CN105336846A - 电热致动复合材料及电热致动器 - Google Patents

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Abstract

一种电热致动复合材料，其包括一柔性高分子层以及一碳纳米管纸，所述碳纳米管纸与所述柔性高分子层层叠设置，且至少部分碳纳米管纸包埋于所述柔性高分子层中，所述碳纳米管纸与所述柔性高分子层的厚度比大于等于1：10小于等于1：7，所述碳纳米管纸的密度大于等于0.5g/cm3，所述柔性高分子层的热膨胀系数为所述碳纳米管纸的热膨胀系数的10倍以上，所述碳纳米管纸在沿平行于该碳纳米管纸表面的一第一方向上的电导率大于等于1000S/m小于等于6000S/m。本发明还进一步提供一种电热致动器。所述电热致动复合材料及其电热致动器可用于仿生致动或多功能致动器等领域。

Description

电热致动复合材料及电热致动器
技术领域
本发明涉及一种电热致动复合材料及电热致动器。
背景技术
致动器的工作原理为将其它能量转换为机械能，实现这一转换经常采用的途径有三种：通过静电场转化为静电力，即静电驱动；通过电磁场转化为磁力，即磁驱动；利用材料的热膨胀或其它热特性实现能量的转换，即热驱动。
现有的热致动器通常是以聚合物为主体的膜状结构，通过电流使聚合物温度升高并导致明显的体积膨胀，从而实现致动。热致动设备的原理决定了电极材料必须具备很好的导电性、柔性和热稳定性。
含有碳纳米管的复合材料已被发现可用来制备电热致动复合材料。现有技术提供一种含有碳纳米管的电热致动复合材料，包括柔性高分子基底材料及分散在柔性高分子基底材料中的碳纳米管。含有碳纳米管的电热致动复合材料可以导电，通电以后可发热，发热后，所述含有碳纳米管的电热致动复合材料体积发生膨胀，进而实现弯曲致动。然而，该电热致动复合材料的形变量有限，且响应速率较慢，不利于其进一步应用。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种可以实现较大形变量且具有较快响应速率的电热致动复合材料以及电热致动器。
一种电热致动复合材料，包括一柔性高分子层以及一碳纳米管纸，所述碳纳米管纸与所述柔性高分子层层叠设置，且至少部分碳纳米管纸包埋于所述柔性高分子层中，所述碳纳米管纸与所述柔性高分子层的厚度比大于等于1：10小于等于1：7，所述碳纳米管纸的密度大于等于0.5g/cm3，所述柔性高分子层的热膨胀系数为所述碳纳米管纸的热膨胀系数的10倍以上，所述碳纳米管纸在沿平行于该碳纳米管纸表面的一第一方向上的电导率大于等于1000S/m小于等于6000S/m。
一种电热致动器，包括：一长条形致动部以及两个电极，所述长条形致动部由一电热致动复合材料剪裁而成，所述两个电极间隔设置，位于所述长条形致动部沿延伸方向的两端，该两个电极与所述碳纳米管纸电连接，所述电热致动复合材料包括一柔性高分子层以及一碳纳米管纸，所述碳纳米管纸与所述柔性高分子层层叠设置，且至少部分碳纳米管纸包埋于所述柔性高分子层中，所述碳纳米管纸与所述柔性高分子层的厚度比大于等于1：10小于等于1：7，所述碳纳米管纸的密度大于等于0.5g/cm3，所述柔性高分子层的热膨胀系数为所述碳纳米管纸的热膨胀系数的10倍以上，所述碳纳米管纸在沿平行于该碳纳米管纸表面的一第一方向上的电导率大于等于1000S/m小于等于6000S/m，该长条形致动部至少部分沿所述第一方向延伸。
与现有技术相比较，本发明提供的电热致动复合材料以及电热致动器，其包括柔性高分子层，以及设置于柔性高分子层表面的碳纳米管纸，由于碳纳米管纸的密度较大，在弯曲方向上的拉伸强度大于3Mpa，机械强度较大，可以对柔性高分子层具有更好的固定作用，进而使得弯曲致动的形变量较大。由于碳纳米管的热导率很高，通电后可以快速升温并将热量传导给柔性高分子层，使柔性高分子层受热膨胀产生致动，进而使所述电热致动复合材料以及电热致动器的热响应速率较高，可以达到10秒以下。另外，通过调整电导率在大于等于1000S/m小于等于6000S/m范围内的方向，可以使所述电热致动复合材料以及电热致动器具有弯曲方向可控性。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的电热致动复合材料的立体结构示意图。
图2为本发明第一实施例提供的电热致动复合材料伸缩前与通电伸缩后的对比示意图。
图3为本发明第二实施例提供的电热致动器的结构示意图。
图4为本发明第三实施例提供的电热致动器的结构示意图。
图5为本发明第三实施例提供的其它形状的电热致动器的结构示意图。
图6为本发明第三实施例提供的包括多个电极的电热致动器的结构示意图。
图7为本发明第四实施例提供的电热致动器的结构示意图。
图8为本发明第五实施例提供的电热致动器的结构示意图。
图9为本发明第五实施例提供的其它形状的电热致动器的结构示意图。
图10为本发明第五实施例提供的具有多个导电通路的电热致动器的结构示意图。
图11为本发明提供的电热致动器制备方法的流程图。
主要元件符号说明
电热致动器 10，20，30，40
电热致动复合材料 100
碳纳米管纸 120
柔性高分子层 140
致动部 102，202，302，402
连接部 404
电极 112，212，312，412
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
以下将结合附图详细说明本发明提供的电热致动复合材料及电热致动器。
请参考图1，本发明第一实施例提供一种电热致动复合材料100，其包括：一柔性高分子层140以及一碳纳米管纸120。所述碳纳米管纸120与所述柔性高分子层140层叠设置，且至少部分碳纳米管纸120包埋于所述柔性高分子层140中。所述柔性高分子层140的热膨胀系数为所述碳纳米管纸120的热膨胀系数的10倍以上，更优选地，所述柔性高分子层140的热膨胀系数为所述碳纳米管纸120的热膨胀系数的100倍以上。
所述碳纳米管纸120的厚度大于等于30微米且小于等于50微米。所述碳纳米管纸120在平行于该碳纳米管纸120表面的一第一方向上的电导率大于等于1000S/m且小于等于6000S/m。可以理解，当所述碳纳米管纸120的电导率过大时，例如，大于6000S/m，即该碳纳米管纸120具有较小的电阻，将一预定电压（如，10V）施加于所述碳纳米管纸120时，该碳纳米管纸120难以产生足够的热量，进而难以使所述柔性高分子层140发生热膨胀变形；当所述碳纳米管纸120的电导率过小时，例如，小于1000S/m，即该碳纳米管纸120具有较大的电阻，将所述预定电压施加于所述碳纳米管纸120时，会导致电热致动复合材料100的热响应速度较慢。更优选地，所述碳纳米管纸120在平行于该碳纳米管纸120表面的第一方向上的电导率在大于等于2000S/m且小于等于3500S/m。所述碳纳米管纸120的密度在0.5g/cm3以上，从而使所述碳纳米管纸120的拉伸强度在3MPa以上。当所述碳纳米管纸120的密度太小，则碳纳米管纸120的机械强度较小，不足以对所述柔性高分子层140设置有碳纳米管纸120的一侧提供较好的固定作用，从而会使所述电热致动复合材料100在快速热致形变的过程中碳纳米管纸120容易发生断裂。优选的，所述碳纳米管纸120的密度大于等于0.5g/cm3小于等于1.2g/cm3。
所述碳纳米管纸120包括多个基本沿同一方向延伸排列的碳纳米管，且该多个碳纳米管在其延伸方向通过范德华力首尾相连，且所述多个碳纳米管基本平行于该碳纳米管纸120的表面设置。所述多个碳纳米管的延伸方向与所述第一方向形成一大于等于45度小于等于90度交叉角，从而使所述第一方向上的电导率大于等于1000S/m且小于等于6000S/m。优选的，所述多个碳纳米管的延伸方向与所述第一方向形成一大于等于80度小于等于90度的交叉角。
本实施例中，所述碳纳米管纸120为一长为6厘米、宽为3厘米、厚度为30微米的长方形平面结构，且所述碳纳米管纸120的拉伸强度为4Mpa左右，密度为1.0g/cm3，所述碳纳米管纸120中碳纳米管的排列方向与所述第一方向形成一90度夹角，且所述碳纳米管纸120中的碳纳米管在其延伸方向通过范德华力首尾相连。
所述柔性高分子层140为厚度大于等于270微米小于等于450微米的薄片状结构。当所述柔性高分子层140的厚度太大时，由于该柔性高分子层140本身具有较大的机械性能，且不利于热量快速传递到整个柔性高分子层140，故，不利于产生热致形变；当所述柔性高分子层140的厚度太小时，由于热膨胀量与材料的体积及热膨胀系数成正比，则会导致所述电热致动复合材料100产生的形变量小。所述柔性高分子层140的形状可与所述碳纳米管纸120重叠。所述柔性高分子层140的材料应当具有良好的形状记忆效应以及耐热性能。所述形状记忆效应是指当柔性材料升高到一定温度时，该柔性材料发生形变，而当温度恢复到初始温度时，柔性材料的形状也恢复到初始形状。所述柔性高分子层140的材料可以为硅橡胶、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨脂、环氧树脂、聚丙烯酸乙酯、聚丙烯酸丁酯、聚苯乙烯、聚丁二烯、聚丙烯腈、聚苯胺、聚吡咯及聚噻吩等中的一种或几种的组合。本实施例中，所述柔性高分子层140为一厚度约为300微米的硅橡胶薄膜，其热膨胀系数约为3.1×10-4/K。
进一步的，为了使所述电热致动复合材料100具有更为快速的热致形变效果，优选地，所述碳纳米管纸120与所述柔性高分子层140的厚度比大于等于1：10小于等于1：7。若所述碳纳米管纸120与所述柔性高分子层140的厚度比太小，例如小于1：10时，则所述柔性高分子层140受热时升温速度较慢，从而使所述电热致动复合材料100的热响应速率变慢。若所述碳纳米管纸120与所述柔性高分子层140的厚度比太大，例如大于1：7，由于热膨胀量与材料的体积及热膨胀系数成正比，则所述柔性高分子层140与碳纳米管纸120的热膨胀量相差较小，从而使所述电热致动复合材料100产生的形变量小。本实施例中，该碳纳米管纸120与该柔性高分子层140的厚度比为1：9。
所述电热致动复合材料100在应用时，将电压施加于该电热致动复合材料100中碳纳米管纸120的两端，电流可通过所述碳纳米管纸120中多个碳纳米管122所形成的导电网络进行传输。由于综合优化了所述碳纳米管纸120与所述柔性高分子层140的各种参数，因此，所述电热致动复合材料100可以具有较高的热响应速率，其热响应速率可达10秒以下，即该电热致动复合材料100产生180度弯曲所需要的时间可达10秒以下。此外，由于碳纳米管的机械强度、耐弯折性较好，所以该电热致动复合材料100还具有较好的机械性能，可以反复弯折一万次以上。
请参阅图2，本实施例中通过导线将电源电压施加一20伏特，0.2安培的电流于所述电热致动复合材料100的两端，8秒后，所述电热致动复合材料100向碳纳米管一侧弯曲180度。
请参阅图3，本发明第二实施例提供一种电热致动器10，包括一致动部102以及两个电极112。所述致动部102为由所述电热致动复合材料100直接剪裁而形成一长条状结构，该致动部至少部分沿所述第一方向延伸。所述致动部102中的多个碳纳米管的延伸方向与所述致动部102的长度方向基本垂直，且所述多个碳纳米管在其延伸方向上通过范德华力首尾相连，从而使所述致动部102沿其长度方向的电导率为3000S/m左右，而沿垂直于其长度方向的电导率为30000S/m左右。所述两个电极112的延伸方向也与所述致动部102的长度方向基本垂直，且该两个电极112平行且间隔设置于所述致动部102的两端，并与该致动部102中的碳纳米管纸120电连接。
所述两个电极112的材料可以为金属、碳纳米管、导电银浆或其他导电材料，只要确保该两个电极112能导电即可。优选的，该两个电极112应该保证其导电性几乎不受所述致动部102的弯折的影响，或者影响比较小，如该两个电极112的材料可以为碳纳米管或导电银浆等具有导电性能的柔性材料。可以理解，所述电极也可以为多个，根据实际需要设计。本实施例中，所述两个电极112为铜片，所述铜片设置于所述致动部102两端。
所述电热致动器10在使用时，可以通过导线将一电源电压施加于所述两个电极112，此时，电流会沿所述致动部102的长度方向从一端流向另一端，从而加热所述致动部102，由于致动部102沿其长度方向的电导率为3000S/m左右，所以在加热时所述致动部102可以产生足够的热量并具有较快的响应速率，进而使所述电热致动器10沿所述致动部102的长度方向可以产生快速的弯曲致动。
请参阅图4，本发明第三实施例提供一种电热致动器20，该电热致动器20包括两个致动部202以及两个电极212。所述两个致动部202为由所述电热致动复合材料100直接剪裁而形成一长条状结构，且该两个致动部202相互电连接形成一“L”状的导电通路。所述两个电极212分别设置在所述“L”状导电通路的两端并与所述两个致动部202电连接，并向该“L”状导电通路引入驱动电流。所述两个致动部202包括多个基本沿同一方向延伸排列的碳纳米管，该多个碳纳米管在其延伸方向通过范德华力首尾相连。所述两个致动部202中碳纳米管的延伸方向与电流方向的夹角均为45度，从而使所述两个致动部202中的碳纳米管纸沿电流方向的电导率大于等于1000S/m且小于等于6000S/m，在通电时所述两个致动部202均可以产生足够的热量使所述两个致动部202均沿着其电流方向进行弯曲。
所述电热致动器20也不限于仅包括两个致动部202或形成“L”状结构，也可以根据实际需要选择多个致动部202或其他形状，只要满足该多个致动部202之间相互电连接，并使每一致动部202中的碳纳米管纸沿其电流方向的电导率大于等于1000S/m且小于等于6000S/m即可。通过改变所述导电通路的形状，可以实现不同的多功能弯曲致动。请参阅图5，由多个致动部202相互电连接而形成的一电热致动器，该电热致动器具有一个导电通路，两个电极212分别设置在所述导电通路的两端与所述致动部202电连接，并向该导电通路引入驱动电流。所述多个致动部202包括多个基本沿同一方向延伸排列的碳纳米管，该多个碳纳米管在其延伸方向通过范德华力首尾相连。
所述至少两个致动部202电连接也可以形成至少两个导电通路，此时，所述电热致动器包括多个电极212，该多个电极212可以使所述至少两个导电通路并联连接。请参阅图6，该电热致动器包括三个电极212和两个致动部202，三个电极212间隔设置在致动部202的端部，当三个电极212均连接外部电源时，所述致动部202形成并联连接的两个导电通路。
所述至少两个致动部202可以为由所述电热致动复合材料100直接剪裁而成的一体成型结构或至少两个致动部202通过导电胶粘帖等方式粘合在一起。优选的，所述至少两个致动部202为一一体成型结构。更优选的，所述至少两个致动部202的柔性高分子层为一整体结构；所述至少两个致动部202的碳纳米管纸为一整体结构。
所述至少两个致动部202中碳纳米管的延伸方向与电流方向的夹角并不限于本实施例中的45度，只要保证每一致动部202中的碳纳米管纸沿其电流方向的电导率大于等于1000S/m且小于等于6000S/m即可。优选的，所述多个碳纳米管的延伸方向与所述电流方向形成一大于等于45度小于等于90度交叉角。更优选的，所述多个碳纳米管的延伸方向与所述电流方向形成一大于等于80度小于等于90度的交叉角。请参阅图7，本发明第四实施例提供一种电热致动器30，该电热致动器30包括一长条形致动部302以及两个电极312，该长条形致动部302连续地沿一第一方向和一第二方向弯折形成一“”状导电通路。所述两个电极312间隔设置在所述长条形致动部302的两端并与所述长条形致动部302电连接，并向该“”状导电通路引入驱动电流。所述长条形致动部302包括多个基本沿同一方向延伸排列的碳纳米管，该多个碳纳米管在其延伸方向通过范德华力首尾相连。所述第一方向与所述第二方向垂直，所述长条形致动部302中碳纳米管的延伸方向与所述第一方向以及第二方向的夹角均为45度，从而使所述长条形致动部302中的碳纳米管纸沿其第一方向以及第二方向的电导率均大于等于1000S/m且小于等于6000S/m。在通电时所述致动部302中沿第一方向延伸的部分会沿所述第一方向弯曲，沿第二方向延伸的部分会沿所述第一方向弯曲。
所述长条形致动部302可以为由所述电热致动复合材料100直接剪裁形成。
所述长条形致动部302中碳纳米管的延伸方向与第一方向以及第二方向的夹角并不限于本实施例中的45度，所述第一方向与所述第二方向也不限于垂直，只要保证所述长条形致动部302中的碳纳米管纸沿其第一方向以及第二方向的电导率均大于等于1000S/m且小于等于6000S/m即可。优选的，所述多个碳纳米管的延伸方向与所述第一方向或第二方向形成一大于等于45度小于等于90度交叉角。更优选的，所述多个碳纳米管的延伸方向与所述第一方向或第二方向形成一大于等于80度小于等于90度的交叉角。
所述长条形致动部302连续地沿一第一方向和一第二方向弯折形成的导电通路的形状不限于“”状，也可以根据实际需要选择其他形状。
请参阅图8，本发明第五实施例提供一种电热致动器40，包括两个致动部402、一个连接部404以及两个电极412。所述两个致动部402平行且间隔设置，并通过所述连接部404电连接，从而形成一“”形结构的导电通路。所述“”形结构可以为由所述电热致动复合材料100直接剪裁而成的一体结构。所述两个电极412分别设置在所述两个致动部402远离所述连接部404的一端，从而向该“”形结构的导电通路引入驱动电流。
每一致动部402中的碳纳米管纸包括多个基本沿同一方向延伸排列的碳纳米管，该多个碳纳米管在其延伸方向通过范德华力首尾相连，且每一致动部402中碳纳米管的延伸方向与该致动部402中电流方向形成一90度夹角，从而使所述两个致动部402沿其电流方向的电导率大于等于1000S/m且小于等于6000S/m。所述连接部404中的碳纳米管纸包括多个基本沿同一方向延伸排列的碳纳米管，该多个碳纳米管在其延伸方向通过范德华力首尾相连，且所述连接部404中碳纳米管的延伸方向与该所述连接部404中电流方向形成一0度夹角，从而使所述连接部404沿其电流方向的电导率大于6000S/m。所述两个致动部402和所述连接部404中碳纳米管纸的碳纳米管的延伸方向可相同。
所述连接部404在所述电热致动器40中只起电连接的作用，用于使所述两个致动部402电连接，所述连接部404沿其电流方向的电导率大于6000S/m，可使该连接部404具有较高的导电能力，使所述电热致动器40具有较快的响应速率，同时在所述电热致动器40通电时，使该连接部404产生较小的电阻热而不会发生弯曲。因此，该电热致动器40的致动方向只取决于该两个致动部402的致动方向，而与所述连接部404无关。当通过所述电极412向所述电热致动器40输入驱动电流时，可使所述致动部402设置有电极412的一端固定，从而使该致动部402与所述连接部404连接的一端向设置有所述电极412的一端弯曲，并使该具有“”形结构导电通路的电热致动器40产生纵向的致动。
每一致动部402中所述多个碳纳米管的延伸方向与该致动部402的电流方向的夹角并不限于本实施例中的90度，只要保证每一致动部402中的碳纳米管纸沿其电流方向的电导率大于等于1000S/m且小于等于6000S/m即可。优选的，每一致动部402中多个碳纳米管的延伸方向与该致动部402的电流方向形成一大于等于45度小于等于90度的交叉角。更优选的，每一致动部402中多个碳纳米管的延伸方向与该致动部402的电流方向形成一大于等于80度小于等于90度的交叉角。
每一连接部404中多个碳纳米管的延伸方向与该连接部404的电流方向的夹角并不限于本实施例中的0度，只要保证每一连接部404中的碳纳米管纸沿其电流方向的电导率大于6000S/m即可。优选的，每一连接部404中多个碳纳米管的延伸方向与该连接部404的电流方向形成一大于等于0度小于45度的交叉角。更优选的，每一连接部404中多个碳纳米管的延伸方向与该连接部404的电流方向形成一大于等于0度小于等于10度的交叉角。
所述电热致动器40也不限于仅包括两个致动部402、一个连接部404或形成“”形结构，也可以根据实际需要选择至少两个致动部402或至少一个连接部404或其他形状，只要满足该至少两个致动部402之间通过所述至少一个连接部404相互电连接，并使每一致动部402中的碳纳米管纸沿其电流方向的电导率大于等于1000S/m且小于等于6000S/m，每一连接部404中碳纳米管纸沿其电流方向的电导率大于6000S/m即可。
请参阅图9，在一实施例中，该电热致动器40包括多个致动部402、多个连接部404以及两个电极412。该多个致动部402均向同一方向进行延伸，该连接部404用于使相邻的两个致动部402电连接，或使所述致动部402与所述电极412电连接。该多个致动部402与该多个连接部404相互连接形成一T形结构的导电通路。所述T形结构的导电通路可以为由所述电热致动复合材料100直接剪裁而成的一体结构。所述两个电极412分别设置在所述T形结构的导电通路的两端，从而向该T形结构的导电通路引入驱动电流。每一致动部402中的碳纳米管纸包括多个基本沿同一方向延伸排列的碳纳米管，该多个碳纳米管在其延伸方向通过范德华力首尾相连，且每一致动部402中碳纳米管的延伸方向与该致动部402中电流方向形成一90度夹角。所述连接部404中的碳纳米管纸包括多个基本沿同一方向延伸排列的碳纳米管，该多个碳纳米管在其延伸方向通过范德华力首尾相连，且所述连接部404中碳纳米管的延伸方向与该所述连接部404中电流方向形成一0度夹角。所述两个致动部402和所述连接部404中碳纳米管纸的碳纳米管的延伸方向相同。当通过所述电极412向所述具有T形结构的导电通路的电热致动器40输入驱动电流时，该T形结构导电通路的横梁的两端同时向该横梁的中部弯曲，从而使该电热致动器40实现横向的致动。该多个致动部402和该多个连接部404还可相互连接而形成具有各种形状导电通路的电热致动器40，从而分别实现不同的多功能弯曲致动。
该至少两个致动部402和至少一个连接部404也不限于连接形成一个导电通路，也可以根据实际需要形成多个导电通路，可在该多个导电通路上设置多个电极412，使该多个导电通路之间相互并联或相互串联。请参阅图10，在一实施例中，该电热致动器40包括由多个致动部402和多个连接部404相互连接而成的两个导电通路，该两个导电通路上间隔设置有三个电极412，该三个电极412可同时向该两个导电通路引入电流，从而使该两个导电通路并联在一起。
该至少两个致动部402和至少一个连接部404可分别沿一第一方向和一第二方向延伸且连接形成所述至少一导电通路。每一所述致动部402沿所述第一方向的电导率大于等于1000S/m且小于等于6000S/m，每一所述连接部404沿所述第二方向的电导率大于6000S/m。每一致动部402中多个碳纳米管的延伸方向与所述第一方向形成一大于等于45度小于等于90度的交叉角。每一连接部中多个碳纳米管的延伸方向与所述第二方向形成一大于等于0度小于45度的交叉角。
请参阅图11，本发明进一步提供一种第二实施例到第五实施例中的电热致动器的制备方法，包括：
S1，提供一碳纳米管纸，所述碳纳米管纸包括多个碳纳米管基本沿同一方向择优取向延伸，且在延伸方向上相邻的碳纳米管通过范德华力首尾相连，所述碳纳米管纸的密度大于等于0.5g/cm3；
S2，沿一切割线切割所述碳纳米管纸，形成一图形化碳纳米管纸，至少一段该切割线与所述碳纳米管纸中碳纳米管的延伸方向的夹角大于等于45度小于等于90度；
S3，在该图形化碳纳米管纸上形成至少两个电极；
S4，在该图形化碳纳米管纸上形成一柔性高分子层，至少部分碳纳米管纸包埋于所述柔性高分子层中，所述碳纳米管纸与所述柔性高分子层的厚度比大于等于1：10小于等于1：7，且所述柔性高分子基体的热膨胀系数为所述碳纳米管纸热膨胀系数的10倍以上，得到所述电热致动器。
在步骤S1中，所述碳纳米管纸的制备方法，包括：提供一滚轴和一挤压装置，该挤压装置对应所述滚轴设置一挤压面，该挤压面平行于所述滚轴的轴线；提供碳纳米管阵列，从所述碳纳米管阵列中拉取获得碳纳米管膜结构，并将该碳纳米管膜结构固定于所述滚轴上；滚动所述滚轴，将所述碳纳米管膜结构卷绕在所述滚轴上，所述滚轴滚动过程中所述挤压提供装置的挤压面挤压卷绕在所述滚轴上的碳纳米管膜结构；以及滚动所述滚轴至所述卷绕在滚轴上的碳纳米管膜结构达到一定厚度时停止滚动，得到所述碳纳米管纸。可通过控制挤压所述碳纳米管膜的层数来控制该碳纳米管纸的厚度以及该碳纳米管纸的强度。
上述碳纳米管纸的制备方法更具体的步骤可参见本课题组于2011年11月9日申请的中国专利ZL201110433695.9“碳纳米管纸的制备方法”。
本实施例中，所述碳纳米管纸的厚度大于等于30微米且小于等于50微米。所述碳纳米管纸在其多个碳纳米管的延伸方向上的电导率在3000S/m左右，在该多个碳纳米管的延伸方向的垂直方向上的电导率在30000S/m左右。
在步骤S2中，所述切割线可为一闭合的线路，从而使该图形化碳纳米管纸形成一导通电路。可以理解，可根据实际需要对所述图形化碳纳米管纸进行设计，可借助图形软件，对该图形化碳纳米管纸进行灵活、复杂、功能化的设计，如U型、T型、十字型或其他规则或不规则的图形化碳纳米管纸。另外还可通过对图形化碳纳米管纸的设计实现多功能、较复杂的致动，例如，可将图形化该碳纳米管纸设计为具有手指结构的形状，从而用于模拟简单的手掌的动作。
所述切割线可为一弯折的线路，分别沿一第一方向和一第二方向延伸。所述第一方向可与所述第二方向垂直。在一实施例中，所述多个碳纳米管的延伸方向与所述第一方向和所述第二方向均形成一个45度的交叉角，从而使该图形化碳纳米管纸沿该第一方向和该第二方向的电导率均大于等于1000S/m且小于等于6000S/m。在另一实施例中，所述多个碳纳米管的延伸方向与所述第一方向形成一个90度的交叉角，与所述第二方向形成一个0度的交叉角，从而使该图形化碳纳米管纸沿第一方向的电导率大于等于1000S/m且小于等于6000S/m，沿第二方向的电导率大于6000S/m。
可利用激光切割工艺将所述碳纳米管纸切割成对应的图形化碳纳米管纸。利用激光切割工艺，可以对该碳纳米管纸进行精细、准确的图形化切割，而且激光切割工艺的加工效率高，适合大批量的制备与生产。
在步骤S3中，可用一导电粘结剂将所述至少两个电极粘结在该图形化碳纳米管纸上，从而为该图形化碳纳米管纸提供驱动电流。该导电粘结剂可使该电极与该图形化碳纳米管纸电连接。优选地，该导电粘结剂可以是银系导电粘结剂、金系导电粘结剂、铜系导电粘结剂及碳系导电粘结剂中的一种或几种。在本发明实施例中，该导电粘结剂为导电银胶。
在所述步骤S4中，可采用灌封的方法在该图形化碳纳米管纸上形成所述柔性高分子层，具体步骤包括：
S41，将该图形化碳纳米管纸铺设在一模具中；
S42，在该模具中注入液态的柔性高分子预聚体，使该柔性高分子预聚体将所述图形化碳纳米管纸完全覆盖；
S43，使该柔性高分子预聚体固化，形成所述柔性高分子层，并进行脱模；以及
S44，沿所述图形化碳纳米管纸的外框将未与所述图形化碳纳米管纸重叠的柔性高分子层去除。
在步骤S41之前，可进一步在该模具的内表面涂覆一层脱模剂，以便于后续操作过程中进行脱模。
在步骤S42中，该柔性高分子预聚体可为硅橡胶预聚体、聚甲基丙烯酸甲酯预聚体、聚氨脂预聚体、环氧树脂预聚体、聚丙烯酸乙酯预聚体、聚丙烯酸丁酯预聚体、聚苯乙烯预聚体、聚丁二烯预聚体、聚丙烯腈预聚体、聚苯胺预聚体及聚吡咯及聚噻吩预聚体一种或几种。在本发明实施例中，该柔性高分子预聚体为硅橡胶预聚体。
在该模具中，该柔性高分子预聚体可将该图形化碳纳米管纸远离该基底的一侧完全覆盖，并使该图形化碳纳米管纸另一侧的至少一部分暴露出来，以便于对该图形化碳纳米管纸施加电压。由于该图形化碳纳米管纸是由多个碳纳米管通过范德华力结合构成，该多个碳纳米管之间存在间隙，该液态的柔性高分子预聚体可以渗透进该图形化碳纳米管纸中碳纳米管之间的间隙中，因此该图形化碳纳米管纸可至少部分包埋于所述柔性高分子基体中，并与所述柔性高分子基体紧密结合。
可以理解，可以在使该柔性高分子预聚体固化之前，进一步对所述柔性高分子预聚体进行脱泡处理。所述脱泡的方法可以为真空脱泡。
在步骤S43中，使该柔性高分子预聚体固化的方法可以为加热固化。在加热固化所述柔性高分子预聚体之后，可进一步包括一冷却的步骤，之后再进行脱模。
所述柔性高分子基体的厚度大于等270微米小于等于450微米。当所述柔性高分子基体的厚度太大时，由于该柔性高分子基体本身具有较大的机械性能，且不利于热量快速传递到整个柔性高分子基体，故，不利于产生热致形变；当所述柔性高分子基体的厚度太小时，由于热膨胀量与材料的体积及热膨胀系数成正比，则会导致所述电热致动器产生的形变量小。
所述碳纳米管纸与所述柔性高分子基体的厚度比大于等于1：10小于等于1：7，以使所述电热致动器既具有较快的热响应速率，又能在通电时产生较大的形变量。本实施例中，该碳纳米管纸与该柔性高分子基体的厚度比为1：9。
在步骤S44中，可沿所述图形化碳纳米管纸的外框将未与所述图形化碳纳米管纸重叠的柔性高分子层去除，使该柔性高分子基体层具有与该图形化碳纳米管纸基本相同的形状，从而得到所述电热致动器。
本发明提供的电热致动器的制备方法，可对该电热致动器中碳纳米管纸的导通电路图形进行灵活、复杂、功能化的设计，可以对该碳纳米管纸进行图形化的切割，再将切割好的图形化碳纳米管纸进行电极粘结及灌封，即可获得能实现多功能、较复杂致动的电热致动器。该电热致动器的制备方法加工工艺简单、生产效率高且生产成本低，适合进行大批量的设计和生产。
所述电热致动复合材料及其电热致动器可用于人工肌肉、拟人化的机器人、假肢、花草鱼虫的模仿等仿生致动或微镜头的调焦、流体控制中的阀门、动态盲文等多功能致动器领域。
另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种电热致动复合材料，其包括一柔性高分子层以及一碳纳米管纸，所述碳纳米管纸与所述柔性高分子层层叠设置，且至少部分碳纳米管纸包埋于所述柔性高分子层中，其特征在于，所述碳纳米管纸与所述柔性高分子层的厚度比大于等于1：10小于等于1：7，所述碳纳米管纸的密度大于等于0.5g/cm3，所述柔性高分子层的热膨胀系数为所述碳纳米管纸的热膨胀系数的10倍以上，所述碳纳米管纸在沿平行于该碳纳米管纸表面的一第一方向上的电导率大于等于1000S/m小于等于6000S/m。
2.如权利要求1所述的电热致动复合材料，其特征在于，所述碳纳米管纸沿所述第一方向的电导率大于等于2000S/m小于等于3500S/m。
3.如权利要求1所述的电热致动复合材料，其特征在于，所述碳纳米管纸的厚度大于等于30微米小于等于50微米。
4.如权利要求1所述的电热致动复合材料，其特征在于，所述碳纳米管纸的密度大于等于0.5g/cm3小于等于1.2g/cm3。
5.如权利要求4所述的电热致动复合材料，其特征在于，所述柔性高分子基体的热膨胀系数为所述碳纳米管纸的热膨胀系数的100倍以上。
6.如权利要求1所述的电热致动复合材料，其特征在于，所述碳纳米管纸包括多个基本沿同一方向延伸的碳纳米管，且所述多个碳纳米管在其延伸方向上通过范德华力首尾相连。
7.如权利要求6所述的电热致动复合材料，其特征在于，所述多个碳纳米管的延伸方向与所述第一方向形成一大于等于45度小于等于90度的交叉角。
8.如权利要求7所述的电热致动复合材料，其特征在于，所述多个碳纳米管的延伸方向与所述第一方向形成一90度交叉角。
9.如权利要求1所述的电热致动复合材料，其特征在于，所述电热致动复合材料的热响应速率可达10秒以下。
10.一种电热致动器，其特征在于，包括：一长条形致动部以及两个电极，所述长条形致动部由权利要求1至9中任意一项所述的电热致动复合材料剪裁而成，该长条形致动部至少部分沿所述第一方向延伸，所述两个电极间隔设置，位于所述长条形致动部沿延伸方向的两端，该两个电极与所述碳纳米管纸电连接。
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