CN103029355A - 一种光致弯曲柔性导电基板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光致弯曲柔性导电基板及其制备方法，包括光致弯曲柔性衬底和导电层，所述光致弯曲柔性衬底为光致弯曲聚合物材料，导电层附着在光致弯曲柔性衬底表面。通过制备同时具备光致弯曲能力和导电能力的柔性基板，可以实现光致弯曲执行器与光源一体化和微型化，加快光致弯曲材料在人工肌肉领域的更为广泛的应用和更快速的发展。

Description

一种光致弯曲柔性导电基板及其制备方法

技术领域

本发明属于仿生技术领域，具体涉及一种光致弯曲柔性导电基板及其制备方法。

背景技术

20世纪中期以来，人们越来越深刻认识到大自然的启发对于开发新材料和新技术的重要性，从而提出仿生学概念并建立仿生学这一学科。随着研究的发展，仿生学已成为自然科学的一个前沿和焦点。进入21世纪以来，随着机器人开发的不断深入以及人们对智能机械系统的强烈需求，作为机器人和智能机械系统驱动关键的人工肌肉已成为仿生学的研究重点。肌肉是生物学上可收缩的组织，具有信息传递、能量传递、废物排除、能量供给、传动以及自我修复功能。而人工肌肉是指在光、电、热、磁等激励下会产生弯曲、伸缩等类似自然肌肉的力学形变的材料，可广泛用于仿生机器人、开关、传感器等。

人类很早就致力于仿生物肌肉和人工肌肉的研发了。研发初期，形状记忆合金被尝试作为人工肌肉材料，虽然它具有高能量密度和低比重等特点，但是同样存在许多不利因素，比如形变不可预知性，响应速度慢以及使用尺寸受限等，这些都制约了其在人工肌肉材料方面的发展。点火星陶瓷因响应速度较形状记忆合金快，成为了人工肌肉的另一个备选材料，但是由于脆性大，只能获得小于1%的应变，发展也受到限制。由于材料的问题，人工肌肉一度陷入缓慢发展期，直到一类新型材料电活性聚合物（Electroactive polymers，EAP）的出现。EAP可以产生应变比电活性陶瓷大两个数量级，并且较形状记忆金属响应快、密度小、回弹性大，另外具有类似生物肌肉的高抗撕裂强度及固有的振动阻尼性能等。从上个世界90年初开始，基于电活性聚合物材料的人工肌肉驱动器得到快速发展。电活性聚合物材料是指能够在电流、电压或电场作用下产生物理形变的聚合物材料，其显著特征是能将电能转换为机械能。

2003年，Ikeda和俞燕蕾等人首先报道了光致弯曲液晶弹性体薄膜，研究了紫外光和可见光照射后向列相液晶弹性体薄膜的弯曲和恢复行为。观察液晶弹性体薄膜在紫外光的照射下朝着入射光方向弯曲，可见光照射后薄膜恢复到最初的平展状态。他们发现薄膜的弯曲行为是各向异性的，只沿着摩擦方向弯曲，而且加热和采用量溶剂溶胀的方法以促进分子链段得运动对实现光致弯曲很重要。随后，他们进一步实现了液晶弹性体薄膜的方向可控光致弯曲，使得多畴向列相液晶弹性体薄膜可沿着任意方向重复的弯曲。与二维运动模式的光致收缩相比，光致弯曲模式在人工手臂，微型机器人的应用方面更具优势。光致弯曲薄膜的出现有效的将光能转换为机械能。日本东京工业大学池田富树利用光致弯曲发明了光驱动马达。只要马达的一边持续照射紫外线，在另外一段持续照射可见光，马达即可持续运转。利用光能这一可再生能源，并直接将其转换为机械能将会进一步的促进人工智能材料领域的发展。但是，目前的研究主要是通过光致弯曲产生的薄膜形变，进而作为执行器的动力，通常照明装置也是另外搭建的平台，从而未能真正实现光致弯曲执行器或机器人的一体化和微型化。

到目前为止，基于光致弯曲聚合物材料的导电基板还没有任何相关的报道。该基板可以有机的将光致弯曲柔性衬底和新型导电薄膜结合在一起，为实现光致弯曲执行器与内置光源一体化工作开展提供基础支持。

因此，如果能够制备光致弯曲柔性导电基板就可以实现光致弯曲执行器的一体化和微型化，加快光致弯曲材料在人工肌肉领域的更为广泛的应用和更快速的发展。

发明内容

本发明所要解决的的技术问题是如何提供一种光致弯曲柔性导电基板及其制备方法，该基板既可以作为光致弯曲执行器，又可以作为作为导电薄膜实现导通电路功能，进而可以应用于实现光致弯曲执行器与光源一体化技术上。

本发明的技术方案为：

一种光致弯曲柔性导电基板，包括光致弯曲柔性衬底和导电层，所述光致弯曲柔性衬底为光致弯曲聚合物材料，导电层附着在光致弯曲柔性衬底表面。

进一步地，所述导电层的厚度小于或等于200 nm。

进一步地，所述光致弯曲聚合物材料为交联液晶聚合物、液晶凝胶、液晶弹性体、单相液晶或多相液晶中的一种或者多种。

进一步地，所述导电层为石墨烯、碳纳米管、金属单质纳米线、金属合金纳米线、金属异质结纳米线、氧化锌或聚合物电极材料中的一种或多种。

进一步地，所述金属单质纳米线为铁纳米线、铜纳米线、银纳米线、金纳米线、铝纳米线、镍纳米线、钴纳米线、锰纳米线、镉纳米线、铟纳米线、锡纳米线、钨纳米线或铂纳米线中的一种。

进一步地，所述金属合金纳米线为铜铁合金纳米线、银铁合金纳米线、金铁合金纳米线、铝铁合金纳米线、镍铁合金纳米线、钴铁合金纳米线、锰铁合金纳米线、镉铁合金纳米线、铟铁合金纳米线、锡铁合金纳米线、钨铁合金纳米线、铂铁合金纳米线、银铜合金纳米线、金铜合金纳米线、铝铜合金纳米线、镍铜合金纳米线、钴铜合金纳米线、锰铜合金纳米线、镉铜合金纳米线、银铜合金纳米线、锡铜合金纳米线、钨铜合金纳米线、铂铜合金纳米线、金银合金纳米线、铝银合金纳米线、镍银合金纳米线、钴银合金纳米线、锰银合金纳米线、镉银合金纳米线、铟银合金纳米线、锡银合金纳米线、钨银合金纳米线、铂银合金纳米线、铝金合金纳米线、镍金合金纳米线、钴金合金纳米线、锰金合金纳米线、镉金合金纳米线、铟金合金纳米线、锡金合金纳米线、钨金合金纳米线、钴镍合金纳米线、锰镍合金纳米线、镉镍合金纳米线、铟镍合金纳米线、锡镍合金纳米线、钨镍合金纳米线、铂镍合金纳米线、镉锰合金纳米线、铟锰合金纳米线、锡锰合金纳米线、钨锰合金纳米线、铂锰合金纳米线、铟镉合金纳米线、锡镉合金纳米线、钨镉合金纳米线、铂镉合金纳米线、锡铟合金纳米线、钨铟合金纳米线、铂铟合金纳米线、钨锡合金纳米线、铂锡合金纳米线或铂钨合金纳米线中的一种。

进一步地，所述金属异质结纳米线为铜铁异质结纳米线、银铁异质结纳米线、金铁异质结纳米线、铝铁异质结纳米线、镍铁异质结纳米线、钴铁异质结纳米线、锰铁异质结纳米线、镉铁异质结纳米线、铟铁异质结纳米线、锡铁异质结纳米线、钨铁异质结纳米线、铂铁异质结纳米线、银铜异质结纳米线、金铜异质结纳米线、铝铜异质结纳米线、镍铜异质结纳米线、钴铜异质结纳米线、锰铜异质结纳米线、镉铜异质结纳米线、银铜异质结纳米线、锡铜异质结纳米线、钨铜异质结纳米线、铂铜异质结纳米线、金银异质结纳米线、铝银异质结纳米线、镍银异质结纳米线、钴银异质结纳米线、锰银异质结纳米线、镉银异质结纳米线、铟银异质结纳米线、锡银异质结纳米线、钨银异质结纳米线、铂银异质结纳米线、铝金异质结纳米线、镍金异质结纳米线、钴金异质结纳米线、锰金异质结纳米线、镉金异质结纳米线、铟金异质结纳米线、锡金异质结纳米线、钨金异质结纳米线、钴镍异质结纳米线、锰镍异质结纳米线、镉镍异质结纳米线、铟镍异质结纳米线、锡镍异质结纳米线、钨镍异质结纳米线、铂镍异质结纳米线、镉锰异质结纳米线、铟锰异质结纳米线、锡锰异质结纳米线、钨锰异质结纳米线、铂锰异质结纳米线、铟镉异质结纳米线、锡镉异质结纳米线、钨镉异质结纳米线、铂镉异质结纳米线、锡铟异质结纳米线、钨铟异质结纳米线、铂铟异质结纳米线、钨锡异质结纳米线、铂锡异质结纳米线或铂钨异质结纳米线中的一种。

进一步地，所述聚合电极材料为聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)或3,4-聚乙烯二氧噻吩。

本发明还公开了一种光致弯曲柔性导电基板的制备方法，包括以下步骤：

①              对表面粗糙度小于1 nm的刚性基板（如玻璃或硅片）进行清洗，清洗后用干燥氮气吹干；

②              采取滴涂或旋涂或喷涂或自组装或喷墨打印或丝网印刷或辊涂或的方式在洁净的刚性基板上制备导电层；

③              在导电层上滴涂或旋涂或喷涂光致弯曲聚合物材料；

④              对制备好导电层和光致弯曲柔性衬底的基片进行烘烤，然后采用紫外灯照射聚合；

⑤              将固化粘结后的导电层和光致弯曲柔性衬底从刚性基板表面剥离，形成光致弯曲柔性导电基板；

⑥              用紫外线照射光致弯曲柔性导电基板，根据弯曲特性确定材料液晶取向方向，然后沿取向方向切割材料至标准试件尺寸；

⑦              测试柔性导电基板的光致弯曲特性、方阻和表面形貌。

本发明与现有技术相比具有如下的有益效果：

通过制备同时光致弯曲能力和导电能力的柔性基板，可以实现光致弯曲执行器与光源一体化和微型化，加快光致弯曲材料在人工肌肉领域的更为广泛的应用和更快速的发展。

附图说明

图1是本发明的光致弯曲柔性导电基板的结构示意图；

其中，1、光致弯曲柔性衬底，2、导电层。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

本发明的技术方案是提供一种光致弯曲柔性导电基板及其制备方法，如图1所示，光致弯曲柔性导电基板的结构包括光致弯曲柔性衬底1，导电层2。导电层2通过热交联和紫外固化的方法很好的附着在光致弯曲柔性衬底1表面。

本发明的光致弯曲柔性导电基板中的光致弯曲柔性衬底1在紫外光照射下会弯曲，在可见光照射下会平展，并且可以进行反复多次弯曲和平展测试。光致弯曲聚合物材料采用交联液晶聚合物、液晶凝胶、液晶弹性体、单相液晶、多相液晶中的一种或者多种。

本发明的光致弯曲柔性导电基板中的导电层2要求有较好的导电性能，可见光透过率高，包括石墨烯、碳纳米管、金属单质纳米线、金属合金纳米线、金属异质结纳米线、氧化锌、聚合物电极材料中的一种或多种。

采用本发明制备的光致弯曲柔性导电基板的结构如下：

光致弯曲柔性衬底/导电层

实施例1

如图1所示，基板的光致弯曲柔性衬底1为交联液晶聚合物，导电层2为碳纳米管，所述导电层厚度为200 nm。整个器件结构描述为：

交联液晶聚合物/碳纳米管

制备方法如下：

①              利用丙酮、乙醇溶液和去离子水对表面粗糙度小于1 nm的玻璃基片表面进行超声清洗，清洗后用干燥氮气吹干。

②              采用旋涂的方法制备碳纳米管导电层，旋涂时转速为1000转/秒，时长30s，膜厚200 nm，然后对基片进行130℃热退火；

③              将交联液晶聚合物滴涂在基板上，先将基板加热至100℃，加热10分钟。然后降温至清亮点84℃，用波长为545 nm，光强为2.4 mW/cm²的紫外灯引发下聚合3小时固化。

④              将固化后的光致弯曲柔性导电基板从刚性玻璃上剥离下来，然后采用254 nm紫外线照射，根据弯曲特性，确定液晶取向方向，然后沿取向方向剪裁基板，获得标准尺寸试件。

⑤              将做好的光致弯曲柔性导电基板放置在手套箱中进行测试，手套箱为99.9%的氮气氛围。主要测试柔性导电基板的光致弯曲特性、方阻。

⑥              采用SEM测试薄膜的表面形貌。

实施例2

如图1所示，基板的光致弯曲柔性衬底1为液晶凝胶，导电层为银纳米线，所述导电层厚度为180 nm。整个器件结构描述为：

液晶凝胶/银纳米线

制备流程与实施例1相似。

实施例3

如图1所示，基板的光致弯曲柔性衬底1为液晶弹性体，导电层2为银纳米线，所述导电层的厚度为160 nm。整个器件结构描述为：

液晶弹性体/金纳米线

制备流程与实施例1相似。

实施例4

如图1所示，基板的光致弯曲柔性衬底1为单相液晶，导电层2为铜纳米线，所述导电层的厚度为140 nm。整个器件结构描述为：

单相液晶/铜纳米线

制备流程与实施例1相似。

实施例5

如图1所示，基板的光致弯曲柔性衬底1为多相液晶，导电层2为聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)，所述导电层的厚度为120 nm。整个器件结构描述为：

多相液晶/聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)

制备流程与实施例1相似。

实施例6

如图1所示，基板的光致弯曲柔性衬底1为多相液晶，导电层2为聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)与银纳米线混合导电薄膜，所述导电层的厚度为100 nm。整个器件结构描述为：

多相液晶/聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)：银纳米线

制备流程与实施例1相似。

实施例7

如图1所示，基板的光致弯曲柔性衬底1为单相液晶，导电层2为氧化锌，所述导电层的厚度为80 nm。整个器件结构描述为：

单相液晶/氧化锌

制备流程与实施例1相似。

实施例8

如图1所示，基板的光致弯曲柔性衬底1为液晶弹性体，导电层2为石墨烯与银纳米线混合导电薄膜，所述导电层的厚度为60 nm。整个器件结构描述为：

液晶弹性体/石墨烯：银纳米线

制备流程与实施例1相似。

实施例9

如图1所示，基板的光致弯曲柔性衬底1为液晶凝胶，导电层为聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)与石墨烯混合导电薄膜，所述导电层的厚度为40 nm。整个器件结构描述为：

液晶凝胶/聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)：石墨烯

制备流程与实施例1相似。

实施例10

如图1所示，基板的光致弯曲柔性衬底1为液晶弹性体，导电层2为石墨烯，所述导电层的厚度为10 nm。整个器件结构描述为：

液晶弹性体/石墨烯

制备流程与实施例1相似。

实施例11

如图1所示，基板的光致弯曲柔性衬底1为单相液晶，导电层2为金银合金纳米线，所述导电层的厚度为90 nm。整个器件结构描述为：

单相液晶/金银合金纳米线

制备流程与实施例1相似。

实施例12

如图1所示，基板的光致弯曲柔性衬底1为单相液晶，导电层2为金银合金纳米线与石墨烯混合导电薄膜，所述导电层的厚度为150 nm。整个器件结构描述为：

单相液晶/金银合金纳米线：石墨烯

制备流程与实施例1相似。

实施例13

如图1所示，基板的光致弯曲柔性衬底1为多相液晶，导电层2为金铜合金纳米线，所述导电层的厚度为130 nm。整个器件结构描述为：

多相液晶/金铜合金纳米线

制备流程与实施例1相似。

实施例14

如图1所示，基板的光致弯曲柔性衬底1为多相液晶，导电层2为银铜合金纳米线。整个器件结构描述为：

多相液晶/银铜合金纳米线（135 nm）

制备流程与实施例1相似。

实施例15

如图1所示，基板的光致弯曲柔性衬底1为液晶弹性体，导电层2为镍银合金纳米线，所述导电层的厚度为110 nm。整个器件结构描述为：

液晶弹性体/镍银合金纳米线

制备流程与实施例1相似。

实施例16

如图1所示，基板的光致弯曲柔性衬底1为液晶弹性体，导电层为银镍合金纳米线，所述导电层的厚度为170 nm。整个器件结构描述为：

液晶弹性体/银镍合金纳米线

制备流程与实施例1相似。

实施例17

如图1所示，基板的光致弯曲柔性衬底1为液晶弹性体，导电层为银镍异质结纳米线，所述导电层厚度为120 nm。整个器件结构描述为：

液晶弹性体/银镍异质结纳米线

制备流程与实施例1相似。

实施例18

如图1所示，基板的光致弯曲柔性衬底1为液晶凝胶，导电层为铜钴异质结纳米线，所述导电层的厚度为170 nm。整个器件结构描述为：

液晶弹性体/铜钴异质结纳米线（90 nm）

制备流程与实施例1相似。

实施例19

如图1所示，基板的光致弯曲柔性衬底1为多相液晶，导电层为钨镍异质结纳米线，所述导电层厚度为50 nm。整个器件结构描述为：

液晶弹性体/钨镍异质结纳米线

制备流程与实施例1相似。

实施例20

如图1所示，基板的光致弯曲柔性衬底1为多相液晶，导电层为钨镍异质结纳米线与石墨烯混合导电薄膜，所述导电层厚度为110 nm。整个器件结构描述为：

液晶弹性体/钨镍异质结纳米线：石墨烯

制备流程与实施例1相似。

Claims (9)

1.一种光致弯曲柔性导电基板，其特征在于：包括光致弯曲柔性衬底和导电层，所述光致弯曲柔性衬底为光致弯曲聚合物材料，导电层附着在光致弯曲柔性衬底表面。

2.根据权利要求1所述的一种光致弯曲柔性导电基板，其特征在于：所述光致弯曲聚合物材料为交联液晶聚合物、液晶凝胶、液晶弹性体、单相液晶或多相液晶中的一种或者多种。

3.根据权利要求1所述的一种光致弯曲柔性导电基板，其特征在于：所述导电层的厚度小于或等于200 nm。

4.根据权利要求1所述的一种光致弯曲柔性导电基板，其特征在于：所述导电层为石墨烯、碳纳米管、金属单质纳米线、金属合金纳米线、金属异质结纳米线、氧化锌或聚合物电极材料中的一种或多种。

5.根据权利要求4所述的一种光致弯曲柔性导电基板，其特征在于：所述金属单质纳米线为铁纳米线、铜纳米线、银纳米线、金纳米线、铝纳米线、镍纳米线、钴纳米线、锰纳米线、镉纳米线、铟纳米线、锡纳米线、钨纳米线或铂纳米线中的一种。

6.根据权利要求4所述的一种光致弯曲柔性导电基板，其特征在于：所述金属合金纳米线为铜铁合金纳米线、银铁合金纳米线、金铁合金纳米线、铝铁合金纳米线、镍铁合金纳米线、钴铁合金纳米线、锰铁合金纳米线、镉铁合金纳米线、铟铁合金纳米线、锡铁合金纳米线、钨铁合金纳米线、铂铁合金纳米线、银铜合金纳米线、金铜合金纳米线、铝铜合金纳米线、镍铜合金纳米线、钴铜合金纳米线、锰铜合金纳米线、镉铜合金纳米线、银铜合金纳米线、锡铜合金纳米线、钨铜合金纳米线、铂铜合金纳米线、金银合金纳米线、铝银合金纳米线、镍银合金纳米线、钴银合金纳米线、锰银合金纳米线、镉银合金纳米线、铟银合金纳米线、锡银合金纳米线、钨银合金纳米线、铂银合金纳米线、铝金合金纳米线、镍金合金纳米线、钴金合金纳米线、锰金合金纳米线、镉金合金纳米线、铟金合金纳米线、锡金合金纳米线、钨金合金纳米线、钴镍合金纳米线、锰镍合金纳米线、镉镍合金纳米线、铟镍合金纳米线、锡镍合金纳米线、钨镍合金纳米线、铂镍合金纳米线、镉锰合金纳米线、铟锰合金纳米线、锡锰合金纳米线、钨锰合金纳米线、铂锰合金纳米线、铟镉合金纳米线、锡镉合金纳米线、钨镉合金纳米线、铂镉合金纳米线、锡铟合金纳米线、钨铟合金纳米线、铂铟合金纳米线、钨锡合金纳米线、铂锡合金纳米线或铂钨合金纳米线中的一种。

7.根据权利要求4所述的一种光致弯曲柔性导电基板，其特征在于：所述金属异质结纳米线为铜铁异质结纳米线、银铁异质结纳米线、金铁异质结纳米线、铝铁异质结纳米线、镍铁异质结纳米线、钴铁异质结纳米线、锰铁异质结纳米线、镉铁异质结纳米线、铟铁异质结纳米线、锡铁异质结纳米线、钨铁异质结纳米线、铂铁异质结纳米线、银铜异质结纳米线、金铜异质结纳米线、铝铜异质结纳米线、镍铜异质结纳米线、钴铜异质结纳米线、锰铜异质结纳米线、镉铜异质结纳米线、银铜异质结纳米线、锡铜异质结纳米线、钨铜异质结纳米线、铂铜异质结纳米线、金银异质结纳米线、铝银异质结纳米线、镍银异质结纳米线、钴银异质结纳米线、锰银异质结纳米线、镉银异质结纳米线、铟银异质结纳米线、锡银异质结纳米线、钨银异质结纳米线、铂银异质结纳米线、铝金异质结纳米线、镍金异质结纳米线、钴金异质结纳米线、锰金异质结纳米线、镉金异质结纳米线、铟金异质结纳米线、锡金异质结纳米线、钨金异质结纳米线、钴镍异质结纳米线、锰镍异质结纳米线、镉镍异质结纳米线、铟镍异质结纳米线、锡镍异质结纳米线、钨镍异质结纳米线、铂镍异质结纳米线、镉锰异质结纳米线、铟锰异质结纳米线、锡锰异质结纳米线、钨锰异质结纳米线、铂锰异质结纳米线、铟镉异质结纳米线、锡镉异质结纳米线、钨镉异质结纳米线、铂镉异质结纳米线、锡铟异质结纳米线、钨铟异质结纳米线、铂铟异质结纳米线、钨锡异质结纳米线、铂锡异质结纳米线或铂钨异质结纳米线中的一种。

8. 根据权利要求4所述的一种光致弯曲柔性导电基板，其特征在于：所述聚合电极材料为聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)或3,4-聚乙烯二氧噻吩。

9.一种光致弯曲柔性导电基板的制备方法，包括以下步骤：

①              对表面粗糙度小于1 nm的刚性基板进行清洗，清洗后用干燥氮气吹干；

②              采取滴涂或旋涂或喷涂或自组装或喷墨打印或丝网印刷或辊涂或的方式在洁净的刚性基板上制备导电层；

③              在导电层上滴涂或旋涂或喷涂光致弯曲聚合物材料；

④              对制备好导电层和光致弯曲柔性衬底的基片进行烘烤，然后采用紫外灯照射聚合；

⑤              将固化粘结后的导电层和光致弯曲柔性衬底从刚性基板表面剥离，形成光致弯曲柔性导电基板；

⑥   用紫外线照射光致弯曲柔性导电基板，根据弯曲特性确定材料液晶取向方向，然后沿取向方向切割材料至标准试件尺寸；

⑦   测试柔性导电基板的光致弯曲特性、方阻和表面形貌。

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