CN102522494A - 同时具有驱动和传感能力的组合功能器件及其制备和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种同时具有驱动和传感能力的组合功能器件及其制备和应用，包括PVDF膜构成的压电层，所述的复合材料以离子交换增强导电层为中心，上下两面由内向外对称的设有压电层和电极层；压电层的设置为以离子交换增强导电层为中心两边正负极相互对应设置；所述的离子交换增强导电层为离子交换溶液固化成型得到，所述的离子交换溶液为Nafion溶液中均匀添加纳米级导电颗粒；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。在较低的致动电压下即可输出大变形，具有较大的功重比。
Description
技术领域
本发明的具有驱动和传感能力的PVDF与离子交换膜组合功能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。
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-active polymer 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
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，本发明提供了一种同时具有驱动和传感能力的组合功能器件及其制备和应用。
本发明的技术方案为：一种同时具有驱动和传感能力的组合功能器件，包括PVDF膜构成的压电层，所述的复合材料以离子交换增强导电层为中心，上下两面由内向外对称的设有压电层和电极层；压电层的设置为以离子交换增强导电层为中心两边正负极相互对应设置；
所述的离子交换增强导电层为离子交换溶液固化成型得到，所述的离子交换溶液为Nafion溶液中均匀添加纳米级导电颗粒；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。
所述的纳米级导电颗粒为碳纳米管、石墨烯或纳米级金属粉末。
制备所述的同时具有驱动和传感能力的组合功能器件的方法，采用一体浇注成型法，步骤为：第一步，配制离子交换溶液：向质量百分比浓度为25～50%的Nafion溶液中，按照体积比为DMSO：Nafion≈1:20 ~ 50滴加DMSO，然后超声震荡去除溶液中的气泡得到铸膜液；按纳米级导电颗粒的体积占成膜体积的1～5%的比例将纳米级导电颗粒加入铸膜液中，超声震荡分散均匀得到离子交换溶液；
第二步，固定压电层：对压电层PVDF膜的黏结表面进行粗化，使表面呈磨砂状，清洁后在另一面涂抹脱模剂，以两片PVDF膜为一组，将每组PVDF膜按照正负极相互对应的，分别固定于两个滑动分隔片的相对的表面，再将滑动分隔片放置于成型模具中，安装好成型模具；
第三步，浇注成型：将第一步得到的离子交换溶液浇注于成型模具中，真空干燥至得到的离子交换增强导电层的表面干燥，打开成型模具，将滑动分隔片连同中间的离子交换增强导电层以及成型模具内的定位导轨一起取出，从最外侧的两个滑动分隔片使用夹持装置夹持紧固置于烘箱干燥，成型后自然冷却至室温；再放入超纯水中吸水溶胀，取出后顺次拆下滑动分隔片得到层状聚合物；
第四步，制备电极层：在烘干的层状聚合物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，然后，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。
用于的制备同时具有驱动和传感能力的组合功能器件的方法中的成型模具，整体为截面为矩形的中空柱形结构，由上到下依次分为限位装置和成型装置两个相互独立的部分，限位装置和成型装置的连接处设有密封装置；所述的限位装置与滑动分隔片两边相接的地方设有若干限位槽；所述的成型装置由U型固化槽、活动挡板、定位导轨和滑动分隔片组成，滑动分隔片的高度大于成型装置的高度，滑动分隔片的顶端对应于限位槽的部位设有凸起，滑动分隔片穿过定位导轨滑动设于定位导轨上，定位导轨可拆卸的悬空设置于U型固化槽内，活动挡板可拆卸的设于U型槽的两个U型截面处；在限位装置和成型装置的连接面上相互对应的设有至少一对连接限位装置。
所述的限位装置的高度为成型装置高度的1.5倍。
所述的密封装置为橡胶或硅胶密封圈。
所述的连接限位装置为设在U型固化槽上的凸起限位栓与对应设置在限位装置的底面的限位孔构成。
基于所述的同时具有驱动和传感能力的组合功能器件的使用方法，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，离子交换增强导电层与压电层在外加电场的作用下向外加电场的阳极弯曲，控制不同区域的电场方向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。
适于一体浇注成型，有效的提高结构的层合能力。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。1离子交换增强导电层；2压电层；3电极层。
其中1.离子交换增强导电层；2.压电层；3.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为本发明的模具结构示意图。
其中限位装置I，成型装置II，密封装置III。
图7为本发明限位装置的结构示意图，
其中，限位槽I-1，限位孔I-2。
图8为本发明的模具的俯视结构示意图，
其中滑动分隔片II-3，定位导轨II-4，活动挡板II-5，固定螺栓II-6。
图9为U型固化槽的结构示意图，
其中凸起限位栓II-7，导轨限位槽II-8。
图10为滑动分隔片的结构示意图。
具体实施方式
一种具有驱动和传感能力的复合材料，包括PVDF膜构成的压电层，所述的复合材料以离子交换增强导电层1为中心，上下两面由内向外对称的设有压电层2和电极层3；压电层2的设置为以离子交换增强导电层1为中心两边正负极相互对应设置；
所述的离子交换增强导电层1为离子交换溶液固化成型得到，所述的离子交换溶液为Nafion溶液中均匀添加纳米级导电颗粒；所述的压电层2为PVDF膜；所述的电极层3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，起到激励信号导出及传感信号导入双重功能。
所述的纳米级导电颗粒为碳纳米管、石墨烯或纳米级金属粉末Ag或Al，可以提高离子交换增强导电层的导电性能及抗拉等力学性能，在整体结构中起到致动及辅助传感功能。
制备所述的具有驱动和传感功能的复合材料的方法，采用一体浇注成型法，步骤为：
第一步，配制离子交换溶液：将盛有一定量溶液的玻璃模具放入真空干燥箱中，所述的溶液为Nafion DE 520cs，浓度为5%wt，溶质为Nafion，溶剂为仲丁醇与水1:1的混合物；控制真空干燥箱的温度为50 ~ 60℃，将溶液烘至浓度为25% ~ 50%。按照体积比为DMSO：Nafion≈1:20 ~ 50滴加DMSO，然后超声振荡20 ~ 30分钟去除溶液中的气泡得到铸膜液；按纳米级导电颗粒的体积占成膜体积的1～5%的比例将纳米级导电颗粒加入铸膜液中，超声震荡不少于200分钟使分散均匀得到离子交换溶液；当纳米级导电颗粒为碳纳米管时，碳纳米管先按常规方法进行活化处理，若添加物为其他纳米级导电颗粒则按照折算体积添加。
第二步，固定压电层：对压电层PVDF膜的黏结表面进行粗化，使表面呈磨砂状，清洁后在另一面涂抹脱模剂如聚氨酯等，以两片PVDF膜为一组，将每组PVDF膜按照正负极相互对应的，分别固定于两个滑动分隔片II-3的相对的表面，再将滑动分隔片II-3放置于成型模具中，安装好成型模具；
第三步，浇注成型：将第一步得到的离子交换溶液浇注于成型模具中，40 ~ 60℃真空干燥至得到的离子交换增强导电层的表面干燥，先取下限位装置I及密封装置III，再取下活动挡板II-5，打开成型模具，将滑动分隔片II-3连同中间的离子交换增强导电层以及成型模具内的定位导轨II-4一起取出，从最外侧的两个滑动分隔片II-3使用夹持装置如台钳、C型夹等夹持紧固置于烘箱干燥，控制烘箱温度为100 ~ 120℃并保持1 ~ 2小时，再将温度升高至140℃保持3 ~ 5小时，成型后自然冷却至室温；再放入超纯水中20 ~ 60分钟, 离子交换膜有吸水溶胀的特性，这样有助于试件与模具分离，取出后顺次拆下滑动分隔片II-3得到层状聚合物；将层合聚合物在40 ~ 60℃下烘干。
第四步，制备电极层3：在烘干的层状聚合物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，然后，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。
用于制备具有驱动和传感功能的复合材料的方法中的成型模具，整体为截面为矩形的中空柱形结构，由上到下依次分为限位装置I和成型装置II两个相互独立的部分，限位装置I和成型装置II的连接处设有密封装置III；所述的限位装置I与滑动分隔片II-3两边相接的地方设有若干限位槽I-1；所述的成型装置II由U型固化槽、活动挡板II-5、定位导轨II-4和滑动分隔片II-3组成，滑动分隔片II-3的高度大于成型装置II的高度，滑动分隔片II-3的顶端对应于限位槽I-1的部位设有凸起，滑动分隔片II-3穿过定位导轨II-4滑动设于定位导轨II-4上，定位导轨II-4可拆卸的悬空设置于U型固化槽内，活动挡板II-5可拆卸的设于U型槽的两个U型截面处；在限位装置I和成型装置II的连接面上相互对应的设有至少一对连接限位装置。
所述的限位装置I的高度为成型装置II高度的1.5倍。
所述的密封装置III为橡胶或硅胶密封圈。
所述的连接限位装置为设在U型固化槽上的凸起限位栓II-7与对应设置在限位装置I的底面的限位孔I-2构成。
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。
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，离子交换增强导电层与压电层在外加电场的作用下向外加电场的阳极弯曲，控制不同区域的电场方向实现不同区域的相对独立变形。
限位装置I具有两个作用，其一通过其底部的限位槽I-1来固定滑动分隔片II-3以根据生产需要调节层状聚合物的厚度；其二限位装置I的高度为成型部分II的1.5倍，以便限制未浓缩的离子交换溶液的过盈体积。限位装置通过密封装置III与成型部分结合，密封装置III的材料为常规的密封材料如橡胶或硅胶可以防止离子交换溶液外漏。限位装置I的对角线位置可以开有一对圆锥形或圆柱形或其他形状的限位孔I-2，限位孔与成型装置II上的对应的凸起限位拴II-7配合限定限位装置I与成型装置II的相对位置。
成型装置II包括滑动分隔片II-3，定位导轨II-4，活动挡板II-5，固定螺栓II-6，限位栓II-7，导轨限位槽II-8等组成。其中滑动分隔片3的作用有两个其一与限位槽I-1配合控制层状聚合物的厚度，其二用于固定PVDF薄膜；定位导轨II-4用于固化成型阶段的滑动分隔片II-3相对位置的固定；定位导轨II-4通过设于U型固化槽上的导轨限位槽II-8限位；活动挡板II-5通过固定螺栓II-6固定在U型固化槽内，通过拆卸活动挡板II-5可方便固化后层状聚合物的取出。
本发明提出适于双聚合物复合材料的驱动和控制的分部-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。离子交换增强导电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，离子交换增强导电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。
实施例1
第一步，配制离子交换溶液：原料：离子交换溶液：Nafion DE 520cs，浓度为5%wt，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。
将盛有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50℃，将溶液烘至浓度为25%。体积比为DMSO：Nafion = 1:40的比例在溶液中滴加DMSO配成铸膜液，将铸膜液放入超声波清洗机中震荡20分钟去除溶液中的气泡。将铸膜液置于50℃烘箱中，直至膜的表面干燥，将烘箱温度升至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。
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。按碳纳米管的体积占成膜体积的3％的比例加入铸膜液中，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200分钟，使其分散均匀得到离子交换溶液。
第二步，固定压电层：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。喷砂时选取可溶性砂粒如矿物盐等，喷砂方向与PVDF膜表面呈45度。清洁后在另一面涂抹聚氨酯作为脱模剂，以两片PVDF膜为一组，将每组PVDF膜按照正负极相互对应的，分别固定于两个滑动分隔片II-3的相对的表面，再将滑动分隔片II-3置于成型模具中，安装好成型模具；
第三步，浇注成型：将第一步得到的离子交换溶液浇注于成型模具中，50℃真空干燥至离子交换增强导电层表面干燥，先取下限位装置I及密封装置III，再取下活动挡板II-5，打开成型模具，将滑动分隔片II-3连同中间的离子交换增强导电层以及成型模具内的定位导轨II-4一起取出，从最外侧的两个滑动分隔片II-3使用夹持装置如台钳、C型夹等夹持紧固置于烘箱干燥，控制烘箱温度为110℃并保持1.5小时，再将温度升高至140℃保持3.5小时，成型后自然冷却至室温；再放入超纯水中30分钟，取出后顺次拆下滑动分隔片II-3得到层状聚合物；将层合聚合物在50℃下烘干。
第四步，制备电极层3：在烘干的层状聚合物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；采用防护罩法根据设计要求雕刻防护罩。防护罩选用如玻璃、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的脱模剂如聚氨酯等，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。
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，相关参数见表二。网格状微电极连上不同电压后的相应能力参数见下表三、四。
第五步，然后，置于90℃恒温场中，以900KV /cm的极化电压，极化1小时，缓慢冷却至室温后撤去电场。
表二 功能器件尺寸及基本参数
表三 功能器件驱动能力参数
| 单电极10V输出拉力/mN | 40 | 单电极5V输出拉力/mN | 18 |
| 单电极10V输出压力/mN | 18 | 单电极5V输出压力/mN | 8 |
| 单电极10V输出力矩/（mN×mm） | 169 | 单电极5V输出力矩/（mN×mm） | 75 |
| 整体输出拉力/mN | 116 | 整体输出力矩/（mN×mm） | 488 |
| 1单元变形量/mm | 3.7 | 2单元变形量/mm | 4.3 |
| 3单元变形量/mm | 1.7 | 4单元变形量/mm | 1.8 |
表四 功能器件传感能力参数
| 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 | 0.27 | 46 | 0.0008 |
| 0.5Hz | 0. 36 | 12 | 0.0028 |
| 30Hz | 0.29 | 0 | 0.0031 |
Claims (9)
1.一种同时具有驱动和传感能力的组合功能器件，包括PVDF膜构成的压电层，其特征在于，所述的复合材料以离子交换增强导电层（1）为中心，上下两面由内向外对称的设有压电层（2）和电极层（3）；压电层（2）的设置为以离子交换增强导电层（1）为中心两边正负极相互对应设置；
所述的离子交换增强导电层（1）为离子交换溶液固化成型得到，所述的离子交换溶液为Nafion溶液中均匀添加纳米级导电颗粒；所述的压电层（2）为PVDF膜；所述的电极层（3）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。
2.如权利要求1所述的同时具有驱动和传感能力的组合功能器件，其特征在于，所述的纳米级导电颗粒为碳纳米管、石墨烯或纳米级金属粉末。
3.制备权利要求1或2所述的同时具有驱动和传感能力的组合功能器件的方法，采用一体浇注成型法，其特征在于，步骤为：第一步，配制离子交换溶液：向质量百分比浓度为25～50%的Nafion溶液中，按照体积比为DMSO：Nafion≈1:20 ~ 50滴加DMSO，然后超声震荡去除溶液中的气泡得到铸膜液；按纳米级导电颗粒的体积占成膜体积的1～5%的比例将纳米级导电颗粒加入铸膜液中，超声震荡分散均匀得到离子交换溶液；
第二步，固定压电层：对压电层PVDF膜的黏结表面进行粗化，使表面呈磨砂状，清洁后在另一面涂抹脱模剂，以两片PVDF膜为一组，将每组PVDF膜按照正负极相互对应的，分别固定于两个滑动分隔片（II-3）的相对的表面，再将滑动分隔片（II-3）放置于成型模具中，安装好成型模具；
第三步，浇注成型：将第一步得到的离子交换溶液浇注于成型模具中，真空干燥至得到的离子交换增强导电层的表面干燥，打开成型模具，将滑动分隔片（II-3）连同中间的离子交换增强导电层以及成型模具内的定位导轨（II-4）一起取出，从最外侧的两个滑动分隔片（II-3）使用夹持装置夹持紧固置于烘箱干燥，成型后自然冷却至室温；再放入超纯水中吸水溶胀，取出后顺次拆下滑动分隔片（II-3）得到层状聚合物；
第四步，制备电极层（3）：在烘干的层状聚合物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，然后，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。
4.用于权利要求3的制备同时具有驱动和传感能力的组合功能器件的方法中的成型模具，其特征在于，整体为截面为矩形的中空柱形结构，由上到下依次分为限位装置（I）和成型装置（II）两个相互独立的部分，限位装置（I）和成型装置（II）的连接处设有密封装置（III）；所述的限位装置（I）与滑动分隔片（II-3）两边相接的地方设有若干限位槽（I-1）；所述的成型装置（II）由U型固化槽、活动挡板（II-5）、定位导轨（II-4）和滑动分隔片（II-3）组成，滑动分隔片（II-3）的高度大于成型装置（II）的高度，滑动分隔片（II-3）的顶端对应于限位槽（I-1）的部位设有凸起，滑动分隔片（II-3）穿过定位导轨（II-4）滑动设于定位导轨（II-4）上，定位导轨（II-4）可拆卸的悬空设置于U型固化槽内，活动挡板（II-5）可拆卸的设于U型槽的两个U型截面处；在限位装置（I）和成型装置（II）的连接面上相互对应的设有至少一对连接限位装置。
5.如权利要求4所述的用于制备同时具有驱动和传感能力的组合功能器件的方法中的成型模具，其特征在于，所述的限位装置（I）的高度为成型装置（II）高度的1.5倍。
6.如权利要求4所述的用于制备同时具有驱动和传感能力的组合功能器件的方法中的成型模具，其特征在于，所述的密封装置（III）为橡胶或硅胶密封圈。
7.如权利要求4所述的用于制备同时具有驱动和传感能力的组合功能器件的方法中的成型模具，其特征在于，所述的连接限位装置为设在U型固化槽上的凸起限位栓（II-7）与对应设置在限位装置（I）的底面的限位孔（I-2）构成。
8.基于权利要求1或2所述的同时具有驱动和传感能力的组合功能器件的使用方法，其特征在于，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。
9.如权利要求8所述的基于同时具有驱动和传感能力的组合功能器件的使用方法，其特征在于，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，离子交换增强导电层与压电层在外加电场的作用下向外加电场的阳极弯曲，控制不同区域的电场方向实现不同区域的相对独立变形。
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Cited By (6)
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|---|---|---|---|---|
| CN102969444A (zh) * | 2012-11-20 | 2013-03-13 | 溧阳市生产力促进中心 | 一种聚合物功能器件的制造方法 |
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| CN110337731A (zh) * | 2017-02-22 | 2019-10-15 | 皇家飞利浦有限公司 | 基于电活性聚合物的致动器和传感器设备 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070257582A1 (en) * | 2005-08-05 | 2007-11-08 | Kazuo Yokoyama | Polymer actuator |
| US20100109595A1 (en) * | 2006-12-13 | 2010-05-06 | Board Of Trustees Of Michigan State University | Integrated actuator sensor structure |
-
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070257582A1 (en) * | 2005-08-05 | 2007-11-08 | Kazuo Yokoyama | Polymer actuator |
| US20100109595A1 (en) * | 2006-12-13 | 2010-05-06 | Board Of Trustees Of Michigan State University | Integrated actuator sensor structure |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| DEUK YONG LEE等: "Ionic polymer-metal composite bending actuator loaded with multi-walled carbon nanotubes", 《SENSORS AND ACTUATORS A：PHYSICAL》 * |
| 卞侃等: "铂型离子聚合物金属复合材料的制备及驱动位移测试", 《复合材料学报》 * |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102969444A (zh) * | 2012-11-20 | 2013-03-13 | 溧阳市生产力促进中心 | 一种聚合物功能器件的制造方法 |
| CN102983268A (zh) * | 2012-11-20 | 2013-03-20 | 溧阳市生产力促进中心 | 一种具有离子交换增强层的压电元件 |
| CN102983268B (zh) * | 2012-11-20 | 2015-06-10 | 溧阳市生产力促进中心 | 一种具有离子交换增强层的压电元件 |
| CN102969444B (zh) * | 2012-11-20 | 2015-12-23 | 溧阳市生产力促进中心 | 一种聚合物功能器件的制造方法 |
| CN105765750A (zh) * | 2013-11-21 | 2016-07-13 | 3M创新有限公司 | 多层压电聚合物膜装置和方法 |
| CN105765750B (zh) * | 2013-11-21 | 2018-07-20 | 3M创新有限公司 | 多层压电聚合物膜装置和方法 |
| CN105655476A (zh) * | 2016-01-25 | 2016-06-08 | 云南科威液态金属谷研发有限公司 | 智能水凝胶器件及其控制装置 |
| CN110337731A (zh) * | 2017-02-22 | 2019-10-15 | 皇家飞利浦有限公司 | 基于电活性聚合物的致动器和传感器设备 |
| CN109799904A (zh) * | 2018-12-27 | 2019-05-24 | 西安交通大学 | 一种基于pvc凝胶驱动的触觉反馈结构及其制作方法和应用 |
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