CN104613303B - 基于电活性软物质的可控面外变形单元 - Google Patents

Abstract

一种基于电活性软物质的可控面外变形单元，包括盖片、电活性软物质厚膜元、底盒和两组接线端子。其中，所述两组接线端子分别嵌装在底盒两侧边框外表面的框板上。所述电活性软物质厚膜元位于该底盒内底板上。在所述电活性软物质厚膜元的上表面的部分区域和下表面的部分区域分别涂覆有柔性电极涂层；在位于电活性软物质厚膜元的上表面的柔性电极涂层上均覆盖有盖片。本发明对电活性软物质材料厚膜的驱动采用间隔分布式柔性电极涂层，获得了可控的面外变形，根据使用要求将本发明组合，使其对复杂表面具有更好的适应性。

Description

基于电活性软物质的可控面外变形单元

技术领域

本发明涉及软物质材料应用技术领域，具体是一种应用电活性软物质厚膜产生可调控面外变形的结构单元。

背景技术

具有电活性的高分子聚合物材料(Electric Active Polymer，EAP)属于软物质材料的一类，其本身具有电活性、柔韧性好、重量轻、性质稳定、可透光、材料成本低廉等优点。目前对EAP比如介电高弹聚合物(Dielectric Elastomer,DE)材料应用技术研究的相关文献主要集中在将其制成各种形式的作动器(Dielectric Elastomer Actuators,DEAs)，比如2006年Plante等人在期刊“International Journal of Solids and Structures”发表的“Large-scale failure modes of dielectric elastomer actuators”论文中论述的就是典型的DEAs。已有的这类DEAs中均采用的是连续分布的柔性电极，利用的是DE材料膜的面内变形产生驱动效果。目前还未有见有关利用EAP材料产生可以调节控制面外变形的文献或专利公开发表，而产生可调控的面外变形对结构物面三维纹理形貌调控应用具有重要价值。

目前人工设计的具有特殊物面特性物面三维纹理形貌的实现主要有两种方式，一种是采用机械加工形式直接在结构表面产生所需要的三维纹理形貌，如2008年韩鑫等在“中国科学”发表的“鲨鱼皮复制工艺研究”论文中应用的微压印和微塑铸工艺都属于这种方式。另一种方式是通过在结构表面粘贴具有已成形纹理形貌的附加层方式获得需要的纹理形貌，如1995年李育斌等在“气动实验与测量控制”发表的“运七飞机外表面沟纹膜减阻的实验研究”中就是采用预制好的沟纹膜粘贴在飞机表面实现对飞机表面纹理特性改变，达到减小表面阻力的目的。对于第一种方式，由于依赖于传统的机械加工方式，因而使得能获得的纹理形貌在几何尺度上受到限制，而且在面对一些具有复杂曲面构型的结构表面时，机械加工产生特定的物面三维纹理形貌的方式可能无法实施。此外，这两种方式获得的物面纹理形貌模式固定、尺度单一，而这种固定模式的纹理形貌对外界环境条件变化的功能适应性差。

发明内容

为克服现有技术中存在的加工性差和对外界环境条件变化的功能适应性差的不足，本发明提出了一种基于电活性软物质的可控面外变形单元。

本发明包括盖片、电活性软物质厚膜元、底盒和两组接线端子。其中，所述两组接线端子分别嵌装在底盒两侧边框外表面的框板上。所述电活性软物质厚膜元位于该底盒内底板上。在所述电活性软物质厚膜元的上表面的部分区域和下表面的部分区域分别涂覆有柔性电极涂层；在位于电活性软物质厚膜元的上表面的柔性电极涂层上均覆盖有盖片。

所述柔性电极涂层的涂覆区域为矩形或圆形；当所述柔性电极涂层的涂覆区域为矩形时，该涂覆区域为所述电活性软物质厚膜元的上表面的两侧边处和下表面的两侧边处；当所述的涂覆区域为圆形时，在所述电活性软物质厚膜元的上表面中心圆形区域以外和下表面中心的圆形区域以外的表面涂覆有柔性电极涂层。

当所述所述的涂覆区域为矩形时，覆盖在所述涂覆区域上的盖片为两片矩形盖片；当所述所述的涂覆区域为圆形时，覆盖在所述涂覆区域上的盖片为一片，并且该盖片的中部开有圆形孔，该圆形孔的直径小于未涂覆柔性电极涂层区域的直径。

所述底盒内腔的高度为所述电活性软物质厚膜元与柔性电极涂层的厚度之和。在所述底盒相对称的两侧边框框板上分别有4个嵌装接线端子的安装槽，在各安装槽的槽底部分别有贯通所在边框框板的导线过孔。

所述每侧边框框板上的安装槽分为2组，其中位于各边框框板两端的2个安装槽用于安装第一组接线端子，位于各边框框板中间的2个安装槽用于安装第二组接线端子。

本发明是利用电活性软物质(如DE材料)厚膜单元产生可调控的面外变形，通过设计制作的物面调控单元，实现对物面三维纹理形貌的“可控重塑调节”，从而达到改变结构表面的光学、亲/疏水性、粘附性、表面阻力特性等物面特性，实现对物面特性进行调节和控制的目的。

为了实现上述目的，本发明提出设计制作可产生可控面外变形的电活性软物质材料厚膜结构单元，这里称其为物面调控单元。物面调控单元的基本外形为具有一定厚度的四边形片状构型。物面调控单元包括盖片、柔性电极涂层、变形厚膜元、底盒、和两组接线端子。变形厚膜单元为电活性软质厚膜，上下表面对称设置有间隔分布式柔性电极涂层；底盒为无上端盖面，具有一定壁厚的深度的正四边形盒体结构；盖片为具有一定厚度的正四边形薄片，两片盖片的面积之和小于底盒上端面面积，不完全覆盖底盒上表面，而是盖上后为变形厚膜元产生面外变形预留了开口区域；盖片与底盒选用绝缘材料，如尼龙、PVC、亚克力等制成。盖片与底盒构成了物面调控单元的外壳，主要对变形厚膜元提供基本结构支持。底盒底面为物面调控单元与被控物面提供粘接面。接线端子为具有一定直径的裸导线段，嵌装在底盒侧边的浅槽中，底盒侧边框开有小孔用于导线通过，细导线将柔性电极涂层与接线端子相连，为柔性电极与外部电路连接提供接口。

物面调控单元产生面外变形的机理可简要解释为：在通过间隔分布式柔性电极对软物质厚膜元施加驱动电压时，有柔性电极涂层覆盖区域的软物质厚膜材料由于Maxwell效应受到厚度方向挤压，厚度方向挤压使其厚度减小面积增大；没有柔性电极涂层覆盖区域两侧或周围是有柔性电极涂层覆盖的区域，有柔性电极涂层覆盖区域的软物质厚膜发生面积增大，对没有柔性电极涂层覆盖区域的软物质厚膜从两侧或周围产生推挤驱动作用，没有柔性电极涂层覆盖区域的软物质厚膜是自由无约束的，因此没有柔性电极覆盖区域的软物质厚膜受到推挤驱动会发生弯曲产生面外变形。

本发明在物面调控单元尺寸的确定在兼顾成本的同时还要考虑被调控物面的具体情况。这一阶段还要进行物面调控单元中电活性软物质变形厚膜元的参数设计，选定定变形膜元的厚度，确定间隔分布式柔性电极的形式和具体参数。这些设计工作可以通过有限元软件仿真的方式来辅助进行。变形厚膜元采用电活性软物质厚膜的厚度一般在毫米量级，变形元上下表面对应的设置有间隔分布的柔性电极，中间没有柔性电极分布的面积占总表面积的60％，柔性电极覆盖了这部分面积两边的各占20％表面积。

间隔分布式柔性电极涂层的形式可分为两种：一种称为条纹间隔式，即柔性电极涂层覆盖区与没有其覆盖的区域呈条纹状间隔分布，这种分布形式可产生条纹状凸梗或凹槽的面外变形；一种称为按钮式，即没有柔性电极涂层覆盖的区域呈圆形，这种分布形式可产生鼓包凸起或凹坑的面外变形。

实际使用时需根据结构物面的实际情况，组合配置一定数量物面调控单元覆盖被调控结构表面，通过施加驱动电压产生可调控的面外变形，重塑结构表面的纹理形貌，进而达到调控结构表面物面特性的目的。

本发明提出的物面调控单元可用于结构表面3D纹理形貌调控，可通过改变结构表面纹理形貌实现对结构物面特性(如光学、亲/疏水性、粘附性、表面阻力特性等)的调节控制。具有在航行器表面减阻、机器人面部仿人表情实现、交互式触摸显示、大型建筑玻璃幕墙自清洁、户外监控摄像防护罩自清洁等方面应用的潜力。

本发明的物面调控单元采用间隔分布式的柔性电极，采用电活性软物质(如DE材料)膜为变形元，到达产生可调控的面外变形能力的效果。将这种物面调控单元组合起来覆盖结构表面并协同工作，可实现结构表面纹理形貌的重塑，从而达到人工调控结构物面特性的目的。本发明将为改善物面特性技术提供一种新途径，可实现物面纹理形貌的实时调节控制，与传统固定尺度物面纹理形貌相比其调控尺度将得到拓宽，还有望进一步拓宽物面特性调控技术应用的适用场合。

具体而言，本发明产生了如下两方面的效果：

(1)物面调控单元中对电活性软物质材料厚膜的驱动采用间隔分布式柔性电极涂层。通过这种设计获得了可控的面外变形。主要的变形机制为，有柔性电极覆盖区域的软物质材料由于Maxwell效应受到厚度方向挤压，厚度方向挤压使其面积增大，对没有柔性电极覆盖区域的软物质材料产生推挤驱动作用，没有柔性电极覆盖的软物质厚膜元表面自由无约束，在周围材料推挤作用下会发生弯曲而产生面外变形。软物质本身质地柔韧，取消驱动电压后这种面外变形可以恢复，而且在一定范围内驱动电压越大产生的面外变形量就越大。

(2)由具有电活性的软物质材料制成物面调控单元，实际使用时采用单元组合形式覆盖被调控物面。物面调控单元设计将根据实际需要的物面纹理形貌调控尺度要求，结合所要覆盖具体结构表面情况确定实际的尺寸及布置形式。采用物面调控单元模块化的设计和模块化组合的应用方式，使得其对复杂表面的适应性更好，这种模块化的设计在使用中具有较好的可维护性，并一定程度上增加了系统的可靠性。

物面调控单元采用电活性软物质为变形元的优点在于，获得重塑结构表面形貌面外变形的几何形貌可设计，几何尺度可调控。面外变形的几何尺度可通过调节驱动电压实现实时调控，同时还可以通过设计改变电活性软物质膜的厚度、间隔分布电极的间隔尺寸以及驱动电压等参数，来设计这种面外变形的尺度，几何形貌则是通过不同形式柔性电极间隔分布进行设计，以达到不同的表面形貌调控效果要求。如果采用动态驱动电压，这些物面调控单元还可以在动态模式下产生一些对结构物面特性改善的效果。

为验证本发明设计的物面调控单元产生可控面外变形的效果，这里采用通用商业有限元程序MSC.Patran/Nastran进行了物面调控单元面外变形仿真计算。仿真算例采用了厚度为1mm，长度和宽度分别为50mm和20mm的DE材料厚膜作为物面调控单元的变形厚膜元，材料参数设定为：弹性模量1.0MPa，泊松比0.5。仿真结果如图4所示，结果表明物面调控单元产生了最大高度为2.2mm的面外凸起变形。该仿真算例表明采用本发明所提出的间隔分布式的柔性电极，可以使电活性软物质产生受驱动电压控制的面外变形。

附图说明

图1是物面调控单元外观图；

图2是物面调控单元的零部件爆炸图；

图3是物面调控单元的剖面图；

图4是物面调控单元面外变形有限元仿真结果；

图5是实施例二的示意图，其中图5a是主视图，图5b是图5a的侧视图。

图中：1.盖片；2.柔性电极涂层；3.电活性软物质厚膜元；4.底盒；5.第一组接线端子；6.第二组接线端子。

具体实施方式

实施例1：

本实施例是一种基于电活性软物质的可控面外变形调控单元。

本实施例包括2片盖片1、电活性软物质厚膜元3、底盒4和两组接线端子。其中，所述底盒为方形。所述两组接线端子分别嵌装在底盒4两侧边框外表面的框板上。所述电活性软物质厚膜元3位于该底盒4内底板上。在所述电活性软物质厚膜元3的上表面的两侧边处和下表面的两侧边处分别对称的涂覆有柔性电极涂层2，所涂覆的柔性电极涂层的涂覆面为矩形，涂覆宽度分别为所述电活性软物质厚膜元宽度的20％；所涂覆的柔性电极涂层的一个长边分别与各嵌装有接线端子的底盒两侧边框的框板相邻。2片盖片1分别覆盖在位于电活性软物质厚膜元上表面的柔性电极涂层2的表面。

所述底盒4选用透明亚克力材料制成，该底盒内腔的尺寸与电活性软物质厚膜元3的外形尺寸相同，底盒4内腔的高度为所述电活性软物质厚膜元3与柔性电极涂层2的厚度之和。在所述底盒相对称的两侧边框框板上分别有4个嵌装接线端子的安装槽，在各安装槽的槽底部分别有贯通所在边框框板的导线过孔。所述每侧边框框板上的4个安装槽分为2组，其中位于各边框框板两端的2个安装槽用于安装第一组接线端子5，位于各边框框板中间的2个安装槽用于安装第二组接线端子6。通过导线将位于第一组接线端子5分别与位于所述电活性软物质厚膜元下表面的柔性电极涂层连接，使用时该第一组组接线端子与电源负极连接；通过导线将第二组接线端子6分别与位于所述电活性软物质厚膜元上表面的柔性电极涂层连接，使用时该第二组接线端子与电源正极连接。为防止分别与电源正负极连接的接线端子之间短路，两组相邻的接线端子之间须保持安全距离。安装时先将变形厚膜元表面柔性电极涂层与导线相连，之后将变形厚膜元放入底盒，将导线通过底盒边框的导线过孔传出后与接线端子连接，最后将两组接线端子嵌装入各安装槽内。

所述2块盖片1选用透明亚克力材料制成，均为矩形，长度均与底盒4最大边长的长度相同，宽度大于所述柔性电极涂层的宽度，本实施例中，所述盖片的宽度分别为所述电活性软物质厚膜元宽度的25％。

所述柔性电极涂层选用碳脂或者石墨膏。涂覆厚度为0.1mm。本实施例中，所述柔性电极涂层选用碳脂。

所述接线端子采用常规的铜质导线制成。该接线端子的直径为0.5mm。将铜质裸导线截成小段，将导线的一端用导电胶粘接在所述接线端子上，将导线的另一端穿过底盒边框框板上的导线过孔与柔性电极涂层粘接。所述导线的直径为0.2mm。

制作本实施例的过程如下：

第一步，制作盖片2片，盖片的厚度为1mm，宽度5mm，长度20mm，材料选用透明亚克力材料。

第二步，制备变形厚膜元。选用3M公司生产的VHB 4910材料。变形厚膜元的膜片为正方形，厚度为1mm，边长为18mm。上表面柔性电极的分布情况如图2所示，柔性电极涂层覆盖区域的宽度为4mm，长度为18mm。柔性电极涂层采用碳脂材料，将其均匀涂覆于设计的需要覆盖区域，上表面与下表面的涂覆区域对应相同。

第三步，制作底盒。所述底盒无上盖，采用透明亚克力材料制成。边框的厚度为1mm，内腔的深度为1.2mm，边长为20mm。

第四步，制作接线端子。接线端子由直径0.5mm的铜质裸导线切段制成。所述接线端子包括两组第一组接线端子和两组第二组接线端子。

第五步，组装物面调控单元。将变形厚膜元的上表面柔性电极涂层与直径为0.2mm的细导线采用导电胶粘接，将变形厚膜元的下表面柔性电极涂层与细导线采用导电胶粘接；接着将变形厚膜元放入底盒，同时将细导线穿过底盒边框框板的导线过孔，将变形厚膜元四周侧立面与底盒边框框板内立面用绝缘胶粘结起来；将第一组接线端子与变形厚膜元下表面柔性电极涂层通过细导线连接，第二组接线端子与变形厚膜元上表面柔性电极涂层通过细导线连接。最后将所述各组接线端子分别嵌装入底盒相对的两侧边框框板上的接线端子安装槽内。最后将盖片粘贴到底盒上端两侧，中间留有开放区域与变形厚膜元没有涂覆柔性电极涂层区域对应。

至此，一个具有产生可控面外变形功能的物面调控单元就制作完成了。

实施例2：

本实施例是一种能够产生投影为圆形的凸起变形的物面调控单元。

本实施例包括盖片1、电活性软物质厚膜元3、底盒4和两组接线端子。其中，所述底盒为方形。所述两组接线端子分别嵌装在底盒4两侧边框外表面的框板上。所述电活性软物质厚膜元3位于该底盒4内底板上。在所述电活性软物质厚膜元3的上表面中心直径为12mm的圆形区域以外和下表面中心直径为12mm的圆形区域以外的表面涂覆有柔性电极涂层2。

盖片1为一块中部开有直径为10mm圆形孔的方形薄片，该盖片1的边长与底盒4的边长的最大值相等。将所述盖片1覆盖在涂覆有柔性电极涂层2的电活性软物质厚膜元的上表面，并使盖片1中心的孔与所述电活性软物质厚膜元3上表面中心未涂覆柔性电极涂层的圆形区域同心，该圆心为厚膜元3表面的几何形心。

所述底盒4的结构特征与实施例1中底盒的结构特征相同。所述两组接线端子与电源的连接方式亦与实施例1中两组接线端子与电源的连接方式相同。

所述底盒4选用透明亚克力材料制成，该底盒内腔的尺寸与电活性软物质厚膜元3的外形尺寸相同，底盒4内腔的高度为所述电活性软物质厚膜元与柔性电极涂层2的厚度之和。在所述底盒相对称的两侧边框框板上分别有4个嵌装接线端子的安装槽，在各安装槽的槽底部分别有贯通所在边框框板的导线过孔。所述每侧边框框板上的4个安装槽分为2组，其中位于各边框框板两端的2个安装槽用于安装第一组接线端子5，位于各边框框板中间的2个安装槽用于安装第二组接线端子6。通过导线将位于第一组接线端子分别与位于所述电活性软物质厚膜元下表面的柔性电极涂层连接，使用时该第一组组接线端子与电源负极连接；通过导线将第二组接线端子分别与位于所述电活性软物质厚膜元上表面的柔性电极涂层连接，使用时该第二组接线端子与电源正极连接。为防止分别与电源正负极连接的接线端子之间短路，两组相邻的接线端子之间须保持安全距离。安装时先将变形厚膜元表面柔性电极涂层与导线相连，之后将变形厚膜元放入底盒，将导线通过底盒边框的导线过孔传出后与接线端子连接，最后将两组接线端子嵌装入各安装槽内。

所述盖片1选用透明亚克力材料制成，均为矩形，长度均与底盒4最大边长的长度相同，盖片中心孔的孔径小于在所述电活性软物质厚膜元3的上表面中心和下表面中心未涂覆柔性电极涂层2区域的直径。

所述柔性电极涂层选用碳脂或者石墨膏。涂覆厚度为0.1mm。本实施例中，所述柔性电极涂层选用石墨膏。

所述接线端子采用常规的铜质导线制成。该接线端子的直径为0.5mm。将铜质裸导线截成小段，将导线的一端用导电胶粘接在所述接线端子上，将导线的另一端穿过底盒边框框板上的导线过孔与柔性电极涂层粘接。所述导线的直径为0.2mm。

制作本实施例的具体过程如下：

第一步，制作盖片1片，盖片的厚度为1mm，长度20mm，材料选用透明亚克力材料。盖片中部以其形心为圆心开直径为10mm的圆孔。

第二步，制备变形厚膜元。选用3M公司生产的VHB 4910材料。变形厚膜元的膜片为正方形，厚度为1mm，边长为18mm。上表面柔性电极的分布情况如图5所示，柔性电极涂层设置完毕后使得没有柔性电极涂层覆盖区域为直径是12mm的圆形，该圆形的圆心为厚膜元上表面几何形心。柔性电极涂层采用碳脂材料，将其均匀涂覆于设计的需要覆盖区域，上表面与下表面的涂覆区域对应相同。

第三步，制作底盒。所述底盒无上盖，采用透明亚克力材料制成。边框的厚度为1mm，内腔的深度为1.2mm，边长为20mm。

第四步，制作接线端子。接线端子由直径0.5mm的铜质裸导线切段制成。所述接线端子包括两组第一组接线端子和两组第二组接线端子。

第五步，组装物面调控单元。组装过程与实施例1的第五步相同。

至此，实施例2的物面调控单元就制作完成了。与实施例1所产生的面外凸起变形的矩形底边形状不同，实施例2的面外凸起变形底边为圆形。即实施例1产生的面外变形的投影形状为矩形，实施例2产生的面外变形的投影形状为圆形。

Claims (3)

1.一种基于电活性软物质的可控面外变形单元，其特征在于，包括盖片、电活性软物质厚膜元、底盒和两组接线端子；其中，所述两组接线端子分别嵌装在底盒两侧边框外表面的框板上；所述电活性软物质厚膜元位于该底盒内底板上；在所述电活性软物质厚膜元的上表面的部分区域和下表面的部分区域分别涂覆有柔性电极涂层；在位于电活性软物质厚膜元的上表面的柔性电极涂层上均覆盖有盖片；所述两组接线端子中的第一组接线端子与所述电活性软物质厚膜元下表面的柔性电极涂层连接，所述两组接线端子中的第二组接线端子与所述电活性软物质厚膜元上表面的柔性电极涂层连接；

所述柔性电极涂层的涂覆区域为矩形或圆形；当所述柔性电极涂层的涂覆区域为矩形时，该涂覆区域为所述电活性软物质厚膜元的上表面的两侧边处和下表面的两侧边处；当所述的涂覆区域为圆形时，在所述电活性软物质厚膜元的上表面中心圆形区域以外和下表面中心的圆形区域以外的表面涂覆有柔性电极涂层；

当所述的涂覆区域为矩形时，覆盖在所述涂覆区域上的盖片为两片矩形盖片；

当所述的涂覆区域为圆形时，覆盖在所述涂覆区域上的盖片为一片，并且该盖片的中部开有圆形孔，该圆形孔的直径小于未涂覆柔性电极涂层区域的直径。

2.如权利要求1所述基于电活性软物质的可控面外变形单元，其特征在于，所述底盒内腔的高度为所述电活性软物质厚膜元与柔性电极涂层的厚度之和；在所述底盒相对称的两侧边框框板上分别有个嵌装接线端子的安装槽，在各安装槽的槽底部分别有贯通所在边框框板的导线过孔。

3.如权利要求2所述基于电活性软物质的可控面外变形单元，其特征在于，所述每侧边框框板上的安装槽分为2组，其中位于各边框框板两端的2个安装槽用于安装第一组接线端子，位于各边框框板中间的2个安装槽用于安装第二组接线端子。