CN105789429A - 一种基于ipmc的阵列式柔性曲面自传感驱动器及其制备方法 - Google Patents

一种基于ipmc的阵列式柔性曲面自传感驱动器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于IPMC的阵列式柔性曲面自传感驱动器及其制备方法，其特征在于：是在聚电解质柔性基体层的上、下表面皆呈阵列式设置有多个片状电极；上、下表面的片状电极一一对称，相对称的两片状电极及夹持在两片状电极中间的部分聚电解质柔性基体层形成传感功能元件或致动功能元件；在各片状电极的边缘皆向外延伸有电路；其制备方法为：通过掩膜的方式，或通过整体镀覆后再激光切割的方式，在聚电解质柔性基体层上形成片状电极和电路。本发明的自传感驱动器工艺简单，且利用了IPMC兼具传感功能和致动功能的特点，可以实现对柔性曲面驱动器曲面变形位置的精确控制。

Description

一种基于IPMC的阵列式柔性曲面自传感驱动器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种基于离子聚合物-金属复合材料(IonicPolymer-MetalComposites，IPMC)的阵列式柔性曲面自传感驱动器及其制备方法，属于离子型电致动聚合物的制备及应用领域。
背景技术
柔性驱动器是柔性机械电子的关键部件,在本世纪新兴的科学技术中，柔性机械电子是仿生机器人、人工智能、穿戴医疗等人类未来产业重要发展领域的核心技术之一。与传统刚性机械电子不同，柔性机械电子摒弃了复杂的机械传动装置，通常以功能聚合物或者聚合物基复合材料为基础实现复杂终端运动。
作为柔性驱动器所用的主体材料的离子型电致动聚合物，不但拥有电压驱动低、变形大、柔韧性好等优势，而且还兼有致动和传感功能。目前，这一材料也被大量用于驱动器方面的探索工程，且应用丰富。但大多数现有的应用研究只以单片或数片分离样片联立的形式进行驱动器结构设计，实现的驱动形式(变形方式)较为单一。也有少数研究团队对使用IPMC材料实现曲面多自由度变形进行了初步的尝试，较为典型的代表为2009年韩国金南大学研究的仿乌贼机器鱼(FengGH,TsaiJW.Biomedicalmicrodevices,2011,13(1):169-177)以及2011年弗吉尼亚大学开发的仿蝠鲼机器鱼(Sung-WeonYandIl-KwonO.SmartMaterialsandStructures,2009,18(8):085002)。这两项研究中分别采用玻璃纸和PDMS为多片IPMC之间的连接层，可以认为是阵列式柔性驱动器的雏形，然而相关研究团队停留在对于驱动器仿生形态的改进上，并未对驱动器元件进行进一步设计和探索。可见，对于基于IPMC型柔性驱动器的研究已取得了一定的成果，但关于复杂曲面驱动器的研究尚处于探索阶段；现有的基于IPMC型柔性驱动器中，有的仅利用了IPMC的单自由度弯曲变形，有的虽然在研究多自由度弯曲变形但却未用到传感功能，而对于兼备传感功能和致动功能的阵列式柔性驱动器的分布设计及研究几乎空白。
发明内容
本发明提出了一种基于IPMC的阵列式柔性曲面自传感驱动器及其制备方法，利用IPMC材料的传感功能和致动功能，实现对柔性曲面驱动器曲面变形位置的精确控制，对于推动柔性智能材料的应用以及柔性机器电子技术的发展具有重要意义。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
本发明基于IPMC的阵列式柔性曲面自传感驱动器，其特点在于：所述自传感驱动器是在聚电解质柔性基体层的上、下表面皆呈阵列式设置有多个片状电极，位于上表面的多个片状电极与位于下表面的多个片状电极一一对称；
相对称的两片状电极及夹持在两片状电极中间的部分聚电解质柔性基体层形成一功能元件，所述功能元件为传感功能元件或致动功能元件；在所述自传感驱动器上同时存在传感功能元件和致动功能元件；
在各片状电极的边缘皆向外延伸有电路，各电路从聚电解质柔性基体层的一侧引出。
所述自传感驱动器的整体结构面积不小于1cm2、厚度不小于20μm；各片状电极的面积不小于10mm2、厚度不小于1μm；所述电路(3)的宽度不小于0.1mm。
所述聚电解质柔性基体层选自Dupont公司的Nafion系列离子交换膜、AsahiChemical公司的Aciplex系列离子交换膜、AsahiGlass公司的Flemion系列离子交换膜或SolvaySolexis公司的Aquivion系列离子交换膜；
形成所述片状电极及电路的材料各自独立的选自金属、碳黑、碳纳米管、石墨烯中的至少一种。所述金属为Pd、Au、Ag与Cu中的至少一种。
将各片状电极的电路连接至外电路控制系统；在形成各致动功能元件的两片状电极之间施加相同或不同的激励电压(1-10V)，使各致动功能元件产生相应的厘米级变形，从而使得自传感驱动器整体发生柔性曲面变形，并促使各传感功能元件的两片状电极之间形成电势差；外电路控制系统通过检测电势差，实现对自传感驱动器的曲面变形的实时测量，并产生反馈对激励电压进行校正，直至各致动功能元件产生预期变形，从而实现对自传感驱动器曲面变形的精确控制。
上述自传感驱动器的制备方法，包括如下步骤：
首先将聚电解质柔性基体层裁剪成所需的形状，再通过掩膜技术将聚电解质柔性基体层表面不需要镀覆片状电极和电路的部分用掩膜材料掩盖；然后将电极材料镀覆在聚电解质柔性基体层表面未被掩膜材料掩盖的部分，形成片状电极和电路；最后去除掩膜材料，即获得基于IPMC的阵列式柔性曲面自传感驱动器；
或：首先将聚电解质柔性基体层裁剪成所需的形状，再通过掩膜技术将聚电解质柔性基体层表面不需要镀覆片状电极的部分用掩膜材料掩盖；然后将电极材料镀覆在聚电解质柔性基体层表面未被掩膜材料掩盖的部分，形成片状电极；去除掩膜材料，再在各片状电极的边缘设置电路，即获得基于IPMC的阵列式柔性曲面自传感驱动器；
或：首先将柔性基体层裁剪成所需的形状，再将电极材料镀覆在柔性基体层表面形成整体电极；然后通过激光切割技术对整体电极进行切割，去除部分电极，形成呈阵列式分布的片状电极和电路，即获得基于IPMC的阵列式柔性曲面自传感驱动器。
所述掩膜材料可选自但不限于透明胶、有机玻璃夹板或聚四氯乙烯夹板。
所述激光切割技术的切割深度比片状电极厚度大至少1μm。
本发明基于IPMC的阵列式柔性曲面自传感驱动器可以在多自由度柔性曲面机械中应用，例如仿生机器人、穿戴医疗装置。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
本发明的自传感驱动器利用了IPMC兼具传感功能和致动功能的特点，实现对柔性曲面驱动器曲面变形位置的精确控制；与单片或数片联立的IPMC驱动器相比，本发明能够产生多自由度曲面弯曲变形；与其它形式的阵列式IPMC驱动器相比，本发明能过通过传感功能元件对致动功能元件的变形进行精确控制；与其它阵列式柔性电致动聚合物型驱动器相比，本发明结构及制备工艺更为简单。
附图说明
图1为本发明实施例1～4的3×3方阵型自传感驱动器的结构示意图(a为其主视图，b为其俯视图)；其中(b)中传感功能元件(灰色)和致动功能元件(白色)呈行行间隔的方式分布于基体层上下表面。
图2为本发明实施例1～4的3×3方阵型自传感驱动器的尺寸分布示意图。
图3为本发明实施例1～4的3×3方阵型自传感驱动器接上外电路控制系统的示意图，其中传感功能元件(白色)和致动功能元件(灰色)呈行行间隔的方式分布于基体层上下表面。
图4为本发明实施例4的仿鳐鱼形阵列式自传感驱动器的结构示意图；其中白色为传感功能元件、灰色为致动功能元件。
图中标记：1为聚电解质柔性基体层；2为片状电极；3为电路；A为传感功能元件；B为致动功能元件。
具体实施方式
在具体实施过程中，为使本发明的技术方案更加清晰完整的呈现出来，下面将结合具体实例对本发明进行清楚、完整地描述。所描述的实例只是本发明一部分实例，而不能代表全部的实例。基于本发明中提到的新型结构特征及材料应用，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本实施例基于IPMC的阵列式柔性曲面自传感驱动器，是在聚电解质柔性基体层1的上、下表面皆呈3×3方阵式设置有多个片状电极2，位于上表面的多个片状电极与位于下表面的多个片状电极一一对称；
相对称的两片状电极及夹持在两片状电极中间的部分聚电解质柔性基体层形成一功能元件，功能元件为传感功能元件A或致动功能元件B；在自传感驱动器上同时存在传感功能元件和致动功能元件；
在各片状电极的边缘皆向外延伸有电路3，各电路从聚电解质柔性基体层的一侧引出，连接至外电路控制系统(如图3所示)。
如图2所示，本实施例的自传感驱动器的整体结构尺寸为100mm×70mm、厚度220μm(聚电解质柔性基底层厚180μm，上、下表面的电极层各厚10μm)；各片状电极的尺寸为20mm×10mm；电路的宽度为1mm。
本实施例的自传感驱动器按如下步骤进行制备：
(1)以美国杜邦公司生产的Nafion-117离子膜作为聚电解质柔性基体层，将其剪裁至100mm×70mm的矩形。
(2)以如图2所示的形式，将透明胶作为掩膜材料覆盖在聚电解质柔性基体层表面不需要镀覆片状电极和电路的部分。
(3)将钯镀覆在聚电解质柔性基体层表面未被透明胶掩盖的部分，形成片状电极和电路，具体步骤如下：
a、用600#砂纸对Nafion-117离子膜进行轻轻打磨糙化，时间为10min；
b、使用加热到60℃的去离子水对糙化后的Nafion-117离子膜进行超声波清洗，清洗时间20min；
c、使用浓度为2mol/L的盐酸溶液对Nafion-117离子膜进行酸洗，去除杂质离子，酸洗时间为40min；
d、将酸洗后Nafion-117离子膜再在去离子水中煮洗，时间约为30min；
e、将Nafion-117离子膜在碱性Pd盐溶液中(用含280mgPd的[Pd(NH3)4]Cl2和28ml质量分数为25％的氨水配置而成)浸泡2h，浸泡同时升温至40℃，并以120转/分的速度低速搅拌，使得钯阳离子交换到Nafion-117离子膜中；继续升温至50℃，缓慢滴加碱性NaBH4溶液(质量分数为2％-5％，pH值>13)，使得交换到Nafion-117离子膜中的钯阳离子被充分还原；
f、用去离子水清洗上述样品，然后在0.2mol/L的HCl溶液中浸泡8h；
g、将上述样品放入镀液(用0.16g钯盐、12g氨水和1.2gNa2EDTA配制成150ml镀液)中，水浴加热，温度环境为由30℃升至60℃，缓慢滴入质量分数为10％的一水合肼溶液，60转/分的转速低速搅拌，直至反应完全结束；
h、将上述样品取出并用去离子水清洗，从而在Nafion-117离子膜上形成片状电极和电路。
(4)最后通过激光切割技术将上述样品的四个侧面的边缘电极切除，再小心将透明胶去除，从而获得基于IPMC的阵列式柔性曲面自传感驱动器。
实施例2
本实施例基于IPMC的阵列式柔性曲面自传感驱动器的结构、尺寸与实施例1相同，具体是按如下步骤进行制备：
(1)以美国杜邦公司生产的Nafion—117离子膜作为柔性基体层，将其剪裁至100mm×70mm矩形。
(2)以如图2所示的形式，将透明胶作为掩膜材料覆盖在聚电解质柔性基体层表面不需要镀覆片状电极和电路的部分，进行定位。
(3)将金箔裁剪成延伸有电路的片状电极的形状，并将其覆盖在柔性基体层的一面，再将其平整后在压片机上进行热压处理，压片温度为60℃、压力为0.6MPa、持续时间为4min，从而在柔性基体层的该面形成电极层；
然后再按相同的方式在柔性基体层的另一面形成电极层。
(4)小心地将透明胶去除，从而形成基于IPMC的阵列式柔性曲面自传感驱动器。
实施例3
本实施例基于IPMC的阵列式柔性曲面自传感驱动器的结构、尺寸与实施例1相同，具体是按如下步骤进行制备：
(1)以美国杜邦公司生产的Nafion-117离子膜作为聚电解质柔性基体层，将其剪裁至100mm×70mm的矩形。
(2)将液体状的Nafion-117离子膜和絮状的碳纳米管材料按质量比1:2混合，磁力搅拌均匀，制成混合液；
将混合液浇铸在规格为10cm(厚度)×7cm×10cm的模具中，对模具进行均匀加热，加热温度为80℃，待混合液蒸发成膜，停止加热，从而得到所需规格的电极层膜。
(3)在Nafion-117离子膜的两个表面都贴上电极层膜，用压片机进行热压处理，压片温度为60℃、压力为0.6MPa、持续时间为4分钟，从而在聚电解质柔性基体层的两面形成整体电极。再通过激光切割技术，将整体电极切割成如图2所示的形状。
(4)最后小心将不需要的电极部分去除，既得到基于IPMC的阵列式柔性曲面自传感驱动器。
实施例4
本实施例基于IPMC的阵列式柔性曲面自传感驱动器的结构、尺寸与实施例1相同，具体是按如下步骤进行制备：
(1)以美国杜邦公司生产的Nafion-117离子膜作为聚电解质柔性基体层，将其裁剪成100mm×70mm的矩形；
(2)用透明胶将聚电解质柔性基体层表面不需要镀覆片状电极的部分覆盖；
(3)将钯镀覆在聚电解质柔性基体层的上、下表面未被透明胶掩盖的部分形成片状电极，具体步骤参考实施例1。
(4)最后通过激光切割技术将上述样品的四个侧面的边缘电极切除，将透明胶小心取下，将厚为0.2mm、宽为1mm的铜箔胶带按图2电路部分所示粘在聚电解质柔性基体层上，形成电路，从而形成基于IPMC的阵列式柔性曲面自传感驱动器。
实施例5
本实施例基于IPMC的阵列式柔性曲面自传感驱动器的结构如图4所示，为仿鳐鱼形阵列式。
(1)以美国杜邦公司生产的Nafion-117离子膜作为聚电解质柔性基体层，将其裁剪成如图4所示的形状。
(2)将钯镀覆在聚电解质柔性基体层上、下表面，从而形成整体式电极，具体步骤参考实施例1。
(3)采用激光切割技术，将柔性基体层侧面所镀的电极切除，切除处离边界距离为15μm。
(4)采用激光切割技术将整体式电极切割成如图4所示的形状，切割深度为10μm。
(5)再用镊子将不需要的电极部分小心取下，从而形成基于IPMC的阵列式柔性曲面自传感驱动器。

Claims (9)

1.基于IPMC的阵列式柔性曲面自传感驱动器，其特征在于：所述自传感驱动器是在聚电解质柔性基体层(1)的上、下表面皆呈阵列式设置有多个片状电极(2)，位于上表面的多个片状电极与位于下表面的多个片状电极一一对称；
相对称的两片状电极及夹持在两片状电极中间的部分聚电解质柔性基体层形成一功能元件，所述功能元件为传感功能元件(A)或致动功能元件(B)；在所述自传感驱动器上同时存在传感功能元件和致动功能元件；
在各片状电极的边缘皆向外延伸有电路(3)，各电路从聚电解质柔性基体层的一侧引出。
2.如权利要求1所述的基于IPMC的阵列式柔性曲面自传感驱动器，其特征在于：所述自传感驱动器的整体结构面积不小于1cm2、厚度不小于20μm；各片状电极(2)的面积不小于10mm2、厚度不小于1μm；所述电路(3)的宽度不小于0.1mm。
3.如权利要求1所述的基于IPMC的阵列式柔性曲面自传感驱动器，其特征在于：所述聚电解质柔性基体层选自Dupont公司的Nafion系列离子交换膜、AsahiChemical公司的Aciplex系列离子交换膜、AsahiGlass公司的Flemion系列离子交换膜或SolvaySolexis公司的Aquivion系列离子交换膜；
形成所述片状电极及电路的材料各自独立的选自金属、碳黑、碳纳米管、石墨烯中的至少一种。
4.如权利要求3所述的基于IPMC的阵列式柔性曲面自传感驱动器，其特征在于：所述金属为Pd、Au、Ag与Cu中的至少一种。
5.如权利要求1所述的基于IPMC的阵列式柔性曲面自传感驱动器，其功能特征在于：
将各片状电极的电路连接至外电路控制系统；在形成各致动功能元件的两片状电极之间施加相同或不同的激励电压，使各致动功能元件产生相应的厘米级变形，从而使得自传感驱动器整体发生柔性曲面变形，并促使各传感功能元件的两片状电极之间形成电势差；外电路控制系统通过检测电势差，实现对自传感驱动器的曲面变形的实时测量，并产生反馈对激励电压进行校正，直至各致动功能元件产生预期变形，从而实现对自传感驱动器曲面变形的精确控制。
6.如权利要求5所述的基于IPMC的阵列式柔性曲面自传感驱动器，其功能特征在于：所述激励电压为1-10V。
7.如权利要求1所述的自传感驱动器的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
首先将聚电解质柔性基体层裁剪成所需的形状，再通过掩膜技术将聚电解质柔性基体层表面不需要镀覆片状电极和电路的部分用掩膜材料掩盖；然后将电极材料镀覆在聚电解质柔性基体层表面未被掩膜材料掩盖的部分，形成片状电极和电路；最后去除掩膜材料，即获得基于IPMC的阵列式柔性曲面自传感驱动器；
或：首先将聚电解质柔性基体层裁剪成所需的形状，再通过掩膜技术将聚电解质柔性基体层表面不需要镀覆片状电极的部分用掩膜材料掩盖；然后将电极材料镀覆在聚电解质柔性基体层表面未被掩膜材料掩盖的部分，形成片状电极；去除掩膜材料，再在各片状电极的边缘设置电路，即获得基于IPMC的阵列式柔性曲面自传感驱动器；
或：首先将柔性基体层裁剪成所需的形状，再将电极材料镀覆在柔性基体层表面形成整体电极；然后通过激光切割技术对整体电极进行切割，去除部分电极，形成呈阵列式分布的片状电极和电路，即获得基于IPMC的阵列式柔性曲面自传感驱动器。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述掩膜材料为透明胶、有机玻璃夹板或聚四氯乙烯夹板。
9.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述激光切割技术的切割深度比片状电极厚度大至少1μm。
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