CN104912760B - 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 - Google Patents

Abstract

一种热力气动型致动器及其制备方法，由高分子薄膜封装电热材料而成，所述电热材料为纳米材料组成的导电泡沫材料，具有1.0～100mg/cm³的表观密度，电导率为6×10^‑4～30S/cm。本发明的热力气动型致动器所用的导电泡沫材料具有大的孔隙率、优异结构稳定性等特点；且泡沫材料导电性可控。

Description

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

技术领域

本发明属于智能致动器领域，特别涉及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。

背景技术

电热型致动器可以实现电能向机械能的转变，其工作原理是首先通过电热材料将电能转换为热能，在热的作用下引起致动材料膨胀变形，产生致动现象。根据其致动方式的不同可分为：热膨胀型和热力气动型。

热膨胀型致动器是电热材料与致动材料为一体的致动器，致动材料主要为导电填料与聚合物的导电复合材料。加电压后，复合材料产生焦耳热使得材料温度升高引起自身体积膨胀，实现致动。如Chen等(L.Z.Chen,C.H.Liu et al.Electrothermal actuationbased on carbon nanotubes network in silicone elastomer [J].Apl.Phys.Lett.,2008,92,263104)以及Hu等(Y.Hu,G.Wang et al.Low-voltage-driven sustainableweightlifting actuator based on polymer-nanotube composite[J].Macromol.Chem.Phys.,2011,212,1671)利用碳纳米管与硅橡胶的纳米复合材料制备了该类致动器，并显示了很好的类似拱桥型的致动。然而这类致动器存在几个问题，主要为驱动电压较高(几十伏)；致动过程中复合材料的温度较高(～200℃)，容易引起高温下材料的老化失效；此外，材料的热变形主要来源于分子链段的热运动，所需的响应时间长(几秒甚至几十秒)等，这严重限制了其应用范围。

热力气动型致动器是另一类常用的电热型致动器。该类致动器主要由三部分组成，分别是电热材料，密闭的空腔(存储空气)以及兼具密闭和致动作用的高分子弹性薄膜。常用的电热材料为金属片或者是氧化铟锡(ITO)涂覆的玻璃片，当在电热材料两端加载电压时，电热材料产生焦耳热，温度升高并同时加热密闭空腔中气体，气体受热膨胀导致高分子薄膜产生变形，实现致动(Yao-Joe Yang,Hsin-Hung Liao,Development andcharacterization of thermopneumatic peristaltic micropumps[J].J.Micromech.Microeng.2009,19,025003；Jin-Ho Kim,Kwang-Ho Na et al.Adisposable thermopneumatic-actuated micropump stacked with PDMS layers andITO-coated glass[J].Sensors and Actuators A,2005,120,365；AnsgarWego,LienhardPagel.A self-filling micropump based on PCB technology[J].Sensors andActuators A,2001,88,220)。与热膨胀型致动器相比，该类致动器由于是膨胀空气引起致动，因此所需的温度变化相对较小，且响应速度也较快。但现有的电热材料多为二维的薄片，其体积仅占密闭空腔的一小部分，易造成热量分布不均匀，加热效率较低等问题。

碳纳米材料或金属纳米材料往往具有优异的力学，电学，热学等性能。通过近些年发展的方法，如水热法(Xu Y，Gaoquan Shi,etal.Self-assembled graphene hydrogelvia a one-step hydrothermal process[J].Acs Nano,2010,4,4324)，模板法(Kuang J,Liu L,Gao Y,Zhou D,Chen Z,Han B,et al.A hierarchically structured graphenefoam and its potential as a large-scale strain-gauge sensor.[J]Nanoscale2013；5,12171.Gao H-L,Xu L,Long F,et al.Macroscopic free-standing hierarchical3d architectures assembled from silver nanowires by ice templating[J].Angew.Chem.Inter.Ed..2014；53,4561.)以及化学气相沉积法(Zongping Chen,Hui-MingCheng,etal.Three-dimensional flexible and conductive interconnected graphenenetworks by chemical vapor deposition[J].Nat.Mater,2011,10,424；Gui X,Cao A,Wei J,et al.Soft,highly conductive nanotube sponges and composites withcontrolled compressibility[J].Acs Nano.2010；4，2320.)制备，这些纳米材料能够很好的构筑成三维宏观泡沫。这种泡沫中微小的空腔能够用来储存空气，同时泡沫孔壁能够对其实现快速均匀的加热，此外该导电泡沫的开孔结构易于空气的受热膨胀溢出。因此，导电泡沫有望用于热力气动型致动器的电热材料。

发明内容

针对上述情况，本发明提供一种基于导电泡沫的热力气动型致动器。通过采用导电泡沫作为电热材料，硅橡胶薄膜作为封闭及致动材料；实现高效，均匀的加热；此外该致动器还具有驱动电压低，响应速度快，使用寿命长等特点，显示了其作为人工智能材料的良好应用前景。

为达上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种热力气动型致动器，由高分子薄膜封装电热材料而成，所述电热材料为纳米材料组成的导电泡沫材料，具有1.0～100mg/cm³的表观密度，电导率为6×10^-4～30S/cm。本发明的热力气动型致动器所用的导电泡沫材料是由纳米材料单元相互堆积形成，因此会具有表观密度低，大孔隙率、优异的结构稳定性等特点；且泡沫材料导电性可控。

作为优选，本发明所述的导电泡沫材料可由石墨烯泡沫、碳纳米管泡沫、石墨烯碳纳米管杂化泡沫、纳米银线泡沫、纳米铜线泡沫中的1种或2种以上组成。

本发明所述的导电泡沫材料形状不受限制。作为优选可以是长方体型和/或圆柱体型。

作为优选，所述导电泡沫材料可通过水热法、溶胶凝胶法、化学气相沉积法或模板法制备得到。

本发明的目的之一还在于提供本发明所述的热力气动型致动器的制备方法，包括如下步骤：预先在导电泡沫的表面上用银胶和铜线粘接上一对电极，然后将该泡沫的其他外表面用高分子弹性薄膜封装从而密封住泡沫孔隙中的空气。该致动器的致动原理为电致热原理，将电能转换为热能最终转变为机械能实现对外做功。即在电极上施加电压，当电流通过导电泡沫时，产生焦耳热，加热泡沫内密封的气体，使气体膨胀继而引起硅橡胶薄膜的变形实现致动。

作为优选，所述高分子弹性薄膜为硅橡胶薄膜。

本发明的致动器制备过程简单、驱动电压低、温度变化小、加热均匀、高效、响应迅速及稳定性好等，预期在位移传感器、气体液体流量流速控制等领域有潜在应用前景。

与现有的电热型致动器相比，所述的基于导电泡沫材料的热力气动型致动器具有以下优点：制备方法简单；开孔的泡沫孔壁充满整个空腔并将空腔分割成无数个小空腔，能够实现加热的均匀和高效化；将导电泡沫作为致动器的电热材料，泡沫良好的导电性可以实现致动器低电压下的驱动；该致动器致动原理为热力气动型，因此所需的温度变化小且具有快的响应速度以及良好致动稳定性。

附图说明

图1为实施例2所得的石墨烯泡沫的实物图及电镜照片；

图2为实施例3所得的石墨烯/碳纳米管杂化泡沫实物图及电镜照片；

图3为热力气动型致动器的实物图及示意图；

图4为致动器的致动原理示意图；

图5为在0.1Hz，不同电压下方波交流电驱动下致动器的致动位移大小，以及在0.1Hz,3V方波交流电驱动下致动位移随时间的变化情况；

图6为致动器在5V，不同频率方波交流电驱动下的响应图；

图7为致动器在不同电压，0.1Hz方波交流电驱动下的输出应力及响应时间图；

图8为致动器在5V，0.1Hz方波交流电驱动下的寿命图。

具体实施方式

为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅用于帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

实施例1：

利用冰模板法制备石墨烯泡沫，具体步骤如下。

取5ml(8mg/ml)氧化石墨烯溶液，放入自制的模具中，抽除气泡；将上述溶液放在液氮面上，进行定向生长；待整个溶液都结冰完成后，放入冻干机中，冷冻干燥24h；之后将得到的氧化石墨烯泡沫放入管式炉中，在氩气保护下，以10℃/min升温至400℃，保持3h，待温度降为室温时得到了石墨烯泡沫，密度为3.2mg/cm³，电导率为6×10^-4S/cm。

实施例2：

本实施与实施例1过程与条件类似，只是将浓度改为12mg/ml，还原温度改为800℃。得到的泡沫密度为6mg/cm³，电导率为0.1S/cm，外观如图1所示。并对其微观结构进行观察，发现石墨烯泡沫具有各向异性，且由微米级的孔以及纳米级的孔壁组成，如图1所示。

实施例3：

利用冰模板法制备石墨烯/碳纳米管杂化泡沫，本实施与实施例1过程与条件类似，只是将溶液改为石墨烯和碳纳米管混合溶液，浓度为20mg/ml，还原温度改为800℃。得到的泡沫密度为12mg/cm³，电导率为0.2S/cm，外观如图2所示。并对其微观结构进行观察，发现该泡沫具有各向异性，且由微米级的孔以及纳米级的孔壁组成，如图2所示。

实施例4

本实施与实施例1过程与条件类似，只是将溶液改为银纳米线溶液，浓度为30mg/ml。并省去高温还原步骤。得到的泡沫密度为30mg/cm³，电导率为30S/cm。

实施例5：

将实施例2-4制备得到的石墨烯泡沫制备成图3所示的致动器，具体过程如下：在泡沫的一对对立面上用银胶和导线粘上一对电极；后将泡沫的六个面涂覆市售牌号为184硅橡胶，后放入60℃的烘箱中保持3h；待硅橡胶完全固化后得到基于导电泡沫的致动器。

实施例6：

对实施例5中得到的硅橡胶封装的导电泡沫致动器进行致动性能测试。通过外接电极向致动器施加电压幅度为1-10V，频率为0.1Hz的方波交流电，得到致动器位移随电压的变化情况；并选取3V时的致动情况进行示意，致动示意图如图4所示，其中粘接电极的两个面是不致动的，另外四个面致动。从图5中，我们可知致动位移随着电压的增加而增大，能观测到位移变化所需的最低电压为仅为2V(～0.2V/mm)，显示了其低电压驱动的特性；不同电压条件下致动器的输出应力如图7所示。

实施例7：

对实施例5中得到的致动器进行频率响应的测试。对致动器施加电压为5V，频率分别为0.01、0.1以及1Hz的正弦交流电进行致动，结果如图6所示。可以看出该致动器具有较快的响应时间，能够很好的跟上0.1Hz信号的变化；而当频率为1Hz时，致动的幅度出现明显地降低，说明其响应速度低于1Hz。通过计算得到的各电压下的响应时间，如图7所示，该致动器的响应时间约为600ms。

实施例8：

对实施例5中得到的致动器进行使用寿命的测试。在5V，0.1Hz方波交流电驱动下，该致动器能够长时间的工作，经过1000次致动循环，致动器位移保持不变，如图8所示。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (6)

1.一种热力气动型致动器，其特征在于，由高分子薄膜封装电热材料而成，所述电热材料为纳米材料组成的导电泡沫材料，具有3.2～100mg/cm³的表观密度，电导率为6×10^-4～30S/cm。

2.根据权利要求1所述的热力气动型致动器，其特征在于，所述的导电泡沫材料由石墨烯泡沫、碳纳米管泡沫、石墨烯碳纳米管杂化泡沫、纳米银线泡沫、纳米铜线泡沫中的1种或2种以上组成。

3.根据权利要求1或2所述的热力气动型致动器，其特征在于，所述的导电泡沫材料是长方体型和/或圆柱体型。

4.根据权利要求1或2所述的热力气动型致动器，其特征在于，所述导电泡沫材料通过水热法、溶胶凝胶法、化学气相沉积法或模板法制备得到。

5.权利要求1-4任一项所述热力气动型致动器的制备方法，包括如下步骤：预先在导电泡沫的表面上用银胶和铜线粘接上一对电极，然后将该泡沫的其他外表面用高分子弹性薄膜封装从而密封住泡沫孔隙中的空气。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述高分子弹性薄膜为硅橡胶薄膜。