CN110957133A - 一种基于4d打印的仿生可变形电容器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电容器领域，并具体公开了一种基于4D打印的仿生可变形电容器及其制备方法。包括多层间隔布置的不导电形状记忆聚合物以分别布置于相邻两层不导电形状记忆聚合物之间的多层导电形状记忆聚合物，所述不导电形状记忆聚合物与所述导电形状记忆聚合物均采用4D打印的方式制备而成，所述不导电形状记忆聚合物采用不导电的形状记忆高分子材料制备而成，所述导电形状记忆聚合物采用可导电的形状记忆高分子材料制备而成，在仿生可变形电容器使用之前，先需要给所述导电形状记忆聚合物进行多次通电和断电，从而完成仿生可变形电容器的驱动训练。本发明仿生可变形电容器具有结构简单、工作效率高、弯曲变形比率高的特点。

Description

一种基于4D打印的仿生可变形电容器
技术领域
本发明涉及电容器领域，更具体地，涉及一种基于4D打印的仿生可变形电容器。
背景技术
两个相互靠近的导体，中间夹一层不导电的绝缘介质，就构成了电容器。当电容器的两个极板之间加上电压时，电容器就会储存电荷。电容器的电容量在数值上等于一个导电极板上的电荷量与两个极板之间的电压之比。电容器的电容量的基本单位是法拉(F)。在电路图中通常用字母C表示电容元件。电容器是电子电路中不可或缺的基础性元器件，具有重要的应用价值和现实意义。随着电子信息技术的日新月异，数码电子产品的更新换代速度越来越快，以平板电视(LCD和PDP)、笔记本电脑、数码相机等产品为主的消费类电子产品产销量持续增长，带动了电容器产业增长。
对于目前的电容器来说，基本上均为固定形态结构的电容器，其一旦被制造出来，就已经形成了固定的结构形状。然而随着人类进入智能时代，能够进行形状改变的电容器将会广泛应用于类人机器人领域。结合4D打印技术，将可变形电容器与其他电子元件直接相结合一体化成形出来，能够形成传感、控制、储能、执行一体化智能装置。
因而。本领域亟待提出一种基于4D打印的仿生可变形电容器，结合4D打印技术，将可变形电容器与其他电子元件直接相结合一体化成形出来，能够形成传感、控制、储能、执行一体化智能装置。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于4D打印的仿生可变形电容器，其中结合电容器自身的特征及其4D打印的工艺特点，相应设计了仿生可变形电容器，并对其关键组件如不导电形状记忆聚合物、电形状记忆聚合物和驱动训练的方式及其具体设置方式进行研究和设计，相应的可使得该电容器能够在满足导电的基础上，还可通过驱动训练，使得仿生可变形电容器按照既定的线路发生弯曲变形，以适应仿生可变形电容器工作需求，在断电时，仿生可变形电容器按照既定的线路恢复原来的形状，具有结构简单、工作效率高、弯曲变形比率高的特点，可以广泛地应用在自供电微电子设备，生物医学设备等多方面。
为实现上述目的，本发明提出了一种基于4D打印的仿生可变形电容器，其特征在于，包括多层间隔布置的不导电形状记忆聚合物以分别布置于相邻两层不导电形状记忆聚合物之间的多层导电形状记忆聚合物，其中，
所述导电形状记忆聚合物与其相邻的两层不导电形状记忆聚合物固定连接，所述不导电形状记忆聚合物与所述导电形状记忆聚合物均采用4D打印的方式制备而成，各层所述不导电形状记忆聚合物与各层所述导电形状记忆聚合物均平行布置，各层所述导电形状记忆聚合物的厚度相同，形成电容器的两极；
所述不导电形状记忆聚合物采用不导电的形状记忆高分子材料制备而成，所述导电形状记忆聚合物采用可导电的形状记忆高分子材料制备而成，在仿生可变形电容器使用之前，先需要给所述导电形状记忆聚合物进行多次通电和断电，在通电时，仿生可变形电容器按照既定的线路发生弯曲变形，以适应仿生可变形电容器工作需求，在断电时，仿生可变形电容器按照既定的线路恢复原来的形状，从而完成仿生可变形电容器的驱动训练，以此方式，以获取在工作时可按指定路线弯曲变形的仿生可变形电容器。
作为进一步优选的，所述不导电的形状记忆高分子材料为聚乳酸、聚氨酯、聚己内酯、尼龙中的任意一种。
作为进一步优选的，所述可导电的形状记忆高分子材料为碳纳米管聚乳酸复合材料、石墨烯聚乳酸复合材料、石墨烯尼龙材料、石墨烯聚氨酯材料、碳纳米管聚己内酯材料中的任意一种。
作为进一步优选的，构成仿生可变形电容器最上层和最下层的不导电形状记忆聚合物上设有折叠线，该折叠线用于在所述导电形状记忆聚合物通电或者断电时，仿生可变形电容器可沿该折叠线做弯曲运动或者展开运动；
所述折叠线设置有多条，多条所述折叠线各不相交叉，且相邻两条折叠线的夹角不大于60°。
作为进一步优选的，每层所述导电形状记忆聚合物的厚度为20μm～50μm，最上层和最下层的所述不导电形状记忆聚合物的厚度为0.3μm～0.8μm；中间层的各层所述不导电形状记忆聚合物的厚度为0.1μm～0.3μm。
作为进一步优选的，所述仿生可变形电容器的形状为波浪形、弓形、螺旋形、长方形、半圆形、手掌中的任意一种。
作为进一步优选的，在仿生可变形电容器的驱动训练中，通电时，仿生可变形电容器的升温速度为3℃/s，断电时，仿生可变形电容器的降温速度为2℃/s，以此方式，使得所述仿生可变形电容器缓慢变形。
作为进一步优选的，在仿生可变形电容器的驱动训练中，通电和断电的次数至少不少于5次，且，在前三次的通电和断电过程中，还需沿折叠线施加外力，使得仿生可变形电容器沿所述折叠线弯曲或者展开。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明通过对仿生可变形电容器的基础结构如不导电形状记忆聚合物和导电形状记忆聚合物进行特定性设计，相应的，使得该电容器能够在满足导电的基础上，还可通过驱动训练，使得仿生可变形电容器按照既定的线路发生弯曲变形，以适应仿生可变形电容器工作需求，在断电时，仿生可变形电容器按照既定的线路恢复原来的形状，具有结构简单、工作效率高、弯曲变形比率高的特点，可以广泛地应用在自供电微电子设备，生物医学设备等多方面。
2.本发明所述不导电的形状记忆高分子材料为聚乳酸、聚氨酯、聚己内酯、尼龙中的任意一种，具有较好的柔性，其在导电形状记忆聚合物通电时，可按照既定的路线发生弯曲变形，可作为导电形状记忆聚合物变形区域的缓冲物质，对导电形状记忆聚合物进行保护，另一方面，其柔软度适应，可实现电容器在工作时变形的需要。
3.本发明所述可导电的形状记忆高分子材料为碳纳米管聚乳酸复合材料、石墨烯聚乳酸复合材料、石墨烯尼龙材料、石墨烯聚氨酯材料、碳纳米管聚己内酯材料中的任意一种，其既可以实现导电的作用，还可实现在一定程度上的弯曲作用，在多次弯曲变形和展开的作用下，不会发生断裂。
4.本发明构成仿生可变形电容器最上层和最下层的不导电形状记忆聚合物上设有折叠线，该折叠线用于在所述导电形状记忆聚合物通电或者断电时，仿生可变形电容器可沿该折叠线做弯曲运动或者展开运动；所述折叠线设置有多条，多条所述折叠线各不相交叉，且相邻两条折叠线的夹角不大于60°，以此方式，可以使得仿生电容器适应各种形状的变形，适应性强，同时，折叠线及夹角的设计，使得构成电容器的导电层在多次弯曲变形和展开的作用下，不会发生断裂。
5.本发明每层所述导电形状记忆聚合物的厚度为20μm～50μm，最上层和最下层的所述不导电形状记忆聚合物的厚度为0.3μm～0.8μm；中间层的各层所述不导电形状记忆聚合物的厚度为0.1μm～0.3μm，以此方式，使得电容器的发生变形时，不会因为电容器的不导电形状记忆聚合物的厚度较厚，而导致变形不能达到指定的形状，同时，该尺度下的电容器适应性强。
6.本发明在仿生可变形电容器的驱动训练中，通电时，仿生可变形电容器的升温速度为3℃/s，断电时，仿生可变形电容器的降温速度为2℃/s，以此方式，使得所述仿生可变形电容器缓慢变形，使得构成电容器的导电层在多次弯曲变形和展开的作用下，不会发生断裂，同时，满足驱动训练后，电容器具有按指定路线发生弯曲变形的记忆功能。
7.本发明在仿生可变形电容器的驱动训练中，通电和断电的次数至少不少于5次，且，在前三次的通电和断电过程中，还需沿折叠线施加外力，使得仿生可变形电容器沿所述折叠线弯曲或者展开，以此方式，可结合电容器在升温和降温过程中，由于弯曲变形不到位使得驱动训练后的电容器弯曲变形不能满足要求，进而可快速满足电容器弯曲变形的程度，加快电容器的驱动训练，使得构成电容器弯曲变形的精度高。
附图说明
图1是本发明实施例涉及的一种基于4D打印的仿生可变形电容器的结构示意图；
图2是本发明实施例涉及的一种基于4D打印的波浪形的仿生可变形电容器的结构示意图；
图3是本发明实施例涉及的一种基于4D打印的弓形的仿生可变形电容器的结构示意图；
图4是本发明实施例涉及的一种基于4D打印的螺旋形的仿生可变形电容器的结构示意图；
图5是本发明实施例涉及的一种基于4D打印的矩形的仿生可变形电容器的结构示意图；
图6是本发明实施例涉及的一种基于4D打印的矩形的仿生可变形多层大容量电容器的结构示意图；
图7是本发明实施例涉及的一种基于4D打印的矩形的仿生类人手形状结构可变形电容器的结构示意图，其中，图7中的(a)为一种基于4D打印的矩形的仿生类人手形状结构可变形电容器的俯视图，图7中的(b)为一种基于4D打印的矩形的仿生类人手形状结构可变形电容器的正视图；
图8是本发明实施例涉及的一种基于4D打印的矩形的仿生类人耳形状结构可变形电容器的结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-不导电形状记忆聚合物，2-导电形状记忆聚合物。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明一种基于4D打印的仿生可变形电容器，包括多层间隔布置的不导电形状记忆聚合物1以分别布置于相邻两层不导电形状记忆聚合物1之间的多层导电形状记忆聚合物2，其中，
所述导电形状记忆聚合物2与其相邻的两层不导电形状记忆聚合物1固定连接，所述不导电形状记忆聚合物1与所述导电形状记忆聚合物2均采用4D打印的方式制备而成，各层所述不导电形状记忆聚合物1与各层所述导电形状记忆聚合物2均平行布置，各层所述导电形状记忆聚合物2的厚度相同，形成电容器的两极；
所述不导电形状记忆聚合物1采用不导电的形状记忆高分子材料制备而成，所述导电形状记忆聚合物2采用可导电的形状记忆高分子材料制备而成，在仿生可变形电容器使用之前，先需要给所述导电形状记忆聚合物2进行多次通电和断电，在通电时，仿生可变形电容器按照既定的线路发生弯曲变形，以适应仿生可变形电容器工作需求，在断电时，仿生可变形电容器按照既定的线路恢复原来的形状，从而完成仿生可变形电容器的驱动训练，以此方式，以获取在工作时可按指定路线弯曲变形的仿生可变形电容器。
进一步的，所述不导电的形状记忆高分子材料为聚乳酸、聚氨酯、聚己内酯、尼龙中的任意一种。
进一步的，所述可导电的形状记忆高分子材料为碳纳米管聚乳酸复合材料、石墨烯聚乳酸复合材料、石墨烯尼龙材料、石墨烯聚氨酯材料、碳纳米管聚己内酯材料中的任意一种。
进一步的，构成仿生可变形电容器最上层和最下层的不导电形状记忆聚合物1上设有折叠线，该折叠线用于在所述导电形状记忆聚合物2通电或者断电时，仿生可变形电容器可沿该折叠线做弯曲运动或者展开运动；所述折叠线设置有多条，多条所述折叠线各不相交叉，且相邻两条折叠线的夹角不大于60°。
进一步的，每层所述导电形状记忆聚合物2的厚度为20μm～50μm，最上层和最下层的所述不导电形状记忆聚合物1的厚度为0.3μm～0.8μm；中间层的各层所述不导电形状记忆聚合物1的厚度为0.1μm～0.3μm。
进一步的，所述仿生可变形电容器的形状为波浪形、弓形、螺旋形、长方形、半圆形、手掌中的任意一种。
进一步的，在仿生可变形电容器的驱动训练中，通电时，仿生可变形电容器的升温速度为3℃/s，断电时，仿生可变形电容器的降温速度为2℃/s，以此方式，使得所述仿生可变形电容器缓慢变形。
进一步的，在仿生可变形电容器的驱动训练中，通电和断电的次数至少不少于5次，且，在前三次的通电和断电过程中，还需沿折叠线施加外力，使得仿生可变形电容器沿所述折叠线弯曲或者展开。
本发明的目的是提供一种基于4D打印的仿生可变形电容器及其制备方法。传统电容器均为固定形态结构的电容装置，本发明所述的电容器能够在温度的控制下，转变形态结构，成为可变形的电容器，以满足未来类人机器人在变形以及执行过程中姿态或体态变化中所需要的形状。
本发明所述得一种基于4D打印的仿生可变形电容器及其制备方法，主要采用可导电的形状记忆高分子材料，碳纳米管聚乳酸复合材料、石墨烯聚乳酸复合材料、石墨烯尼龙材料、石墨烯聚氨酯材料、碳纳米管聚己内酯材料等和不导电的形状记忆高分子材料，聚乳酸、聚氨酯、聚己内酯、尼龙等，通过4D打印成形多材料技术一体化成形得到的，可以获取具有多种形态结构的电器。本发明采用的方法为4D打印方法，材料分别为导电形状记忆高分子材料和不导电形状记忆高分子材料，其中不导电的形状记忆聚合物材料为电容器的绝缘介质层，导电形状记忆高分子为电容器两极。本发明能够制备出复杂形状结构的电容器和，多层的大容量存储的电容器。
本发明的有益效果是，本发明所述的一种基于4D打印的仿生可变形电容器及其制备方法，其制备方法简单，具有可操作性，即可进行定制化生产也可以进行大型工业化生产，能够制备复杂形状结构的电容装置，本发明所制备得电容器能够进行状改变，具有较大得灵活性和半柔性特点，能够为未来类人机器人提供基础元器件，因此本发明的有益效果包括，制造方法简单、可定制化、形状可变、半柔性、复杂结构。
本发明所述的一种基于4D打印的仿生可变形电容器及其制备方法主要采用工艺熔融沉积制造FDM(Fused Deposition Modeling)的方法进行制备，由不同的熔融挤出头挤出不同材料进行4D多材料打印制备。以炭黑聚乳酸复合导电智能材料为例，以聚乳酸为绝缘材料，炭黑聚乳酸复合材料为导电材料，形成三明治状结构电容器。运用4D打印的方法，我们可以开发和制备出理论上任何形状结构的电容器，如图2、图3、图4以及图5所示，例如波浪形、弓形、螺旋形、长方形等结构的电容器。也可以制备多层的大容量电容器，如图6所示的多层大容量电容器。借鉴与生物外形，及其特殊结构，也可以制备出仿生可变形电容器，如图7的仿生类人手形状结构电容器和图8仿生类人耳形状结构电容器。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于4D打印的仿生可变形电容器，其特征在于，包括多层间隔布置的不导电形状记忆聚合物(1)以及分别布置于相邻两层不导电形状记忆聚合物(1)之间的多层导电形状记忆聚合物(2)，其中，
所述导电形状记忆聚合物(2)与其相邻的两层不导电形状记忆聚合物(1)固定连接，所述不导电形状记忆聚合物(1)与所述导电形状记忆聚合物(2)均采用4D打印的方式制备而成，各层所述不导电形状记忆聚合物(1)与各层所述导电形状记忆聚合物(2)均平行布置，各层所述导电形状记忆聚合物(2)的厚度相同，形成电容器的两极；
所述不导电形状记忆聚合物(1)采用不导电的形状记忆高分子材料制备而成，所述导电形状记忆聚合物(2)采用可导电的形状记忆高分子材料制备而成，在仿生可变形电容器使用之前，先需要给所述导电形状记忆聚合物(2)进行多次通电和断电，在通电时，仿生可变形电容器按照既定的线路发生弯曲变形，以适应仿生可变形电容器工作需求，在断电时，仿生可变形电容器按照既定的线路恢复原来的形状，从而完成仿生可变形电容器的驱动训练，以此方式，以获取在工作时按指定路线弯曲变形的仿生可变形电容器。
2.根据权利要求1所述的一种基于4D打印的仿生可变形电容器，其特征在于，所述不导电的形状记忆高分子材料为聚乳酸、聚氨酯、聚己内酯、尼龙中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种基于4D打印的仿生可变形电容器，其特征在于，所述可导电的形状记忆高分子材料为碳纳米管聚乳酸复合材料、石墨烯聚乳酸复合材料、石墨烯尼龙材料、石墨烯聚氨酯材料、碳纳米管聚己内酯材料中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种基于4D打印的仿生可变形电容器，其特征在于，构成仿生可变形电容器最上层和最下层的不导电形状记忆聚合物(1)上设有折叠线，该折叠线用于在所述导电形状记忆聚合物(2)通电或者断电时，仿生可变形电容器可沿该折叠线做弯曲运动或者展开运动；
所述折叠线设置有多条，多条所述折叠线各不相交叉，且相邻两条折叠线的夹角不大于60°。
5.根据权利要求1所述的一种基于4D打印的仿生可变形电容器，其特征在于，每层所述导电形状记忆聚合物(2)的厚度为20μm～50μm，最上层和最下层的所述不导电形状记忆聚合物(1)的厚度为0.3μm～0.8μm；中间层的各层所述不导电形状记忆聚合物(1)的厚度为0.1μm～0.3μm。
6.根据权利要求1所述的一种基于4D打印的仿生可变形电容器，其特征在于，所述仿生可变形电容器的形状为波浪形、弓形、螺旋形、长方形、半圆形、手掌中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的一种基于4D打印的仿生可变形电容器，其特征在于，在仿生可变形电容器的驱动训练中，通电时，仿生可变形电容器的升温速度为3℃/s，断电时，仿生可变形电容器的降温速度为2℃/s，以此方式，使得所述仿生可变形电容器缓慢变形。
8.根据权利要求4所述的一种基于4D打印的仿生可变形电容器，其特征在于，在仿生可变形电容器的驱动训练中，通电和断电的次数不少于5次，且，在前三次的通电和断电过程中，还需沿折叠线施加外力，使得仿生可变形电容器沿所述折叠线弯曲或者展开。
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