CN109756147B - 一种基于液晶弹性聚合物的电致动尺蠖仿生结构及制造工艺 - Google Patents

Abstract

一种基于液晶弹性聚合物的仿生尺蠖结构及制造工艺，顶层为具有一定厚度的硅胶膜，下方为通过粘附材料与顶层硅胶膜粘结为一体的斜柱状阵列结构以及液晶弹性聚合物，制造工艺是先进行倾斜柱状阵列结构的制备，然后进行顶层硅胶模的制备，再把斜柱状阵列结构及液晶弹性聚合物和硅胶膜粘结在一起形成复合结构，最后进行液晶弹性聚合物电致动特性的激活，制造出隆起状态的液晶弹性聚合物与顶层硅胶膜及斜柱状阵列结构复合的功能结构，基于液晶弹性聚合物的干仿生尺蠖结构能够在小电压驱动的前提下，实现驱动可控和大变形的有机统一。

Description

一种基于液晶弹性聚合物的电致动尺蠖仿生结构及制造工艺

技术领域

本发明属于微纳工程中的仿生制造技术领域，具体涉及一种基于液晶弹性聚合物的电致动尺蠖仿生结构及制造工艺。

背景技术

尺蠖能够依靠身上的胸足和尾足就能轻松自如在支叶上进行任意的攀爬行走，其运动稳定性好、对材质和形貌适应性强、不会对物体表面造成损伤等特点引起了致力于软体机器人研究的广大科研人员的关注。目前，应用于尺蠖仿生结构的驱动主要为光致驱动和电致驱动。其中，光致驱动主要以纯聚合物材料(比如：以聚硅氧烷为主链含有偶氮苯基团的单畴向列相液晶弹性体)和聚合物基复合材料为主，在外界激光源的作用下，实现化学键的变化或能量的转化，从而引起材料形变，但需要一套外界激光源设备，且由于激光源斑点区域小的缘故，使得基于外界激光源驱动尺蠖仿生结构的形变较小且可控性较差。在电致驱动中，主要有离子型电活性聚合物和非离子型电活性聚合物两种驱动材料，离子型电活性聚合物由于在驱动时需要进行封装，其柔性降低，不利于形变；而非离子型电活性聚合物因需要较高的激活场而极易达到材料的电击穿值，所以其形变大小受到限制，因此基于电致动的两种聚合物的应用均受到不同程度的限制。那么如何安全有效地实现仿生尺蠖结构的驱动可控和大变形的有机统一是目前仿生尺蠖设计和工艺制造方向面临的困难和挑战。

发明内容

为了解决上述现有技术的难题，本发明的目的在于提供一种基于液晶弹性聚合物的电致动尺蠖仿生结构及制造工艺，实现驱动可控和大变形的有机统一。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于液晶弹性聚合物的电致动尺蠖仿生结构，顶层为具有一定厚度的弹性体，下方的斜柱状阵列结构以及液晶弹性聚合物通过粘附材料与顶层粘结。

所述的顶层弹性体采用硅胶或聚氨酯；所述的斜柱状阵列结构采用硅胶或聚氨酯；所述的粘附材料采用硅胶粘结剂或硅胶胶水；所述的液晶弹性聚合物采用掺杂碳纳米管或石墨烯的液晶弹性聚合物(LCE)。

一种基于液晶弹性聚合物的电致动尺蠖仿生结构的制造工艺，包括以下步骤：

第一步，斜柱状阵列结构的制备：在基材的表面旋涂一层厚度为微米级别的光刻胶，所述的基材为载玻片或Si片，所述的光刻胶为EPG 533或AZ系列光刻胶，利用倾斜曝光技术在光刻胶层实现倾斜柱状阵列结构的反型结构，进而采用旋涂工艺在反型结构的光刻胶层表面制备一层厚度为微米级别的聚合物弹性体，利用超声剥离工艺去除与倾斜柱状阵列结构粘附在一起的光刻胶，实现倾斜柱状阵列结构的制作；

第二步，顶层硅胶模的制备：通过将流态聚合物弹性体在光滑平面上自然流平获得具有一定厚度的硅胶膜；

第三步，液晶弹性聚合物LCE合成：在合成LCE过程中，加入适当含量的碳纳米管或石墨烯，用磁力搅拌器搅拌均匀。然后将混有碳纳米管或石墨烯的粘稠状溶液置于真空箱中，抽去溶液中的气泡。然后把上述溶液浇铸在模板上(模板腔深度在数百微米级)，在避光的条件下放置24h，即可得到多畴LCE。剪取适当尺寸的多畴LCE进行拉伸。然后把拉伸的LCE放在365nm的紫光灯下辐照10min，即可得到单畴LCE。

第四步，复合结构的制造：把第一步制备的倾斜柱状阵列结构、第二步制备的具有一定厚度的硅胶膜及第三步制作的液晶弹性聚合物LCE通过粘附材料粘结在一起形成复合结构；

本发明的有益效果：本发明的基于液晶弹性聚合物的仿生尺蠖结构，利用液晶弹性聚合物的电致动特性，实现仿生尺蠖结构在电场调控下的可控驱动，其制造工艺，采用基于光刻、模塑和旋涂的工艺手段，实现各层结构的准确可控制造，本发明的基于液晶弹性聚合物的复合结构可广泛用于军事、生物医疗等技术领域。

附图说明：

图1为本发明未施加外部电压时仿生尺蠖结构的示意图。

图2-1为本发明在基材上制备一层光刻胶的结构示意图。

图2-2为本发明利用β角度倾斜曝光技术在光刻胶层制备倾斜柱状阵列反型结构的工艺示意图。

图2-3为本发明在光刻胶层制备的倾斜柱状阵列反型结构示意图。

图2-4为本发明在光刻胶倾斜柱状阵列反型结构表面旋涂制备一层聚合物弹性体的示意图。

图2-5为本发明从光刻胶倾斜柱状阵列反型结构剥离后的倾斜柱状阵列结构示意图。

图3为本发明使用聚合物弹性体制备的具有一定厚度的硅胶膜示意图。

图4为本发明电致驱动的液晶弹性聚合物LCE示意图。

图5为本发明将倾斜柱状阵列结构及液晶弹性聚合物通过粘附材料与硅胶耦合成整体的示意图。

图6-1为本发明施加外部电压时仿生尺蠖结构初变形的示意图。

图6-2为本发明施加外部电压时仿生尺蠖结构变形量最大时的示意图。

图6-3为本发明断电仿生尺蠖结构形变开始恢复的示意图。

图6-4为本发明断电后仿生尺蠖结构形变完全恢复的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

一种基于液晶弹性聚合物的电致动尺蠖仿生结构，顶层为具有一定厚度的硅胶膜1，下方的斜柱状阵列结构2以及液晶弹性聚合物4通过粘附材料3与顶层硅胶膜1粘结。

所述的斜柱状阵列结构采用硅胶或聚氨酯；所述的粘附材料采用硅胶粘结剂或硅胶胶水；所述的液晶弹性聚合物采用掺杂碳纳米管或石墨烯的液晶弹性聚合物LCE。

当液晶弹性聚合物4两端施加电压U为0时，液晶弹性聚合物4不发生变形，如图1所示；当液晶弹性聚合物4两端施加电压U不为0时，电场会在液晶弹性聚合物4内部发生电热效应，产生的热量导致液晶弹性聚合物4收缩变形，并带着顶层的硅胶膜1一起拱起来，由于两端倾斜柱状阵列结构2的倾斜特性，使得前端不动而后端在爬行基板5上向前滑移，如图6-1所示；随着持续施加外界电压，其上拱趋势不断增大，同时后端在爬行基板5上也不断向前滑移，如图6-2所示；当液晶弹性聚合物4两端外加电压再次恢复为0时，液晶弹性聚合物4在弹性作用下恢复初始形貌，由于两端倾斜柱状阵列结构倾斜特性，使得后端不动而前端在爬行基板5上向前滑移，如图6-3所示；随着时间的增加，其形变恢复到原来的状态，如图6-4所示；所示，由此实现了电场调控的仿生尺蠖结构的可控电致驱动。

一种基于液晶弹性聚合物的电致动尺蠖仿生结构的制造工艺，包括以下步骤：

第一步，斜柱状阵列结构的制备：在基材7的表面旋涂一层厚度h₁为微米级别的光刻胶6-1，所述的基材为载玻片或Si片，所述的光刻胶为EPG 533或AZ系列光刻胶，如图2-1所示；利用倾斜曝光技术，顶部UV光8透过掩膜版9实现光刻胶6-1的顶部光刻，得到倾斜柱状柱径D₁为微米级别，间距D₂为微米级别，杆径高度h₁为微米的光刻区域，光刻胶6-1曝光部分交联反应，形成曝光光刻胶6-2，如图2-2所示；

利用显影技术，去除曝光光刻胶6-2，在光刻胶6-1和曝光光刻胶6-2上实现倾斜柱状阵列结构2的反型结构，如图2-3所示；

利用旋涂工艺在反型结构光刻胶6-1和曝光光刻胶6-2表面旋涂一层聚合物弹性体，留膜厚度h₂为微米级别，实现顶层的倾斜柱状阵列结构2的制造，如图2-4所示；

利用超声剥离工艺去除与倾斜柱状阵列结构2粘附在一起的光刻胶6-1和曝光光刻胶6-2，最终去除光刻胶6-1和曝光光刻胶6-2以及基材7，实现顶层的倾斜柱状阵列结构2的可控成型，如图2-5所示；

第二步，顶层硅胶膜的制备：通过将流态聚合物弹性体在光滑平面上自然流平获得具有一定厚度h3的硅胶膜1，如图3所示；

第三步，液晶弹性聚合物LCE合成：在合成LCE过程中，加入适当含量的碳纳米管或石墨烯，用磁力搅拌器搅拌均匀。然后将混有碳纳米管或石墨烯的粘稠状溶液置于真空箱中，抽去溶液中的气泡。然后把上述溶液浇铸在模板上(模板腔深度在数百微米级)，在避光的条件下放置24h,即可得到多畴LCE。剪取适当尺寸的多畴LCE进行拉伸，厚度为h4。然后把拉伸的LCE放在365nm的紫光灯下辐照10min,即可得到单畴LCE，如图4所示。

第四步，复合结构的制造：把第一步制备的倾斜柱状阵列结构2、第二步制备的具有一定厚度的硅胶膜1及第三步制作的液晶弹性聚合物LCE 4通过粘附材料粘结在一起形成复合结构，如图5所示。

本发明设计的基于液晶弹性聚合物的尺蠖仿生结构克服了传统驱动力大小和可控性之间有机结合的难题，利用光刻、旋涂、模塑等工艺实现了设计结构的准确可控制造，能够适用仿生领域的广泛需求。

Claims (3)

1.一种基于液晶弹性聚合物的电致动尺蠖仿生结构，其特征在于：顶层为具有一定厚度的硅胶膜，下方的斜柱状阵列结构以及液晶弹性聚合物通过粘附材料与顶层硅胶膜粘结，液晶弹性聚合物需设置在两斜柱状阵列结构之间，两斜柱状阵列结构的倾斜方向一致。

2.根据权利要求1所述的一种基于液晶弹性聚合物的电致动尺蠖仿生结构，其特征在于：所述的斜柱状阵列结构采用硅胶或聚氨酯；所述的粘附材料采用硅胶粘结剂或硅胶胶水；所述的液晶弹性聚合物采用掺杂碳纳米管或石墨烯的液晶弹性聚合物LCE。

3.根据权利要求1所述的一种基于液晶弹性聚合物的电致动尺蠖仿生结构的制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，斜柱状阵列结构的制备：在基材的表面旋涂一层厚度为微米级别的光刻胶，所述的基材为载玻片或Si片，所述的光刻胶为EPG 533或AZ系列光刻胶，利用倾斜曝光技术在光刻胶层实现倾斜柱状阵列结构的反型结构，进而采用旋涂工艺在反型结构的光刻胶层表面制备一层厚度为微米级别的聚合物弹性体，利用超声剥离工艺去除与倾斜柱状阵列结构粘附在一起的光刻胶，实现倾斜柱状阵列结构的制作；

第二步，顶层硅胶模的制备：通过将流态聚合物弹性体在光滑平面上自然流平获得具有一定厚度的硅胶膜；

第三步，液晶弹性聚合物LCE合成：在合成LCE过程中，加入适当含量的碳纳米管或石墨烯,用磁力搅拌器搅拌均匀；然后将混有碳纳米管或石墨烯的粘稠状溶液置于真空箱中，抽去溶液中的气泡；然后把上述溶液浇铸在模板上，模板腔深度在数百微米级，在避光的条件下放置24h，即得到多畴LCE；剪取多畴LCE进行拉伸，然后把拉伸的LCE放在365nm的紫光灯下辐照10min,即得到单畴LCE；

第四步，复合结构的制造：把第一步制备的倾斜柱状阵列结构、第二步制备的具有一定厚度的硅胶膜及第三步制作的液晶弹性聚合物LCE通过粘附材料粘结在一起形成复合结构。

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