CN107493035A - 石墨烯电极介电弹性体驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种石墨烯电极介电弹性体驱动器，在介电弹性体两侧表面均有石墨烯电极形成三明治结构，并通过不同方向的变形得到石墨烯电极介电弹性体厚度位移驱动器、石墨烯电极介电弹性体平面位移驱动器；所述石墨烯电极包括：石墨烯层、引出电极；所述石墨烯层为石墨烯薄膜、石墨烯涂层或石墨烯复合材料层；所述石墨烯电极介电弹性体驱动器为石墨烯电极单层介电弹性体驱动器、石墨烯电极堆叠型介电弹性体驱动器、石墨烯电极管型介电弹性体驱动器或石墨烯电极卷型介电弹性体驱动器。本发明可以广泛应用于：机器人、航空航天、机械手、人工关节、汽车、人工肌肉、飞艇尾舵调节、膜片泵、智能驱动、生物医疗等领域。
Description
技术领域
本发明属于机器人驱动器与工业自动化驱动器技术领域，更具体地说，涉及一种石墨烯电极介电弹性体驱动器。
背景技术
当前随着人类生产生活的不断发展，对于机器人技术的需求不断提升。在人类不宜涉足的极端和危险工程环境中，机器人为人类提供了很大的便利。目前机器人常用的驱动形式包括：电动机驱动、气压驱动、液压驱动等。这些传统的驱动方式存在能量密度偏低的问题，存在体积偏大、质量偏大、输出力偏小、安全系数偏低、环境适应差、可靠性低、不够灵活等系列问题，很难达到生物的动态性能；另外传统的驱动方式一般以刚性结构为主，难以满足像生物的柔韧性要求，因此抗冲击较差、抗碰撞能力较差。当前，人们研制了气动人工肌肉驱动器，但存在体积偏大，并受限于复杂的辅助系统。人们也开发了形状记忆合金制作的人工肌肉驱动器，但存在变形不可预知，响应速度较慢等问题；还有电活性陶瓷制作的驱动器也存在应变率较小问题。然而介电弹性体驱动器作为一种人工肌肉驱动器具有许多优势，如：具有提供的场致应变较大，力重比较大，功率密度较大，能量转化效率高等优点，但介电弹性体驱动器发展中也还存系列需要解决的一些技术问题，如：如何进一步减小电极对介电弹性体驱动刚度的影响，如何能够进一步减小电极厚度，如何提高介电弹性体驱动器的弯曲变形性，如何增大电极导电率，如何进一步提高介电弹性体驱动器的整体性能等技术问题。
发明内容
本发明针对目前驱动器存在的系列问题，提供一种石墨烯电极介电弹性体驱动器，以达到优化提升驱动器的综合性能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：石墨烯电极介电弹性体驱动器，包括介电弹性体、石墨烯电极，在所述介电弹性体两侧表面均分别有石墨烯电极形成三明治结构的石墨烯电极介电弹性体驱动器，所述石墨烯电极包括：石墨烯层、引出电极；所述石墨烯层为石墨烯薄膜、石墨烯涂层或石墨烯复合材料层；所述石墨烯电极介电弹性体驱动器为石墨烯电极单层介电弹性体驱动器、石墨烯电极堆叠型介电弹性体驱动器、石墨烯电极管型介电弹性体驱动器或石墨烯电极卷型介电弹性体驱动器；所述石墨烯电极堆叠型介电弹性体驱动器为石墨烯电极矩形堆叠型介电弹性体驱动器或石墨烯电极圆形堆叠型介电弹性体驱动器。
所述石墨烯电极介电弹性体驱动器的介电弹性体位于两层石墨烯电极材料之间，当在两侧石墨烯电极上施加上电压时，两石墨烯电极之间产生的库伦力在介电弹性体厚度方向上产生挤压力使之压缩，在平面方向上则伸展，可以使介电弹性体在厚度和平面方向发生形变产生驱动作用；去掉电压时，介电弹性体恢复到原来的形状。通过利用不同方向的变形，分别得到厚度位移驱动器和平面位移驱动器。
上述方案中，所述的石墨烯电极堆叠型介电弹性体驱动器，其特征在于，所述石墨烯电极矩形堆叠型介电弹性体驱动器由石墨烯电极矩形单层介电弹性体单元依次堆叠构成；所述石墨烯电极圆形堆叠型介电弹性体驱动器由石墨烯电极圆形单层介电弹性体单元依次堆叠构成；因此，石墨烯电极单层介电弹性体单元堆叠越多则驱动力越大；石墨烯电极单层介电弹性体单元堆叠面积越大则驱动力越大；所述石墨烯电极矩形堆叠型介电弹性体驱动器和石墨烯电极圆形堆叠型介电弹性体驱动器的边缘均有小的绝缘框区，防止电极短路。所述的石墨烯电极堆叠型介电弹性体驱动器可以用很小体积产生很大的力和形变。
上述方案中，所述的石墨烯电极管型介电弹性体驱动器的特征在于：介电弹性体呈管筒形状，石墨烯电极处于管筒形状介电弹性体内侧与外侧并相连接；所述石墨烯电极卷型介电弹性体驱动器的特征在于：介电弹性体两侧面均与石墨烯层相连接，在石墨烯层边缘有引出电极和绝缘层，并将弹簧两端预处理后进行卷膜，构成石墨烯电极卷型介电弹性体驱动器。
上述方案中，所述的介电弹性体(DE)所采用的材料为硅橡胶及复合材料、改性石墨烯介电弹性体、硅树脂、明胶、环状高分子、天然橡胶、丙烯酸酯弹性体、聚氨酯弹性体、丁晴橡胶、亚乙烯基氟化三氟乙烯、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、高介电常数填料添加的复合介电弹性体或微纳米填料添加的复合介电弹性体。
本发明石墨烯电极介电弹性体驱动器可以广泛应用于：机器人、航空航天、机械手、人工关节、汽车、人工肌肉、飞艇尾舵调节、膜片泵、智能驱动、生物医疗等领域。
实施本发明的石墨烯电极介电弹性体驱动器具有以下有益效果：
(1)本发明采用了石墨烯电极构成的介电弹性体驱动器，其性能指标优于
其它类型电极的介电弹性体驱动器；采用的石墨烯电极厚度极薄，不影响
介电弹性体刚度，弯曲变形性能好，并具有电阻低、电导率高的性能，机
电转化效率高，使介电弹性体驱动器的整体性能得到了显著提高。
(2)本发明采用的石墨烯电极堆叠型介电弹性体驱动器可以用很小体积产
生很大的力和形变，介电弹性体驱动器的整体驱动性能优良。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例1的石墨烯电极单层介电弹性体驱动器的工作结构图；
图2是本发明实施例2的石墨烯电极矩形堆叠型介电弹性体驱动器结构剖面示意图；
图3是本发明实施例2的石墨烯电极矩形堆叠型介电弹性体驱动器单元结构示意图；
图4是本发明实施例3的石墨烯电极圆形堆叠型介电弹性体驱动器结构示意图；
图5是本发明实施例3的石墨烯电极圆形堆叠型介电弹性体驱动器单元结构示意图；
图6是本发明实施例4的石墨烯电极管型介电弹性体驱动器结构示意图；
图7是本发明实施例5的石墨烯电极卷型介电弹性体驱动器结构示意图；
图8是本发明实施例5的石墨烯电极卷型介电弹性体驱动器单层结构剖面示意图。
其中：石墨烯电极1、单层介电弹性体2、电源4、矩形介电弹性体5、引出电极6、矩形石墨烯层7、绝缘框区8、圆形石墨烯层9、引出电极10、绝缘框区11、管筒形状石墨烯电极12、管筒形状介电弹性体13、卷型介电弹性体14、卷型石墨烯层15、弹簧16。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
实施例1.
图1是石墨烯电极单层介电弹性体驱动器的工作结构图，在单层介电弹性体2的上侧面和下侧面均分别设有石墨烯电极1，形成三明治结构的石墨烯电极单层介电弹性体驱动器；两个所述石墨烯电极1分别与电源4的正负极相连接；所述石墨烯电极1采用石墨烯薄膜材料，所述单层介电弹性体2采用丙烯酸酯弹性体材料。所述单层介电弹性体2位于两个所述石墨烯电极1之间，当在两侧的所述石墨烯电极1上施加电压时，两个所述石墨烯电极1之间产生的静电引力在所述单层介电弹性体2厚度方向上产生挤压力，可以使所述单层介电弹性体2在厚度和平面方向发生形变；去掉电压时，所述介电弹性体2恢复到原来的形状。通过利用石墨烯电极单层介电弹性体驱动器的单层介电弹性体2在不同方向的变形，分别得到不同类型的厚度位移驱动器和平面位移驱动器。采用的石墨烯电极1的厚度极薄，不影响单层介电弹性体2的刚度，弯曲变形性能好，并具有电阻低、电导率高的性能，使石墨烯电极单层介电弹性体驱动器的整体性能得到了显著提高。
实施例2.
图2是石墨烯电极矩形堆叠型介电弹性体驱动器结构剖面示意图；图3是石墨烯电极矩形堆叠型介电弹性体驱动器单元结构示意图；石墨烯电极矩形堆叠型介电弹性体驱动器由石墨烯电极矩形单层介电弹性体单元依次堆叠构成；石墨烯电极包括：矩形石墨烯层7、引出电极6；石墨烯电极矩形单层介电弹性体单元中的矩形介电弹性体5的两侧面均有所述矩形石墨烯层7；在所述矩形石墨烯层7的两旁侧均有所述引出电极6(见图2、图3)；在石墨烯电极矩形堆叠型介电弹性体驱动器的边缘均有小的绝缘框区8(见图3)，防止石墨烯电极间产生短路现象。所述矩形石墨烯层7采用石墨烯涂层；矩形介电弹性体5采用聚氨酯弹性体。
所述石墨烯电极矩形堆叠型介电弹性体驱动器克服了石墨烯电极单层介电弹性体驱动器中单层介电弹性体2存在的厚度较小问题，以及厚度方向输出的位移有限的缺点。石墨烯电极矩形堆叠型介电弹性体驱动器的结构内部没有空隙，结构紧凑、体积小、质量轻、输出位移较大；矩形介电弹性体5不会暴露在外部，因此不易被破坏，驱动器寿命更长，其结构形式更接近生物肌肉的结构，其应用领域广泛。
实施例3.
图4是石墨烯电极圆形堆叠型介电弹性体驱动器结构示意图；图5是石墨烯电极圆形堆叠型介电弹性体驱动器的单元结构示意图；石墨烯电极圆形堆叠型介电弹性体驱动器由石墨烯电极圆形单层介电弹性体单元依次堆叠构成；石墨烯电极包括：圆形石墨烯层9、引出电极10(见图4、图5)；石墨烯电极圆形单层介电弹性体单元中的介电弹性体的两侧面均有所述圆形石墨烯层9；在所述圆形石墨烯层9的两旁侧均有所述引出电极10；在石墨烯电极矩形堆叠型介电弹性体驱动器的边缘均有小的绝缘框区11(见图4、图5)，防止所述圆形石墨烯层9之间产生短路现象。所述圆形石墨烯层9采用石墨烯复合材料层；圆形单层介电弹性体采用硅橡胶及复合材料。
石墨烯电极圆形堆叠型介电弹性体驱动器克服了石墨烯电极单层介电弹性体驱动器中单层介电弹性体2存在的厚度较小问题，以及厚度方向输出的位移有限的缺点。石墨烯电极圆形堆叠型介电弹性体驱动器结构内部没有空隙，结构紧凑、体积小、质量轻、输出位移较大；介电弹性体不会暴露在外部，因此不易被破坏，驱动器寿命更长，其结构形式更接近生物肌肉的结构，其应用领域广泛。
实施例4.
图6是石墨烯电极管型介电弹性体驱动器结构示意图；介电弹性体呈管筒形状，管筒形状石墨烯电极12分别处于管筒形状介电弹性体13内侧与外侧；所述管筒形状石墨烯电极12采用石墨烯涂层；所述管筒形状介电弹性体13采用改性石墨烯介电弹性体；石墨烯电极管型介电弹性体驱动器的管筒形状介电弹性体13位于两层所述管筒形状石墨烯电极12之间，当在两侧所述管筒形状石墨烯电极12上施加上电压时，两所述管筒形状石墨烯电极12之间产生的静电引力在管筒形状介电弹性体13厚度方向上产生挤压力，可以使管筒形状介电弹性体13在厚度和平面方向发生形变；去掉电压时，管筒形状介电弹性体13恢复到原来的形状。通过利用不同方向的变形，分别得到不同类型的厚度位移驱动器和平面位移驱动器。
实施例5.
图7是石墨烯电极卷型介电弹性体驱动器结构示意图；图8是石墨烯电极卷型介电弹性体驱动器单层结构剖面示意图；石墨烯电极卷型介电弹性体驱动器的卷型介电弹性体14采用丙烯酸薄膜制成；卷型介电弹性体14的两侧面均紧密与卷型石墨烯层15相连接，在所述卷型石墨烯层15的边缘有引出电极和绝缘层，并将弹簧16两端预处理，防止卷的过程中丙烯酸薄膜的卷型介电弹性体14从弹簧16两端处收缩，卷膜过程中要保持丙烯酸薄膜的卷型介电弹性体14紧张状态，卷的圈数为10圈，构成石墨烯电极卷型介电弹性体驱动器。所述石墨烯电极卷型介电弹性体驱动器的工作原理与工作过程与前面实施例相近。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (5)
1.石墨烯电极介电弹性体驱动器，其特征在于：包括介电弹性体和石墨烯电极，所述介电弹性体两侧表面分别设置所述石墨烯电极而形成三明治结构；所述石墨烯电极包括：石墨烯层、引出电极；所述石墨烯层为石墨烯薄膜、石墨烯涂层或石墨烯复合材料层；所述石墨烯电极介电弹性体驱动器为石墨烯电极单层介电弹性体驱动器、石墨烯电极堆叠型介电弹性体驱动器、石墨烯电极管型介电弹性体驱动器或石墨烯电极卷型介电弹性体驱动器；所述石墨烯电极堆叠型介电弹性体驱动器为石墨烯电极矩形堆叠型介电弹性体驱动器或石墨烯电极圆形堆叠型介电弹性体驱动器。
2.根据权利要求1所述的石墨烯电极介电弹性体驱动器，其特征在于，所述石墨烯电极矩形堆叠型介电弹性体驱动器由石墨烯电极矩形单层介电弹性体单元依次堆叠构成；所述石墨烯电极圆形堆叠型介电弹性体驱动器由石墨烯电极圆形单层介电弹性体单元依次堆叠构成；所述石墨烯电极矩形堆叠型介电弹性体驱动器和石墨烯电极圆形堆叠型介电弹性体驱动器的边缘均有防止电极短路的绝缘框区。
3.根据权利要求1所述的石墨烯电极介电弹性体驱动器，其特征在于，所述石墨烯电极管型介电弹性体驱动器的介电弹性体呈管筒形状，石墨烯电极处于管筒形状介电弹性体的内侧与外侧并相连接。
4.根据权利要求1所述的石墨烯电极介电弹性体驱动器，其特征在于，所述石墨烯电极卷型介电弹性体驱动器的介电弹性体两侧面均与所述石墨烯层相连接，在所述石墨烯层的边缘设置引出电极和绝缘层，并将介电弹性体内部的弹簧两端预处理后进行卷膜。
5.根据权利要求1～4任一项所述的石墨烯电极介电弹性体驱动器，其特征在于，所述石墨烯电极介电弹性体驱动器通过不同方向的变形得到石墨烯电极介电弹性体厚度位移驱动器或石墨烯电极介电弹性体平面位移驱动器。
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