀方法镀上Ag形成内层过渡电极和外层电极的化学反应为：
2Ag(NH3)2OH+C6H12O6→2Ag↓+C6H11O7NH4+3NH3+H2O。
基于所述的具有驱动和传感能力的聚合物器件的使用方法，可编程电源产生激励信号通过控制开关激励所控制的具有驱动和传感功能的复合材料产生变形，输出位移或力的同时产生的压电信号通过电荷放大系统收集放大后输入功率放大系统，经功率放大的信号被数字采集系统收集，并转换为可识别的信号再重新输入可编程电源，同时调用可编程电源中的控制程序重新调整输出的激励信号，循环往复自适应驱动复合材料。
每个控制开关独立控制具有驱动和传感功能的复合材料的其中一个网格区域。离子交换层与压电层具有特殊的性能，随着外加激励的方式不同产生不同的变形，离子交换层与压电层会向外加电场的阳极弯曲，控制不同区域的电场方向以实现，不同区域的相对独立变形。
有益效果：
本发明的具有驱动和传感功能的复合材料在较低的致动电压下即可输出大变形，具有较大的功重比(可以提供大于自重40倍以上的力输出)。
可以输出较为精确的传感信号，并起到能保持材料中活性因子的作用。
用的自适应驱动系统的设计可以感知材料的驱动状态，并通过驱动状态的确定调整激励信号实现材料驱动的连续可控。
本发明的电极层采用网格式设计，可以根据需要分为驱动和控制的分部-独立式电极。该电极的结构特点有：1.将传统的连续电极通过划分网格的形式分割成为多个平面独立微电极，各平面电极可根据需要自行制定尺寸；2.将传统的单功能电极根据需要分为驱动电极和传感电极；3.各电极相互绝缘，可根据使用需要通过微导线、印刷电路、镀层电极等形式连接；4.驱动电极和传感电极彼此绝缘。
其使用特点有：1.功能的多样性，根据连接不同的端子既可单纯的实现材料的单功能驱动、传感又可实现材料驱动传感同时工作的自适应驱动；2.可以实现材料的多维度、多尺度的可控变形；3.可以提高材料变形的控制精度；4驱动电极与传感电极的互换性，可以根据需要连接不同的微电极，使任意一对电极成为驱动电极或传感电极。传统的连续电极只能使材料在所加电场方向产生弯曲变形，本发明可以使材料产生多尺度、维度的连续可控变形。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中1.离子交换层；2.过渡电极层；3.弹性导电黏结层；4.压电层；5.电极层
图2为本发明的电极层网格状电极的示意图。
图3为本发明的电极层网格状电极的局部放大示意图。
其中，5-1为微电极，5-2为微电路连接线。
图4为本发明复合材料的自适应驱动流程图。
图5为本发明的复合材料自适应变形的示意图。
图6为本发明的复合材料实例的电极布置方式。
具体实施方式
如图所示，一种具有驱动和传感功能的复合材料，包括PVDF膜构成的压电层，所述的复合材料为多层复合材料，以离子交换层1为中心，上下两面由内向外对称的设有过渡电极层2、弹性导电黏结层3、压电层4和电极层5；
所述的离子交换层1为Nafion溶液固化成型得到，在整体结构中起到致动及辅助传感功能；所述的过渡电极层2为金属Pt或Ag构成的内外两层，其中内层为渗入离子交换层1内部的3～7微米的内层过渡电极，在离子交换层1的内部形成微电极，外层为6～12微米厚的外层过渡电极，外层过渡电极与弹性导电黏结层3黏结具有激励传导作用；所述的弹性导电黏结层3为Nafion溶液中均匀添加纳米级导电材料固化成型得到，用于黏结过渡电极层2和压电层4，并起到一定的激励传导作用；所述的压电层4为PVDF膜，在整体结构中起到传感及辅助驱动功能；所述的电极层5为金属Ag或Al构成的呈网格状的若干相互独立的微电极，各微电极之间相互绝缘，根据设计需要与驱动源或是传感源进行电连接，电极层5起到激励信号导出及传感信号导入的双重功能。
所述的纳米级导电材料为碳纳米管或金属粉末。
制备所述的具有驱动和传感功能的复合材料的方法，步骤为：
第一步，制备离子交换层1：Nafion溶液按照设计的厚度常规方法固化成型为离子交换膜；
原料：离子交换溶液：Nafion DE520cs，浓度为5％，溶质为Nafion，溶剂为仲丁醇与水1∶1的混合物。固化剂二甲亚砜(DMSO)。
根据所需离子交换层的厚度和玻璃模具的尺寸计算出Nafion溶液的用量。将盛有一定量溶液的玻璃模具放入真空干燥箱中，控制真空干燥箱的温度为50～60℃，将溶液烘至浓度为20～30％。在溶液中滴加适量的DMSO(体积比为DMSO∶Nafion≈1∶40)配成铸膜液，将铸膜液放入超声波清洗机中震荡约20～30分钟(去除溶液中的气泡)。将铸膜液置于50～60℃烘箱中，直至膜的表面干燥，将烘箱温度升至100～120℃并保持大于1小时，再将温度升高至120～140℃保持大于3小时，关闭烘箱，自然冷却至室温。
第二步，制备过渡电极层2：对离子交换膜的表面进行粗化，使表面呈磨砂状；再进行活化；最后采用常规的化学镀方法镀上Pt或者Ag形成内层过渡电极和外层过渡电极；
a预处理
①粗化
粗化方法一：使用金相砂纸(W10～20)手工打磨使离子交换膜表面呈磨砂状；
粗化方法二：使用喷砂机调整喷砂机功率使喷出的砂粒，既可摩擦离子交换膜的表面又不至于将离子交换膜击穿。喷砂时应选取可溶性砂粒，以防沙粒嵌入离子交换膜影响材料的性能，喷砂方向与离子交换膜表面呈30～60度为宜。
②活化
将粗化完的离子交换膜用超纯水反复清洗并放入超声波清洗机中振荡10～15分钟；将离子交换膜放入稀盐酸(HCl，2mol/L)中加热至70～80℃并保温大于1小时；取出离子交换膜用超纯水反复清洗，然后在超纯水中加热至90～100℃并保温0.5小时；取出离子交换膜在双氧水(H2O2，15～20％)中加热至70～80℃并保温大于0.5小时；超纯水清洗，加热至90～100℃并保温大于0.5小时。
b过渡电极成型
过渡电极可选用金属Pt或Ag为电极材料，两种不同的电极材料其成型工艺也不相同。
①Pt型：将经预处理后的离子交换膜静置于稀硫酸(0.1～0.3mol/L)中0.5～2小时，使H+浸入膜的内部，使之成为H+交换膜，然后将其静置于[Pt(NH3)4]Cl2溶液(0.01～0.05mol/L)中14～24小时，使[Pt(NH3)]4 2+充分浸入膜的内部，并与H+充分交换。
内层过渡电极：将盛有离子交换后基膜的烧杯放在恒温水浴锅中，初始温度为40℃，逐次滴加还原剂NaBH4(0.5～1mol/L，2～4mL/次)，同时温度每隔10分钟升高1℃直至60℃，其还原机理为(1)反应结束后，用超纯水对膜进行清洗，并将膜置于稀盐酸(0.1～0.3mol/L)中并在40℃的超声波中振荡0.5分钟，清洗不良沉积的金属颗粒，同时消除由于金属晶体生长所产生的内应力。
4Pt++NaBH4+4OH-→4Pt+2H2+B(OH)4 -+Na+ (1)
外层过渡电极：将膜泡在铂氨与氨水混合溶液中(体积比为20∶1)，放进恒温水浴锅里且初始温度为35～40℃，逐次滴加还原剂NH2OHCl-N2H4混合溶液(体积比为2∶1，5～7mL/次)，并且温度每隔10分钟升高2℃直至60℃，还原机理为(2)
Pt++2N2H4→Pt+2NH4 ++4NH3+N2↑ (2)
②Ag型：将预处理后的基膜放入0.03～0.06mol/L银氨络合物溶液中，静置约14～24小时，使离子交换达到平衡状态。
2Ag(NH3)2OH+C6H12O6→2Ag↓+C6H11O7NH4+3NH3+H2O (3)内层过渡电极：将预处理后的离子交换膜放置于超纯水中，控制反应温度为20℃，每隔10分钟向反应溶液中逐次滴加还原剂葡萄糖滴加(4～6g/L，1～3mL/次)，反应时间持续3～5小时。还原机理为(3)外层过渡电极：机理同样为反应式(3)，只是控制反应时间为1～2小时。
第三步，制备弹性黏结层3：Nafion溶液中加入纳米级导电材料，分散均匀后，将溶液均匀涂敷于过渡电极层2的表面然后覆盖上压电层4，压电层设置为正负极对应即，相对于离子交换层(1)一侧以正极粘结，另一面以负极粘结。最后常规方法固化成型；
原料：离子交换溶液：Nafion DE520cs，碳纳米管(单壁、双壁)或纳米级金属粉末。
①碳纳米管：将碳纳米管置于浓硝酸溶液中在100～120℃煮30～60分钟，再将碳纳米管置于去离子水中煮沸30～60分钟，至溶液呈中性以清洗残留的硝酸，在100～120℃的真空干燥箱中完全烘干后，将碳纳米管在玛瑙研钵中研磨，打散碳纳米管的团聚颗粒；置于浓硝酸溶液中在100～120℃煮30～60分钟，再将碳纳米管置于去离子水中煮沸30～60分钟，至溶液呈中性以清洗残留的硝酸，在100～120℃的真空干燥箱中完全烘干后，将碳纳米管在玛瑙研钵中研磨，打散碳纳米管的团聚颗粒。将20％～40％的Nafion以及碳纳米管分别按质量比100∶1～5的比例在玻璃模具中混合置于超声波清洗机中，采用40kHz～160kHz、900W的超声波处理1～2小时，处理后的溶液即为导电黏结剂。
②纳米级金属粉末：将纳米级金属粉末如纳米级银、金、铂、镍及其混合物置于玛瑙研钵中研磨，打散其团聚颗粒，将Nafion与碳纳米管的质量比100∶1～5换算为相应金属的体积比称量的金属粉末，采用40kHz～160kHz、900W的超声波处理1～2小时，处理后的溶液即为导电黏结剂。
将导电黏结剂均匀涂覆于过渡电极层2表面后附上压电层4(注意压电层的正负极即一面黏结正极，一面黏结负极)，利用夹紧装置固定后置于烘箱中，将烘箱温度调至100～110℃并保持1小时，再将温度升高至140～150℃保持3～4小时，关闭烘箱，自然冷却至室温。
第四步，制备电极层5：在压电层4的表面按设计要求采用涂敷或加防护罩的方法，使用常规的溅射或是蒸镀的方式镀上金属Ag或Al形成网格状的相互绝缘的微电极。
采用溅射、蒸镀的方式在压电层4的层合结构上下两表面镀良导金属。
电极层的制作方法：
1.防护罩法，根据需求雕刻防护罩。防护罩根据电极的不同成型方式选取适宜的材料如，蒸镀电极成型须选用耐热材料如玻璃、石英、PET聚酯、PVB聚乙烯醇缩丁醛等。在防护罩与双聚合物复合材料的基体间需涂覆一定厚度的脱模剂如聚氨酯等，使电极成型后易于防护罩的去除。电极成型后需对电极进一步修整，保证不同电极之间的相互绝缘。
2.涂覆法，由于双聚合物复合材料的基体材料离子交换膜和偏聚氟乙烯均为惰性材料，亦可在材料表面涂覆具有阻隔作用的油脂或易除去的胶类物质，并根据需要在涂覆层的表面勾画出电极附着区，然后通过化学、物理等方法使电极成型。电极成型后亦需对电极进一步修整，保证不同电极之间的相互绝缘。
第五步，将材料置于70～100℃恒温场中，以600～1000KV/cm的极化电压，极化0.5～1小时，缓慢冷却至室温后撤去电场。
本专利提出适于双聚合物复合材料的驱动和控制的分部一独立式电极。该电极的结构特点有：1.将传统的连续电极通过划分网格的形式分割成为多个平面独立微电极，各平面电极可根据需要自行制定尺寸；2.将传统的单功能电极根据需要人为的分为驱动电极和传感电极；3.各电极相互绝缘，可根据使用需要通过微导线、印刷电路、镀层电极等形式连接；4.驱动电极和传感电极彼此绝缘。
其使用特点有：1.功能的多样性，根据连接不同的端子既可单纯的实现材料的单功能驱动、传感又可实现材料驱动传感同时工作的自适应驱动；2.可以实现材料的多维度、多尺度的可控变形如图所示；3.可以提高材料变形的控制精度；4驱动电极与传感电极的互换性，可以根据需要连接不同的微电极，使任意一对电极成为驱动电极或传感电极。
传统的连续电极只能使材料在所加电场方向产生弯曲变形，本发明可以使材料产生多尺度、维度的连续可控变形
基于所述的具有驱动和传感功能的复合材料的使用方法，可编程电源产生激励信号通过控制开关激励所控制的具有驱动和传感功能的复合材料产生变形，输出位移或力的同时产生的压电信号通过电荷放大系统收集放大后输入功率放大系统，经功率放大的信号被数字采集系统收集，并转换为可识别的信号再重新输入可编程电源，同时调用可编程电源中的控制程序重新调整输出的激励信号，循环往复自适应驱动复合材料。
具体的又可以分为以下几种：
1.单驱动
分别将复合材料上下两表面的微电极端子连接：正极表面所有电极端子联接驱动源的正极，负极表面所有电极端子联接驱动源负极，接通驱动源即可实现材料的单纯一维驱动。
2.单传感
其联接方式与单驱动相同，其输出信号通过电荷放大器即可成为传感信号。
3.自适应驱动
可编程电源产生激励信号通过控制开关激励双聚合物金属复合材料使其产生变形，输出位移或力同时产生的压电信号通过电荷放大系统收集放大后输入功率放大系统，此后经功率放大的信号被数字采集系统收集，并转换为可识别的信号输入可编程电源，调用可编程电源中的控制程序调整其输出激励信号。每个控制开关独立控制具有驱动和传感功能的复合材料的其中一个网格区域。离子交换层与压电层具有特殊的性能，随着外加激励的方式不同产生不同的变形，简而言之离子交换层与压电层会向外加电场的阳极弯曲，控制不同区域的电场方向可以实现不同区域的相对独立变形。
实施例1
第一步，制备离子交换层1：
离子交换溶液：Nafion DE520cs、固化剂二甲亚砜(DMSO)、玻璃模具容积尺寸10cm×10cm×10cm。
制备0.4mm离子交换层，将盛有112毫升Nafion溶液的玻璃模具放入真空干燥箱中，控制真空干燥箱的温度为60℃，将溶液烘至浓度为30％。在溶液中滴加DMSO(体积比为DMSO∶Nafion＝1∶35)配成铸膜液，将铸膜液放入超声波清洗机中震荡约30分钟。将铸膜液置于55℃烘箱中，直至膜的表面干燥，将烘箱温度升至110℃并保持1小时，再将温度升高至130℃保持4小时，关闭烘箱，自然冷却至室温。
第二步，制备过渡电极层2：
a预处理
①粗化
使用W20的金相砂纸粗化。
②活化
将粗化完的离子交换膜用超纯水反复清洗并放入超声波清洗机中振荡10分钟；将离子交换膜放入稀盐酸(HCl，2mol/L)中加热至80℃并保温1小时；取出离子交换膜用超纯水反复清洗，然后在超纯水中加热至100℃并保温0.5小时；取出离子交换膜在双氧水(H2O2，15％)中加热至80℃并保温0.5小时；超纯水清洗，加热至100℃并保温0.5小时。
b过渡电极成型
将经预处理后的离子交换膜静置于0.2mol/L稀硫酸中1小时，然后将其静置于[Pt(NH3)4]Cl2溶液(0.03mol/L)中18小时。
内层过渡电极：将盛有离子交换后基膜的烧杯放在恒温水浴锅中，初始温度为40℃，逐次滴加还原剂NaBH4(0.5mol/L，3mL/次)，同时温度每隔10分钟升高1℃直至60℃，反应结束后用超纯水对膜进行清洗，并将膜置于0.1mol/L稀盐酸中并在40℃的超声波中振荡0.5小时。
外层过渡电极：将膜泡在铂氨与氨水混合溶液中(体积比为20∶1)，放进恒温水浴锅里且初始温度为40℃，逐次滴加还原剂NH2OHCl-N2H4混合溶液(体积比为2∶1，5mL/次)，并且温度每隔10分钟升高2℃直至60℃。
第三步，制备弹性黏结层3：
原料：离子交换溶液：Nafion DE520cs，双壁碳纳米管。
将碳纳米管置于浓硝酸溶液中在120℃煮30分钟，再将碳纳米管置于去离子水中煮沸30分钟，至溶液呈中性以清洗残留的硝酸，在120℃的真空干燥箱中完全烘干后，将碳纳米管在玛瑙研钵中研磨，打散碳纳米管的团聚颗粒；置于浓硝酸溶液中在120℃煮30分钟，再将碳纳米管置于去离子水中煮沸30分钟，至溶液呈中性以清洗残留的硝酸，在120℃的真空干燥箱中完全烘干后，将碳纳米管在玛瑙研钵中研磨，打散碳纳米管的团聚颗粒。将25％的Nafion以及碳纳米管分别按质量比100∶3的比例在玻璃模具中混合置于超声波清洗机中，采用40kHz～160kHz、900W的超声波处理2小时，处理后的溶液即为导电黏结剂。
将导电黏结剂均匀涂覆于过渡电极层2表面后附上压电层4(注意压电层的正负极即一面黏结正极，一面黏结负极)，利用夹紧装置固定后置于烘箱中，将烘箱温度调至110℃并保持1分钟，再将温度升高至140℃保持3小时，关闭烘箱，自然冷却至室温。
第四步，制备电极层5：采用防护罩法根据设计要求雕刻防护罩。防护罩选用PET聚酯，在防护罩与双聚合物复合材料的基体间需涂覆的脱模剂聚氨酯，采用蒸镀法得到Ag电极，电极成型后去除防护罩，对电极进一步修整，保证不同电极之间的相互绝缘。
第五步，将材料置于90℃恒温场中，以800KV/cm的极化电压，极化1小时，缓慢冷却至室温后撤去电场。
实施例2
第一步，制备离子交换层1
原料：离子交换溶液：Nafion DE520cs、固化剂二甲亚砜(DMSO)、玻璃模具容积尺寸10cm×10cm×10cm、制备0.2mm离子交换层。
将盛有56毫升Nafion溶液的玻璃模具放入真空干燥箱中，控制真空干燥箱的温度为55℃，将溶液烘至浓度为25％。在溶液中滴加DMSO(体积比为DMSO∶Nafion＝1∶40)配成铸膜液，将铸膜液放入超声波清洗机中震荡约25分钟。将铸膜液置于55℃烘箱中，直至膜的表面干燥，将烘箱温度升至100℃并保持1.5小时，再将温度升高至120℃保持3小时，关闭烘箱，自然冷却至室温。
取出后裁成尺寸为100mm×20mm的条状离子交换膜。
第二步，制备过渡电极层
用w10的金相砂纸对离子交换膜的表面粗化后再进行活化；后采用化学镀方法镀上Ag形成内层过渡电极和外层过渡电极。
将预处理后的基膜放入0.04mol/L银氨络合物溶液中，静置约15小时，使离子交换达到平衡状态。
内层过渡电极：将预处理后的离子交换膜放置于超纯水中，控制反应温度为20℃，每隔10分钟向反应溶液中逐次滴加还原剂葡萄糖滴加(5g/L，1mL/次)，反应时间持续4小时。
外层过渡电极：步骤同上，控制反应时间为1.5小时。
第三步，制备弹性黏结层
原料：离子交换溶液：Nafion DE520cs，双壁碳纳米管。
将碳纳米管置于浓硝酸溶液中在120℃煮30分钟，再将碳纳米管置于去离子水中煮沸30分钟，至溶液呈中性以清洗残留的硝酸，在120℃的真空干燥箱中完全烘干后，将碳纳米管在玛瑙研钵中研磨，打散碳纳米管的团聚颗粒；置于浓硝酸溶液中在120℃煮30分钟，再将碳纳米管置于去离子水中煮沸30分钟，至溶液呈中性以清洗残留的硝酸，在120℃的真空干燥箱中完全烘干后，将碳纳米管在玛瑙研钵中研磨，打散碳纳米管的团聚颗粒。将20％的Nafion以及碳纳米管分别按质量比100∶3的比例在玻璃模具中混合置于超声波清洗机中，采用100kHz、900W的超声波处理2小时，处理后的溶液即为导电黏结剂。
将导电黏结剂均匀涂覆于过渡电极层2表面后附上压电层4(注意压电层的正负极即一面黏结正极，一面黏结负极)，利用夹紧装置固定后置于烘箱中，将烘箱温度调至100℃并保持1小时，再将温度升高至140℃保持3小时，关闭烘箱，自然冷却至室温。
第四步，制备电极层5：采用防护罩法根据设计要求雕刻防护罩。防护罩选用PET聚酯等，在防护罩与双聚合物复合材料的基体间需涂覆的脱模剂聚氨酯等，采用蒸镀法得到Ag电极，电极成型后去除防护罩，对电极进一步修整，保证不同电极之间的相互绝缘。
第五步，将材料置于90℃恒温场中，以800KV/cm的极化电压，极化1小时，缓慢冷却至室温后撤去电场。
网格状电极由上述方法制备，电极尺寸可根据材料的整体尺寸以及用途定义。本例中尺寸为50mm×14mm，微电极尺寸为10mm×10mm，1a、1b、2a、2b、3a、3b、4a、4b为两面对应电极的微导线(见图6)。表二为两组功能材料实例的尺寸及性能参数。
表二聚合物器件尺寸及基本参数
材料用于驱动时，用可程控电源给电极供电，如图6，1a、2a端接10V驱动电压正极，1b和2b接相应的负极，3a、4a端接5V直流电驱动正极，3b、4b接负极，使材料变形。表三为该功能材料实例的驱动性能参数。
表三聚合物器件驱动性能参数
| Pt | Ag | Pt | Ag | ||
| 单电极10V输出拉力/mN | 66 | 35 | 单电极5V输出拉力/mN | 29 | 16 |
| 单电极10V输出压力/mN | 31 | 17 | 单电极5V输出压力/mN | 14 | 8 |
| 单电极10V输出力矩/(mN×mm) | 294 | 156 | 单电极5V输出力矩/(mN×mm) | 134 | 74 |
| 整体输出拉力/mN | 190 | 98 | 整体输出力矩/(mN×mm) | 856 | 460 |
| 1单元变形量/mm | 3 | 3.6 | 2单元变形量/mm | 3.2 | 4 |
| 3单元变形量/mm | 1.4 | 1.6 | 4单元变形量/mm | 1.5 | 1.7 |
材料用于传感时，以不同频率对材料进行激振，各端均通过电荷放大器，接入数据采集系统及PC机。表四为该功能材料实例的传感性能参数：
表四聚合物器件实例传感性能参数
| 最大传感电压/V | PVDF应变与输出电压间的相位差/° | 灵敏度/10-6V | |
| 0.1Hz | 0.25 | 46 | 0.0007 |
| 0.5Hz | 0.34 | 12 | 0.0026 |
| 30Hz | 0.27 | 0 | 0.0028 |
Claims (3)
1.一种制备具有驱动和传感功能的复合材料的方法，其特征在于，步骤为：
第一步，制备离子交换层（1）：Nafion溶液按照设计的厚度通过常规方法固化成型为离子交换膜；
第二步，制备过渡电极层（2）：对离子交换膜的表面进行粗化，使表面呈磨砂状；再进行活化；最后采用常规的化学镀方法镀上Pt或者Ag形成内层过渡电极和外层过渡电极；
第三步，制备弹性黏结层（3）：Nafion溶液中加入纳米级导电材料，分散均匀后，将溶液均匀涂敷于过渡电极层（2）的表面然后覆盖上压电层（4），压电层设置为正负极对应，即相对于离子交换层（1）一侧以正极粘结，另一面以负极粘结，最后常规方法固化成型；
第四步，在压电层（4）的表面按设计要求采用涂敷或加防护罩的方法，使用常规的溅射或是蒸镀的方式镀上金属Ag或Al形成网格状的相互绝缘的微电极；
第五步，将材料置于70～100℃恒温场中，以600～1000KV/cm的极化电场，极化0.5～1小时，缓慢冷却至室温后撤去电场。
2.如权利要求1所述的制备具有驱动和传感功能的复合材料的方法，其特征在于，化学镀方法镀上Pt形成内层过渡电极的化学反应为：
4Pt++NaBH4+4OH-→4Pt+2H2+B(OH)4 -+Na+；
以化学镀方法镀上Pt形成外层过渡电极的化学反应为：
Pt++2N2H4→Pt+2NH4 ++4NH3+N2↑。
3.如权利要求1所述的制备具有驱动和传感功能的复合材料的方法，其特征在于，化学镀方法镀上Ag形成内层过渡电极和外层电极的化学反应为：
2Ag(NH3)2OH＋C6H12O6→2Ag↓＋C6H11O7NH4＋3NH3＋H2O。
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