CN109167530B - 一种可低电压驱动的介电弹性体驱动器及其制备方法、换能器 - Google Patents
一种可低电压驱动的介电弹性体驱动器及其制备方法、换能器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种介电弹性体驱动器，所述介电弹性体驱动器具有多层结构；所述多层结构包括单层弹性体层及复合在所述单层弹性体层上下表面的单层电极层，或者单层弹性体层及单层电极层交替堆叠复合而成的多层；所述单层电极层的厚度小于等于1μm；所述单层弹性体层的厚度小于等于5μm。本发明将介电弹性体厚度降低到超薄的微纳米级别，通过控制介电弹性体驱动器的弹性体层厚度和电极层厚度，再结合适当的模量、方阻以及相对介电常数等参数，以及材料的选择，从而实现了能在低电压的情况下驱动，同时实现大形变，快速响应以及高弹性恢复的效果，使得介电弹性体具有作为换能器应用的价值。
Description
技术领域
本发明属于介电弹性体驱动器技术领域，涉及一种介电弹性体驱动器及其制备方法、换能器，尤其涉及一种可低电压驱动的介电弹性体驱动器及其制备方法、换能器。
背景技术
电活性聚合物(electroactive polymers，EAP)是指在电刺激下能够产生较大形变的聚合物材料。EAP材料可以分为自立性和电子型两种。电子型EAP又可以分为电致伸缩弹性体，铁电聚合物和介电弹性体(dielectric elastomer，DE)。其中，介电弹性体是指具有高介电常数的弹性体材料，对其施加外电场后可以改变形状，撤销外加电场后会又能恢复到原来的形状的材料。这个过程伴随应力和应变的产生，从而将电能转化为机械能，在过去的二十年中获得了广泛的关注。
在DE薄膜的两侧涂覆柔性电极可以组成介电弹性体驱动器(Dielectricelastomer actuator，DEA)，当通过两个电极施加电压时，上下两个电极间产生的静电力压缩薄膜，导致薄膜厚度减少；而同性电荷相互排斥，在宏观上表现为薄膜平面的伸张，由此将电能转变成机械能发生电致形变。
然而，目前介电弹性体驱动电压非常高，都在kV以上，对于工业化应用有很大困难。降低驱动电压的常用方法是降低材料厚度，提高材料介电常数，提高击穿电压，降低材料模量。比如现有技术中，SΜMITOMO RIKO COMPANY LIMITED在US20150202656中公开了提高材料介电常数的方法；TOKAI RUBBER INDUSTRIES LTD在US9397589中公开了提高击穿电压的方法；Wacker AG在US20170044370中公开了降低材料的模量的方法。但是通过上述方法虽能改善效果，但是都无法实现将驱动电压降低到≤100V时驱动。
因此，如何得到一种介电弹性体驱动器，能够在驱动电压≤100V时进行驱动，已成为业内诸多研究人员和一线厂商亟待解决的问题之一。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种介电弹性体驱动器及其制备方法，特别是一种可低电压驱动的介电弹性体驱动器，本发明通过控制介电弹性体驱动器的弹性体层厚度和电极层厚度，再结合适当的模量、方阻以及相对介电常数等参数，从而实现了能在低电压＜100V的情况下驱动，同时实现大变形，快速响应以及高弹性恢复的效果，使得介电弹性体具有作为换能器应用的价值。
本发明提供了一种介电弹性体驱动器，所述介电弹性体驱动器具有多层结构；
所述多层结构包括单层弹性体层及复合在所述单层弹性体层上下表面的单层电极层，或者单层弹性体层及单层电极层交替堆叠复合而成的多层；
所述单层电极层的厚度小于等于1μm；
所述单层弹性体层的厚度小于等于5μm。
优选的，所述单层电极层的模量小于等于5MPa；
所述单层电极层的方阻小于等于10MΩ/□；
所述单层弹性体层的相对介电常数大于等于2；
所述单层电极层的厚度为1nm～1μm；
所述单层弹性体层的厚度为10nm～5μm。
优选的，所述单层电极层的方阻为10Ω/□～10MΩ/□；
所述单层电极层的模量为0.3～5MPa；
所述单层弹性体层的相对介电常数为2～10；
所述单层弹性体层的模量为10kPa～5MPa；
所述单层弹性体层的压缩永久变形＜5％；
所述多层中互不接触的电极层的层数≥2。
优选的，所述弹性体层的材料包括硅胶类弹性体及其改性材料、丙烯酸类弹性体及其改性材料和聚酯类弹性体及其改性材料中的一种或多种；
所述电极层的材料包括碳纳米管、石墨烯、超导炭黑和金属纳米线中的一种或多种，或者碳纳米管、石墨烯、超导炭黑和金属纳米线中的一种或多种与弹性体的复合材料；
所述金属纳米线包括纳米银线、纳米金线和纳米铜线中的一种或多种；
所述复合的方式包括，将成膜的电极层转印到已成膜的弹性体层上、在成膜的电极层上直接成型弹性体层和在成膜的弹性体层上直接成型电极层中的一种或多种。
本发明提供了一种如上述技术方案任意一项所述的介电弹性体驱动器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将弹性体材料源或电极材料源中的一种，复合在设置有牺牲层的基材的牺牲层表面，得到复合有弹性体层或电极层中的一种的第一基体；
2)将电极材料源或弹性体材料源中的另一种，复合在上述步骤得到的第一基体的弹性体层或电极层表面，得到第二基体；
3)将上述步骤得到的第二基体去除牺牲层后，得到不含基体的胶体膜；
4)在上述步骤得到的胶体膜的弹性体层表面复合第二电极层后，或者，将两个上述步骤得到的胶体膜的弹性体层复合在一起后，得到单层介电弹性体驱动器。
优选的，将弹性体层、电极层和单层介电弹性驱动器中的一种或多种，再次堆叠复合在所述单层介电弹性体驱动器上，得到多层介电弹性体驱动器；
所述堆叠复合的次数可以为一次或多次；
所述电极材料源复合的方式包括化学气相沉积法、真空抽滤法、朗格缪尔-布劳杰特法、喷涂法、棒涂法、条缝涂布法、微凹印法、提拉法、旋涂法和电脉沉积法成膜中的一种或多种；
所述弹性体材料源复合的方式包括喷涂法、棒涂法、条缝涂布法、微凹印法、提拉法、旋转涂布法和分子束沉积成膜中的一种或多种；
所述电极材料源包括电极材料涂布液、电极材料分散液和电极膜中的一种或多种；
所述弹性体材料源包括弹性体材料涂布液和/或弹性体膜。
优选的，所述电极材料为碳纳米管时，所述碳纳米管涂布液复合的方式包括化学气相沉积法、真空抽滤法、朗格缪尔-布劳杰特法、喷涂法、棒涂法、条缝涂布法、微凹印法、提拉法、旋涂法和电脉沉积法成膜中的一种或多种；
所述电极材料为石墨烯时，所述石墨烯源复合的方式包括化学气相沉积法、真空抽滤法、朗格缪尔-布劳杰特法、喷涂法、棒涂法、条缝涂布法、微凹印法、提拉法和旋涂法成膜中的一种或多种；
所述电极材料为超导炭黑时，所述超导炭黑源复合的方式包括喷涂法、棒涂法、提拉法、旋涂法、条缝涂布法和微凹印法中的一种或多种；
所述电极材料为金属纳米线时，所述金属纳米线源复合的方式包括真空抽滤法、喷涂法、棒涂法、条缝涂布法、微凹印法和旋涂法成膜中的一种或多种。
优选的，所述弹性体材料涂布液可以由弹性体材料和稀释剂混合后得到，或者仅为弹性体材料；
所述电极材料涂布液由电极材料、粘结剂和稀释剂混合后得到，或者由电极材料和稀释剂混合后得到；
所述稀释剂包括挥发性硅油、石脑油、汽油、醇类稀释剂、酮类稀释剂、酯类稀释剂和水中的一种或多种；
所述粘结剂包括硅胶、丙烯酸、聚酯、聚醚、聚乙撑二氧噻吩-聚(苯乙烯磺酸盐)和纤维素中的一种或多种。
优选的，所述弹性体材料涂布液中，所述弹性材料的质量含量为1％～99.9％；
所述电极材料涂布液中，所述电极材料的质量含量为0.1％～50％；
所述电极材料涂布液中，所述粘结剂的质量含量为0.1％～50％；
所述介电弹性体驱动器在驱动电压小于等于100V驱动时，形变率大于等于4％，快速响应时间小于等于20ms，高弹性恢复率大于等于99％。
本发明还提供了一种换能器，包括上述技术方案任意一项所述的介电弹性体驱动器或上述技术方案任意一项所述的制备方法所制备的介电弹性体驱动器。
本发明提供了一种介电弹性体驱动器，所述介电弹性体驱动器具有多层结构；所述多层结构包括单层弹性体层及复合在所述单层弹性体层上下表面的单层电极层，或者单层弹性体层及单层电极层交替堆叠复合而成的多层；所述单层电极层的厚度小于等于1μm；所述单层弹性体层的厚度小于等于5μm。与现有技术相比，本发明针对现有的介电弹性体驱动电压高，难于在小于100V驱动电压时，实现有效驱动的问题。
本发明又针对现有的商业材料中，如Danfoss是将弹性体层成型为波浪形并物理沉积电极层10～100nm，以及Parker则是在弹性体层上印刷电极层等。虽然可以实现低厚度，但Danfoss的弹性体层厚度低于10μm范围时，电极刚性影响过大使材料失去变形能力；而Parker则无法实现印刷电极厚度在微纳米级别，限制了低电压下的应用和工业化应用推广。而在降低介电弹性体厚度到微纳米级别的方法上，虽然当下高校的研究已有报道实现，但都无法在低电压驱动的同时兼具大变形，快速响应及高弹性恢复等，具有应用价值要求的性能效果。
本发明以为，低电压小于等于100V驱动下应用的超薄介电弹性体需要同时满足如下2点，而目前现有技术则难以同时达到。第一，需要降低每层介电弹性体(电极层加弹性体层)厚度到微纳米尺寸(＜5μm)，才能在低电压＜100V驱动。第二，需要驱动时实现大变形，快速响应以及高弹性恢复的效果，才有介电弹性体作为换能器应用的价值。而如高校学术研究中，通过降低硅胶膜和导电层厚度到纳米尺寸的方式降低驱动电压。如Tino实验室和Sophie实验室制备的介电弹性体驱动器等，但仍然无法实现低电压有效驱动的问题。
本发明创造性的将介电弹性体厚度降低到超薄的微纳米级别，通过控制介电弹性体驱动器的弹性体层厚度和电极层厚度，再结合适当的模量、方阻以及相对介电常数等参数，以及材料的选择，从而实现了能在低电压＜100V的情况下驱动，同时实现大变形(大于4％)，快速响应以及高弹性恢复的效果，使得介电弹性体具有作为换能器应用的价值。
本发明突破了常规介电弹性体只能在kV以上高压下驱动的限制，低电压驱动拓展了介电弹性体材料的应用空间，可以用于制造在低电压下应用的多种换能器，比如软体机器人，触觉反馈器件，可调光学器件等。实验结果表明，本发明制备的介电弹性体驱动器，可以在低电压＜100V驱动时，实现大变形＞4％、快速响应＜20ms、高弹性恢复＞99％的效果。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明所有原料，对其来源没有特别限制，在市场上购买的或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备的即可。
本发明所用原料，对其纯度没有特别限制，本发明优选为工业纯或摩擦材料领域的常规纯度即可。
本发明所有原料，其牌号和简称均属于本领域常规牌号和简称，每个牌号和简称在其相关用途的领域内均是清楚明确的，本领域技术人员根据牌号、简称以及相应的用途，能够从市售中购买得到或常规方法制备得到。
本发明所有工艺，其简称均属于本领域的常规简称，每个简称在其相关用途的领域内均是清楚明确的，本领域技术人员根据简称，能够理解其常规的工艺步骤。
本发明提供了一种介电弹性体驱动器，所述介电弹性体驱动器具有多层结构；
所述多层结构包括单层弹性体层及复合在所述单层弹性体层上下表面的单层电极层，或者单层弹性体层及单层电极层交替堆叠复合而成的多层；
所述单层电极层的厚度小于等于1μm；
所述单层弹性体层的厚度小于等于5μm。
本发明所述介电弹性体驱动器具有多层结构，分为单层介电弹性体驱动器和多层介电弹性体驱动器，在本发明单层介电弹性体驱动器和多层介电弹性体驱动器均具有多层结构，其中单层介电弹性体驱动器是指单层弹性体层及复合在所述单层弹性体层上下表面的单层电极层；多层介电弹性体驱动器是指单层弹性体层及单层电极层交替堆叠复合而成的多层，其中至少含有2层及以上的互不接触的电极层，更优选为3层及以上。
本发明所述单层电极层的厚度小于等于1μm，更优选小于等于500nm，更优选小于等于50nm，也可以为1nm～1μm，或者为10～100nm，或者为30～80nm，或者40～60nm。本发明所述单层弹性体层的厚度小于等于5μm，更优选小于等于1μm，更优选小于等于500nm，更优选小于等于300nm，也可以为10nm～5μm，或者为50nm～1μm，或者为30～80nm，或者为40～60nm。
本发明原则上对所述单层电极层的模量没有特别限制，以本领域技术人员熟知的单层电极层的常规模量即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、技术要求和质量要求进行选择和调整，本发明为保证能够在小于等于100V的低电压下驱动，同时还能具有大变形，快速响应以及高弹性恢复的效果，所述单层电极层的模量优选小于等于5MPa，更优选小于等于3MPa，更优选小于等于1MPa，也可以为0.3～5MPa，或者为0.5～3MPa，或者为0.6～1MPa，或者为0.7～0.9MPa。
本发明原则上对所述单层电极层的方阻没有特别限制，以本领域技术人员熟知的单层电极层的常规方阻即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、技术要求和质量要求进行选择和调整，本发明为保证能够在小于等于100V的低电压下驱动，同时还能具有大变形，快速响应以及高弹性恢复的效果，所述单层电极层的方阻优选小于等于10MΩ/□，更优选小于等于1MΩ/□，更优选小于等于100KΩ/□，也可以为10Ω/□～10MΩ/□，或者为50Ω/□～1MΩ/□，或者为100Ω/□～100KΩ/□，或者为1KΩ/□～10KΩ/□。
本发明原则上对所述单层弹性体层的相对介电常数没有特别限制，以本领域技术人员熟知的单层弹性体层的常规相对介电常数即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、技术要求和质量要求进行选择和调整，本发明为保证能够在小于等于100V的低电压下驱动，同时还能具有大变形，快速响应以及高弹性恢复的效果，所述单层弹性体层的相对介电常数优选为2～10，更优选为3～9，更优选为4～8，更优选为5～7。
本发明原则上对所述单层弹性体层的模量没有特别限制，以本领域技术人员熟知的单层弹性体层的常规模量即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、技术要求和质量要求进行选择和调整，本发明为保证能够在小于等于100V的低电压下驱动，同时还能具有大变形，快速响应以及高弹性恢复的效果，所述单层弹性体层的模量优选为10KPa～5MPa，更优选为50KPa～3MPa，更优选为0.1～1MPa，更优选为0.3～0.8MPa。
本发明原则上对所述单层弹性体层的压缩永久变形没有特别限制，以本领域技术人员熟知的单层弹性体层的常规压缩永久变形即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、技术要求和质量要求进行选择和调整，本发明为保证能够在小于等于100V的低电压下驱动，同时还能具有大变形，快速响应以及高弹性恢复的效果，所述单层弹性体层的压缩永久变形优选小于5％，更优选小于等于4％，更优选小于等于3％，更优选小于等于1％。
本发明原则上对所述单层弹性体层的材料没有特别限制，以本领域技术人员熟知的单层弹性体层的常规材料即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、技术要求和质量要求进行选择和调整，本发明为保证能够在小于等于100V的低电压下驱动，同时还能具有大变形，快速响应以及高弹性恢复的效果，所述弹性体层的材料优选包括硅胶类弹性体及其改性材料、丙烯酸类弹性体及其改性材料和聚酯类弹性体及其改性材料中的一种或多种，更优选为硅胶类弹性体及其改性材料、丙烯酸类弹性体及其改性材料或聚酯类弹性体及其改性材料。
本发明原则上对所述单层电极层的材料没有特别限制，以本领域技术人员熟知的单层电极层的常规材料即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、技术要求和质量要求进行选择和调整，本发明为保证能够在小于等于100V的低电压下驱动，同时还能具有大变形，快速响应以及高弹性恢复的效果，所述电极层的材料优选包括碳纳米管、石墨烯、超导炭黑和金属纳米线中的一种或多种，或者碳纳米管、石墨烯、超导炭黑和金属纳米线中的一种或多种与弹性体的复合材料，更优选为碳纳米管、石墨烯、超导炭黑、金属纳米线，或者，碳纳米管、石墨烯、超导炭黑和金属纳米线中的一种或多种与弹性体的复合材料。其中，本发明所述金属纳米线优选包括纳米银线、纳米金线和纳米铜线中的一种或多种，更优选为纳米银线、纳米金线或纳米铜线。
本发明原则上对所述复合的方式没有特别限制，以本领域技术人员熟知的常规复合方式即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、技术要求和质量要求进行选择和调整，本发明为保证能够在小于等于100V的低电压下驱动，同时还能具有大变形，快速响应以及高弹性恢复的效果，所述复合的方式优选包括，将成膜的电极层转印到已成膜的弹性体层上、在成膜的电极层上直接成型弹性体层和在成膜的弹性体层上直接成型电极层中的一种或多种，更优选为将成膜的电极层转印到已成膜的弹性体层上、在成膜的电极层上直接成型弹性体层或在成膜的弹性体层上直接成型电极层。
本发明上述步骤提供了一种介电弹性体驱动器，首要是控制介电弹性体驱动器的弹性体层厚度和电极层厚度分别达到特定的微纳米级别，再控制特定参数范围的模量、方阻以及相对介电常数等参数，以及材料的选择，从而实现了能在低电压＜100V的情况下驱动，同时实现大变形(大于4％)，快速响应以及高弹性恢复的效果，使得介电弹性体具有作为换能器应用的价值。
本发明提供了一种如上述技术方案任意一项所述的介电弹性体驱动器的制备方法，包括以下步骤：
1)将弹性体材料源或电极材料源中的一种，复合在设置有牺牲层的基材的牺牲层表面，得到复合有弹性体层或电极层中的一种的第一基体；
2)将电极材料源或弹性体材料源中的另一种，复合在上述步骤得到的第一基体的弹性体层或电极层表面，得到第二基体；
3)将上述步骤得到的第二基体去除牺牲层后，得到不含基体的胶体膜；
4)在上述步骤得到的胶体膜的弹性体层表面复合第二电极层后，或者，将两个上述步骤得到的胶体膜的弹性体层复合在一起后，得到单层介电弹性体驱动器。
本发明上述介电弹性体驱动器的制备方法中，采用的原料、加入方式以及参数条件的选择，及其相应的优选原则，如无特别注明，与本发明前述步骤提供的介电弹性体驱动器中的原料、加入方式以及参数条件的选择，及其相应的优选原则均优选一一对应，在此不再一一赘述。
本发明首先将弹性体材料源或电极材料源中的一种，复合在设置有牺牲层的基材的牺牲层表面，得到复合有弹性体层或电极层中的一种的第一基体。
本发明原则上对所述弹性体材料源的具体选择没有特别限制，以本领域技术人员熟知的弹性体材料源的常规选择即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、技术要求和质量要求进行选择和调整，本发明为保证能够在小于等于100V的低电压下驱动，同时还能具有大变形，快速响应以及高弹性恢复的效果，所述弹性体材料源优选包括弹性体材料涂布液和/或弹性体膜，更优选为弹性体材料涂布液或弹性体膜。所述弹性体材料涂布液可以由弹性体材料和稀释剂混合后得到，或者仅为弹性体材料。
本发明所述稀释剂优选包括挥发性硅油、石脑油、汽油、醇类稀释剂、酮类稀释剂、酯类稀释剂和水中的一种或多种，更优选为挥发性硅油、石脑油、汽油、醇类稀释剂、酮类稀释剂、酯类稀释剂或水。本发明所述弹性体材料涂布液中，所述弹性材料的质量含量优选为1％～99.9％，更优选为10％～90％，更优选为30％～70％。
本发明原则上对所述电极材料源的具体选择没有特别限制，以本领域技术人员熟知的电极材料源的常规组成即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、技术要求和质量要求进行选择和调整，本发明为保证能够在小于等于100V的低电压下驱动，同时还能具有大变形，快速响应以及高弹性恢复的效果，所述电极材料源优选包括电极材料涂布液、电极材料分散液和电极膜中的一种或多种，更优选为电极材料涂布液、电极材料分散液或电极膜，更优选为电极材料涂布液。所述电极材料涂布液优选由电极材料、粘结剂和稀释剂混合后得到，或者由电极材料和稀释剂混合后得到。
本发明所述粘结剂优选包括硅胶、丙烯酸、聚酯、聚醚、聚乙撑二氧噻吩-聚(苯乙烯磺酸盐)和纤维素中的一种或多种，更优选为硅胶、丙烯酸、聚酯、聚醚、聚乙撑二氧噻吩-聚(苯乙烯磺酸盐)或纤维素。本发明所述稀释剂优选包括挥发性硅油、石脑油、汽油、醇类稀释剂、酮类稀释剂、酯类稀释剂和水中的一种或多种，更优选为挥发性硅油、石脑油、汽油、醇类稀释剂、酮类稀释剂、酯类稀释剂或水。本发明所述电极材料涂布液中，所述电极材料的质量含量优选为0.1％～50％，更优选为1％～40％，更优选为10％～30％。所述电极材料涂布液中，所述粘结剂的质量含量优选为0.1％～50％，更优选为1％～40％，更优选为10％～30％。
本发明原则上对所述电极材料源的复合方式没有特别限制，以本领域技术人员熟知的电极材料的常规复合方式即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、技术要求和质量要求进行选择和调整，本发明为保证能够在小于等于100V的低电压下驱动，同时还能具有大变形，快速响应以及高弹性恢复的效果，所述电极材料源复合的方式优选包括化学气相沉积法、真空抽滤法、朗格缪尔-布劳杰特法、喷涂法、棒涂法、条缝涂布法、微凹印法、提拉法、旋涂法和电脉沉积法成膜中的一种或多种，更优选为化学气相沉积法、真空抽滤法、朗格缪尔-布劳杰特法、喷涂法、棒涂法、条缝涂布法、微凹印法、提拉法、旋涂法或电脉沉积法成膜。
本发明为更好的保证最终产品的性能，完整和细化制备过程，特别优选的，所述电极材料为碳纳米管时，所述碳纳米管源复合的方式优选包括化学气相沉积法、真空抽滤法、朗格缪尔-布劳杰特法、喷涂法、棒涂法、条缝涂布法、微凹印法、提拉法、旋涂法和电脉沉积法成膜中的一种或多种，更优选为化学气相沉积法、真空抽滤法、朗格缪尔-布劳杰特法、喷涂法、棒涂法、条缝涂布法、微凹印法、提拉法、旋涂法或电脉沉积法成膜。所述电极材料为石墨烯时，所述石墨烯源复合的方式优选包括化学气相沉积法、真空抽滤法、朗格缪尔-布劳杰特法、喷涂法、棒涂法、条缝涂布法、微凹印法、提拉法和旋涂法成膜中的一种或多种，更优选为化学气相沉积法、真空抽滤法、朗格缪尔-布劳杰特法、喷涂法、棒涂法、条缝涂布法、微凹印法、提拉法或旋涂法成膜。所述电极材料为超导炭黑时，所述超导炭黑源复合的方式优选包括喷涂法、棒涂法、提拉法、旋涂法、条缝涂布法和微凹印法中的一种或多种，更优选为喷涂法、棒涂法、提拉法、旋涂法、条缝涂布法或微凹印法。所述电极材料为金属纳米线时，所述金属纳米线源复合的方式优选包括真空抽滤法、喷涂法、棒涂法、条缝涂布法、微凹印法和旋涂法成膜中的一种或多种，更优选为真空抽滤法、喷涂法、棒涂法、条缝涂布法、微凹印法或旋涂法成膜。
本发明原则上对所述弹性体材料源的复合方式没有特别限制，以本领域技术人员熟知的弹性体材料的常规复合方式即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、技术要求和质量要求进行选择和调整，本发明为保证能够在小于等于100V的低电压下驱动，同时还能具有大变形，快速响应以及高弹性恢复的效果，所述弹性体材料源复合的方式优选包括喷涂法、棒涂法、条缝涂布法、微凹印法、提拉法、旋转涂布法和分子束沉积成膜中的一种或多种，更优选为喷涂法、棒涂法、条缝涂布法、微凹印法、提拉法、旋转涂布法或分子束沉积成膜。
本发明对所述基材的选择没有特别限制，以本领域技术人员熟知的基材的常规选择即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、技术要求和质量要求进行选择和调整，本发明所述基材优选包括PET、PI和PTFE中的一种或多种，更优选为PET、PI或PTFE。
本发明对所述牺牲层的材料选择没有特别限制，以本领域技术人员熟知的牺牲层的常规选择即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、技术要求和质量要求进行选择和调整，本发明所述牺牲层的优选包括光刻胶溶液牺牲层和/或可溶性树脂溶液牺牲层，更优选为光刻胶溶液牺牲层或可溶性树脂溶液牺牲层。
本发明对所述牺牲层的设置方式没有特别限制，以本领域技术人员熟知的牺牲层的常规设置方式即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、技术要求和质量要求进行选择和调整。
本发明上述步骤得到了复合有弹性体层或电极层中的一种的第一基体，即表面可以含有弹性体层或电极层的第一基体。本发明所述第一基体具有三层结构，依次为弹性体层、牺牲层和基体；或者依次为电极层、牺牲层和基体。
本发明随后将电极材料源或弹性体材料源中的另一种，复合在上述步骤得到的第一基体的弹性体层或电极层表面，得到第二基体。
本发明上述步骤中采用的原料、复合方式以及参数条件的选择，及其相应的优选原则，如无特别注明，与本发明前述步骤1)中的原料、加入方式以及参数条件的选择，及其相应的优选原则均优选一一对应，在此不再一一赘述。
本发明上述步骤得到了复合有弹性体层和电极层的第二基体，即表面可以含有弹性体层或电极层的第一基体。本发明所述第二基体具有四层结构，依次为弹性体层、电极层、牺牲层和基体；或者依次为电极层、弹性体层、牺牲层和基体。
本发明然后将上述步骤得到的第二基体去除牺牲层后，得到不含基体的胶体膜。
本发明对所述去除的方式没有特别限制，以本领域技术人员熟知的常规去除牺牲层的方式即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、技术要求和质量要求进行选择和调整，本发明所述去除的方式优选为溶解牺牲层。
本发明将牺牲层去除后，胶体膜自然和基体脱离，即得到了不含基体的胶体膜。本发明所述胶体膜为两层结构，一层为电极层，另一层为弹性体层。
本发明最后在上述步骤得到的胶体膜的弹性体层表面复合第二电极层后，或者，将两个上述步骤得到的胶体膜的弹性体层复合在一起后，得到单层介电弹性体驱动器。
在本发明中第二电极层的参数和材料，与电极层的参数和材料的选择可以相同也可以不同，本发明没有特别限制。
本发明在得到上述单层介电弹性体驱动器后，然后将弹性体层、电极层和单层介电弹性驱动器中的一种或多种，再次堆叠复合在所述单层介电弹性体驱动器上，得到多层介电弹性体驱动器。
本发明对所述再次堆叠复合的方式没有特别限制，以本领域技术人员熟知的常规此类材料的复合方式即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、技术要求和质量要求进行选择和调整，本发明所述再次堆叠复合的方式优选与前述复合的方式相同，或在前述复合的方式中进行选择即可。
本发明还提供了一种换能器，包括上述技术方案任意一项所述的介电弹性体驱动器或上述技术方案任意一项所述的制备方法所制备的介电弹性体驱动器。
本发明对所述换能器的定义和选择没有特别限制，以本领域技术人员熟知的换能器的定义和选择即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、技术要求和质量要求进行选择和调整，本发明所述换能器可以包括软体机器人、触觉反馈器件或可调光学器件等
本发明上述步骤提供了一种可低电压驱动的介电弹性体驱动器及其制备方法、换能器。本发明提供的介电弹性体驱动器能够在每层介电弹性体厚度在微纳米尺寸，在低电压＜100V驱动时，实现大变形，快速响应以及高弹性恢复的效果，具有作为换能器应用的价值。
本发明将介电弹性体厚度降低到超薄的微纳米级别，通过控制介电弹性体驱动器的弹性体层厚度和电极层厚度，再结合适当的模量、方阻以及相对介电常数等参数，以及材料的选择，更通过特定的加工工艺，控制住厚度，从而实现了能在低电压＜100V的情况下驱动，同时实现大变形(大于4％)，快速响应以及高弹性恢复的效果，使得介电弹性体具有作为换能器应用的价值。
本发明突破了常规介电弹性体只能在kV以上高压下驱动的限制，低电压驱动拓展了介电弹性体材料的应用空间，可以用于制造在低电压下应用的多种换能器，比如软体机器人，触觉反馈器件，可调光学器件等。实验结果表明，本发明制备的介电弹性体驱动器，可以在低电压＜100V驱动时，实现大变形＞4％、快速响应＜20ms、高弹性恢复＞99％的效果。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种介电弹性体驱动器及其制备方法、换能器进行详细描述，但是应当理解，这些实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制，本发明的保护范围也不限于下述的实施例。
实施例1
2μm硅胶层+1μm电极层
步骤一：配制硅胶涂布液，其中硅胶为模量1MPa，粘度60000cp产品，稀释剂为挥发性硅油，粘度1cp，硅胶固含量33％。在涂有牺牲层的PET基材上涂布，棒涂间距为15μm，100℃干燥30min后，干硅胶膜厚度2μm。
步骤二：配制电极涂布液，其中超导炭黑粉固含量2％，粘结剂为硅胶固含量20％，稀释剂为挥发性硅油固含量78％。通过微凹印刷印在硅胶膜表面，100℃干燥30min后，电极层厚度1μm。完成2μm硅胶膜上印单层1μm厚电极，电极层方阻3000Ω/□，模量1Mpa。
步骤三：牺牲层溶解后可将硅胶膜取下。在硅胶膜的非电极层的一面印刷第二电极层，完成单层介电弹性体驱动器。
对本发明实施例1制备的介电弹性体驱动器进行检测。
施加电压100V时，面积形变率为4％，响应时间5ms，去除电压后高弹性恢复率大于等于99％。
实施例2
2μm硅胶层+1μm电极层
步骤一：配制硅胶涂布液，其中硅胶为模量1MPa，压缩永久变形＜5％，粘度1000cp产品，稀释剂为挥发性硅油，粘度1cp，硅胶固含量20％。在涂有牺牲层的PET基材上狭缝涂布，速度20m/min,湿胶膜厚度10μm，烘道鼓风干燥120℃干燥30min后，干硅胶膜厚度2μm。
步骤二：配制电极涂布液，其中超导炭黑粉，石墨烯粉，碳纳米管粉总固含量2％，粘结剂为硅胶固含量10％，稀释剂为挥发性硅油固含量88％。通过旋涂成型在硅胶膜表面，100℃干燥30min后，电极层厚度1μm。完成2μm硅胶膜上印单层1μm厚电极，电极层方阻3000Ω/□，模量1Mpa。
步骤三：牺牲层溶解后可将硅胶膜取下。将2张各单面有电极的硅胶膜，没有覆电极的一面贴合在一起，完成一个单层介电弹性体驱动器；
步骤四：
将单层介电弹性体材料堆叠覆合为20层介电弹性体材料。
对本发明实施例2制备的介电弹性体驱动器进行检测。
施加电压100V时，面积形变率4％，响应时间5ms，去除电压后高弹性恢复率大于等于99％。
实施例3
300nm电极层+1μm硅胶层
步骤一：配置电极涂布液，其中超导炭黑与分散剂球磨分散600转15min，之后加挥发性硅油稀释3倍后150W超声分散半小时，8000转离心过滤1min后取上清液。用喷涂方式在涂有牺牲层的PET上成型，喷涂液滴颗粒10μm，频率300Hz。100℃干燥30min后，电极层厚度300nm，电极层方阻3000Ω/□，模量1Mpa。
步骤二：配制硅胶涂布液，其中硅胶为模量1MPa，粘度3000cp产品，稀释剂为挥发性硅油，粘度1cp，硅胶固含量80％。在涂有牺牲层的PET基材上微凹转印，100℃干燥30min后，干硅胶膜厚度1μm。
步骤三：牺牲层溶解后可将硅胶膜取下。以同样方法在硅胶膜的另一面转印电极，完成单层介电弹性体驱动器。
步骤四：
将单层介电弹性体材料堆叠覆合为5层介电弹性体材料。
对本发明实施例3制备的介电弹性体驱动器进行检测。
施加电压80V时，面积形变率5％，响应时间5ms，去除电压后高弹性恢复率大于等于99％。
实施例4
300nm电极层+1μm硅胶层
步骤一：配置电极涂布液，纳米银线涂布液银线固含量2％。用狭缝涂布方式在硅胶膜上成型，湿胶膜厚度10μm，干净胶膜厚度200nm。120℃干燥15min后，电极层厚度300nm，电极层方阻5000Ω/□，模量5Mpa。
步骤二：配制硅胶涂布液，其中硅胶为模量1MPa，粘度3000cp产品，稀释剂为挥发性硅油，粘度1cp，硅胶固含量80％。在涂有牺牲层的PET基材上微凹转印，100℃干燥30min后，干硅胶膜厚度1μm。
步骤三：牺牲层溶解后可将硅胶膜取下。以同样方法在硅胶膜的另一面转印电极，完成单层介电弹性体驱动器。
步骤四：
将单层介电弹性体材料堆叠覆合为10层介电弹性体材料。
对本发明实施例4制备的介电弹性体驱动器进行检测。
施加电压80V时，面积形变率6％，响应时间5ms，去除电压后高弹性恢复率大于等于99％。
实施例5
200nm硅胶层+50nm电极层
步骤一：配制硅胶涂布液，其中硅胶为模量1MPa，压缩永久变形＜5％，粘度4000cp产品，稀释剂为挥发性硅油，粘度1cp，硅胶固含量2％。在涂有牺牲层的PET基材上旋涂，旋涂速度8000转/min时间2min，120℃干燥30min后，干硅胶膜厚度200nm。牺牲层溶解后可将硅胶膜取下。
步骤二：配制电极涂布液，商品化多壁碳纳米管(MWCNT)水分散液，其中MWCNT1wt％。再将5wt％MWCNT水分散液中加入5wt％乙二醇，70wt％异丙醇，20wt％丙二醇丁醚稀释超声分散400W1min。然后3000转60min离心取上清液。用喷涂方式在硅胶膜上成型，喷涂液滴颗粒5μm，频率700Hz。100℃干燥30min后，电极层厚度50nm，电极层方阻6000Ω/□，模量0.8Mpa。
步骤三：以同样方法在硅胶膜的另一面转印电极，完成单层介电弹性体驱动器。
步骤四：
将单层介电弹性体材料堆叠覆合为25层介电弹性体材料。
对本发明实施例5制备的介电弹性体驱动器进行检测。
施加电压20V时，面积形变率5％，响应时间5ms，去除电压后高弹性恢复率大于等于99％。
实施例6
200nm硅胶层+50nm电极层
步骤一：配制硅胶，其中硅胶为模量1MPa，压缩永久变形＜5％，粘度100cSt产品。分子束沉积方式成膜，在高真空条件下进行。使用干式涡旋泵实现10-8mbar的基础压力，抽速为110L/min与涡轮分子泵组合使用，氮气抽速为77L/s，转速为1350Hz。使用低温喷射池实现NTEZ坩埚内的均匀温度分布。将蒸发器的温度斜坡调节至每分钟10K的加热速率。沉积温度180℃，沉积速率130nm/h，UV辐射固化厚得到干硅胶膜厚度200nm。
步骤二：配制电极液。在2wt％多壁碳纳米管分散液中与0.02％聚烷基噻吩分散液以体积比9:1混合后超声分散1h，之后3000转离心15min取上清液放入LB分析仪水槽中。LS法电极层在水面15mN/m表面张力，将硅胶膜以2mm/min速度移向电极层，直至电极层转印到硅胶层上。电极层厚度50nm，电极层方阻100kΩ/□，模量0.8Mpa。
步骤三：以同样方法在硅胶膜的另一面转印电极，完成单层介电弹性体驱动器。
步骤四：
将单层介电弹性体材料堆叠覆合为5层介电弹性体材料。
对本发明实施例6制备的介电弹性体驱动器进行检测。
施加电压20V时，面积形变率4％，响应时间5ms，去除电压后高弹性恢复率大于等于99％。
实施例7
1μm丙烯酸层+50nm电极层
步骤一：旋涂法做丙烯酸弹性体层。配制丙烯酸涂布液，其中丙烯酸模量1MPa，压缩永久变形＜5％产品，稀释剂为丙二醇甲醚醋酸酯，固含量50％。在涂有牺牲层的PET基材上旋涂，旋涂速度8000转/min时间2min，120℃干燥30min后，干硅胶膜厚度1μm。
步骤二：CVD法做电极层。在硅基底材镀镍膜，通入氩气和氢气混合气体进行900℃热处理，随后通入以乙炔气体为碳源生长多壁碳纳米管薄膜，厚度50nm，电阻500Ω/。
步骤三：
将硅胶膜表面做等离子处理，氧气和氩气50sccm双气，40KHz/100W，时间1min。然后将2张电极层分别紧密贴合到硅胶膜上的双侧，完成单层介电弹性体驱动器。
步骤四：
将单层介电弹性体材料堆叠覆合为5层介电弹性体材料。
对本发明实施例7制备的介电弹性体驱动器进行检测。
施加电压80V时，面积形变率5％，响应时间5ms，去除电压后高弹性恢复率大于等于99％。
实施例8
1μm丙烯酸层+50nm电极层
步骤一：旋涂法做丙烯酸弹性体层。配制丙烯酸涂布液，其中丙烯酸模量1MPa，压缩永久变形＜5％产品，稀释剂为丙二醇甲醚醋酸酯，固含量50％。在涂有牺牲层的PET基材上旋涂，旋涂速度8000转/min时间2min，120℃干燥30min后，干硅胶膜厚度1μm
步骤二：抽滤转移法做电极层。单笔碳纳米管分散在1％的SDS水溶液中，200W超声分散10min，3000转离心过滤5min后取上清液。选择50nm孔径的聚碳酸酯滤纸，用真空抽滤方式在滤纸上成膜。40℃干燥1h后，电极层厚度30nm，电极层方阻5000Ω/□，模量1Mpa。
步骤三：
将单张电极层紧密贴合到单张硅胶层单侧，然后继续交替贴合单张硅胶层与电极层，完成堆叠复合而成的10层介电弹性体驱动器。
对本发明实施例8制备的介电弹性体驱动器进行检测。
施加电压30V时，面积形变率6％，响应时间5ms，去除电压后高弹性恢复率大于等于99％。
实施例9
直接成型多层驱动器(2μm硅胶+0.5μm电极)
步骤一：配制硅胶涂布液，其中硅胶为模量1MPa，压缩永久变形＜5％，粘度1000cp产品，稀释剂为挥发性硅油，粘度1cp，硅胶固含量50％。在涂有电极层的基材上旋涂，旋涂速度8000转/min时间2min，120℃干燥30min后，干硅胶膜厚度5μm。
步骤二：配置电极涂布液，其中超导炭黑与分散剂球磨分散600转15min，之后加乙烯基硅油及挥发性硅油稀释3倍后150W超声分散半小时，3000转离心过滤1min后取上清液。用喷涂方式在硅胶膜上成型，喷涂液滴颗粒10μm，频率300Hz。100℃干燥30min后，电极层厚度0.5μm，电极层方阻3000Ω/□，模量1Mpa。
步骤三：继续在电极层上旋涂硅胶层，之后依次重复交替喷涂电极层，旋涂硅胶层。最后将牺牲层溶解，取下单层弹性体层及单层电极层交替堆叠复合而成的20层介电弹性体。
对本发明实施例9制备的介电弹性体驱动器进行检测。
施加电压100V时，面积形变率5％，响应时间5ms，去除电压后高弹性恢复率大于等于99％。
以上对本发明提供的一种可低电压驱动的介电弹性体驱动器及其制备方法、换能器进行了详细的介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，包括最佳方式，并且也使得本领域的任何技术人员都能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，和实施任何结合的方法。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。本发明专利保护的范围通过权利要求来限定，并可包括本领域技术人员能够想到的其他实施例。如果这些其他实施例具有不是不同于权利要求文字表述的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的文字表述无实质差异的等同结构要素，那么这些其他实施例也应包含在权利要求的范围内。
Claims (10)
1.一种介电弹性体驱动器，其特征在于，所述介电弹性体驱动器具有多层结构；
所述多层结构包括单层弹性体层及复合在所述单层弹性体层上下表面的单层电极层，或者单层弹性体层及单层电极层交替堆叠复合而成的多层；
所述单层电极层的厚度小于等于1μm；
所述单层弹性体层的厚度小于等于5μm；
所述单层电极层的模量小于等于5MPa；
所述单层电极层的方阻小于等于10MΩ/□；
所述单层弹性体层的相对介电常数大于等于2。
2.根据权利要求1所述的介电弹性体驱动器，其特征在于，
所述单层电极层的厚度为1nm～1μm；
所述单层弹性体层的厚度为10nm～5μm。
3.根据权利要求1所述的介电弹性体驱动器，其特征在于，所述单层电极层的方阻为10Ω/□～10MΩ/□；
所述单层电极层的模量为0.3～5MPa；
所述单层弹性体层的相对介电常数为2～10；
所述单层弹性体层的模量为10kPa～5MPa；
所述单层弹性体层的压缩永久变形＜5％；
所述多层中互不接触的电极层的层数≥2。
4.根据权利要求1所述的介电弹性体驱动器，其特征在于，所述弹性体层的材料包括硅胶类弹性体及其改性材料、丙烯酸类弹性体及其改性材料和聚酯类弹性体及其改性材料中的一种或多种；
所述电极层的材料包括碳纳米管、石墨烯、超导炭黑和金属纳米线中的一种或多种，或者碳纳米管、石墨烯、超导炭黑和金属纳米线中的一种或多种与弹性体的复合材料；
所述金属纳米线包括纳米银线、纳米金线和纳米铜线中的一种或多种；
所述复合的方式包括，将成膜的电极层转印到已成膜的弹性体层上、在成膜的电极层上直接成型弹性体层和在成膜的弹性体层上直接成型电极层中的一种或多种。
5.一种如权利要求1～4任意一项所述的介电弹性体驱动器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将弹性体材料源或电极材料源中的一种，复合在设置有牺牲层的基材的牺牲层表面，得到复合有弹性体层或电极层中的一种的第一基体；
2)将电极材料源或弹性体材料源中的另一种，复合在上述步骤得到的第一基体的弹性体层或电极层表面，得到第二基体；
3)将上述步骤得到的第二基体去除牺牲层后，得到不含基体的胶体膜；
4)在上述步骤得到的胶体膜的弹性体层表面复合第二电极层后，或者，将两个上述步骤得到的胶体膜的弹性体层复合在一起后，得到单层介电弹性体驱动器。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，将弹性体层、电极层和单层介电弹性驱动器中的一种或多种，再次堆叠复合在所述单层介电弹性体驱动器上，得到多层介电弹性体驱动器；
所述堆叠复合的次数可以为一次或多次；
所述电极材料源复合的方式包括化学气相沉积法、真空抽滤法、朗格缪尔-布劳杰特法、喷涂法、棒涂法、条缝涂布法、微凹印法、提拉法、旋涂法和电脉沉积法成膜中的一种或多种；
所述弹性体材料源复合的方式包括喷涂法、棒涂法、条缝涂布法、微凹印法、提拉法、旋转涂布法和分子束沉积成膜中的一种或多种；
所述电极材料源包括电极材料涂布液、电极材料分散液和电极膜中的一种或多种；
所述弹性体材料源包括弹性体材料涂布液和/或弹性体膜。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述电极材料为碳纳米管时，所述碳纳米管源复合的方式包括化学气相沉积法、真空抽滤法、朗格缪尔-布劳杰特法、喷涂法、棒涂法、条缝涂布法、微凹印法、提拉法、旋涂法和电脉沉积法成膜中的一种或多种；
所述电极材料为石墨烯时，所述石墨烯源复合的方式包括化学气相沉积法、真空抽滤法、朗格缪尔-布劳杰特法、喷涂法、棒涂法、条缝涂布法、微凹印法、提拉法和旋涂法成膜中的一种或多种；
所述电极材料为超导炭黑时，所述超导炭黑源复合的方式包括喷涂法、棒涂法、提拉法、旋涂法、条缝涂布法和微凹印法中的一种或多种；
所述电极材料为金属纳米线时，所述金属纳米线源复合的方式包括真空抽滤法、喷涂法、棒涂法、条缝涂布法、微凹印法和旋涂法成膜中的一种或多种。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述弹性体材料涂布液可以由弹性体材料和稀释剂混合后得到，或者仅为弹性体材料；
所述电极材料涂布液由电极材料、粘结剂和稀释剂混合后得到，或者由电极材料和稀释剂混合后得到；
所述稀释剂包括挥发性硅油、石脑油、汽油、醇类稀释剂、酮类稀释剂、酯类稀释剂和水中的一种或多种；
所述粘结剂包括硅胶、丙烯酸、聚酯、聚醚、聚乙撑二氧噻吩-聚(苯乙烯磺酸盐)和纤维素中的一种或多种。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述弹性体材料涂布液中，所述弹性材料的质量含量为1％～99.9％；
所述电极材料涂布液中，所述电极材料的质量含量为0.1％～50％；
所述电极材料涂布液中，所述粘结剂的质量含量为0.1％～50％；
所述介电弹性体驱动器在驱动电压小于等于100V驱动时，形变率大于等于4％，快速响应时间小于等于20ms，高弹性恢复率大于等于99％。
10.一种换能器，其特征在于，包括权利要求1～4任意一项所述的介电弹性体驱动器或权利要求5～9任意一项所述的制备方法所制备的介电弹性体驱动器。
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