CN112350611B - 一种仿生的水下电化学驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种仿生的水下电化学驱动器及其制备方法，该水下电化学驱动器为双层异质悬臂梁结构，其包括柔性基底和生长在基底上的驱动材料；在制备过程中通过控制水热合成法的反应温度、反应时间及气体环境，从而在柔性基底上生长出不同厚度的驱动材料。该水下电化学驱动器克服了传统驱动器工作电压高、噪声大、环境适应性差的不足；通过模仿小飞象章鱼的生命体征和游动体态设计出了最优的水下驱动器。本发明驱动器工作电压低、载物驱动能力强、耐腐蚀性好、工艺简单且成本低廉，其可推动仿生电化学驱动器在水下捕捉器、水下微阀门与水下机器人等领域的应用。

Description

一种仿生的水下电化学驱动器
技术领域
本发明涉及电化学驱动技术领域，特别涉及一种仿生的水下电化学驱动器及其制备方法。
背景技术
随着人们对高危复杂水域的探索愈加深入，传统水下驱动器笨重、驱动电压高、环境适应性差、噪音大、易惊扰水下生物等不足已使其很难再满足日益多样化的驱动需求。由此，探索出一种能在水下作业的柔性驱动器就变得迫在眉睫。经过漫长的物种进化，水下生物已进化出了独特的生命结构和游动体态，这使得它们在水下有着得天独厚的生存优势。水下生物柔软的躯体、强大的环境适应能力为我们设计水下驱动器提供了新思路。通过研究和模仿水下生物，我们有望实现无噪声、无缆自主驱动、小型化和高机动性的水下驱动器。近年来被美国研究人员发现的小飞象章鱼是地球上已知生存在最深海域的章鱼(海平面下6千米)。与其他章鱼不同的是，它并不通过喷射实现驱动，而是依靠身体两侧像小象耳朵一样的鳍缓缓拍动实现游动。这种低频高效的驱动方式正好符合我们设计低能耗、无噪声水下驱动器的思路。
相较于电磁驱动、压电驱动、电热驱动等传统驱动方式而言，近几年被国内外研究者广泛关注的电化学驱动技术有着驱动电压低、耐腐蚀性强、适用于极端水下环境作业等特点。电化学驱动器通过发生化学反应将电能转化为机械能。然而，现今对于能用于水下环境作业的电化学驱动器却鲜有报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种仿生的水下电化学驱动器及其制备方法，以解决背景技术中所述的无噪声、低电压水下驱动方式匮乏的技术问题。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种仿生的水下电化学驱动器，模仿小飞象章鱼设计了一种双层异质悬臂梁结构，包括柔性基底和生长在柔性基底上的驱动材料；所述驱动材料与柔性基底的厚度比满足(0.5～1.0)：1；该水下电化学驱动器可通过发生化学反应将电能转化为机械能；当电化学驱动器作为负极工作时，水体环境中的阳离子会嵌入驱动材料并使其发生体积膨胀，而柔性基底则不会发生由离子嵌入而引发的体积膨胀，此二者之间的竞争与相互作用会使得双层电化学驱动器朝着驱动材料一侧发生弯曲，从而实现驱动效应。
进一步的，所述的水下电化学驱动器的驱动电压可低至0.3V；所述的柔性基底为5～10μm厚的铝箔、银箔、金箔或钨箔。
进一步的，所述的驱动材料由过渡金属硫化物中的任一种或多种混合生长而成。
本发明还提供一种仿生的水下电化学驱动器的制备方法，利用金属箔材压延机多次冷压轧制出符合厚度设计要求的柔性基底；随后对其进行超声清洗并真空干燥；之后将其裁剪成为方形箔材用作依托驱动材料生长的基底；将两片同种金属箔材四边对齐，用银浆对其进行封边处理；随后利用银浆粘接双层金属箔材的四边使其固定在玻璃模具上；随后整体放置于真空鼓风干燥箱内烘干加速银浆凝固、增强粘接效果；随后将其取出，用无水乙醇和去离子水反复清洗，并用无尘布擦净备用；随后根据驱动材料与柔性基底的厚度比称取预设量的过渡金属硫化物纳米粉末放置于研钵内研磨；量取预设量的去离子水与研磨后的过渡金属硫化物粉末进行混合；将混合液在50℃、20000Hz 的超声水浴环境中处理，使得过渡金属硫化物粉末在混合液中分散均匀；随后将备好的金属箔材及粘结的玻璃模具平放于水热反应釜的聚四氟乙烯内胆中；倒入超声处理过的混合液；将反应釜扣紧，将釜内气压抽至2×10-1mbar，随后通入氩气、氮气或氧气，之后将反应釜放置于温度160～200℃的高温烘箱中反应90～150min；通过调控反应时间来控制驱动材料在柔性基底上生长的厚度；待反应时间结束后将反应釜取出，放置于室温条件下自然降温；随后打开反应釜、取出内胆中的反应材料；用手术刀沿银浆边缘裁出制备好的薄膜，并将其置于真空鼓风烘箱中烘干；随后再用无水乙醇和去离子水反复清洗，之后放置于室温条件下自然风干；从而获得所需的水下电化学驱动器。随后将其作为工作电极与铂片电极和饱和甘汞电极一同组成三电极系统，在0.5mol浓硫酸环境下进行测试。
进一步的，制备方法中利用银浆封边及粘结过程中银浆涂布的宽度为1mm。
进一步的，制备方法中两处所述真空鼓风干燥箱内烘干的温度为 100℃，时间为5min。
进一步的，制备方法中利用金属箔材压延机多次冷压轧制出符合厚度设计要求的柔性基底；随后对其进行超声清洗并真空干燥24h。
进一步的，制备方法中将混合液在50℃、20000Hz的超声水浴环境中处理0.5h。
与现有技术相比，本发明的优点包括：
(1)驱动电压更低、无噪声、变形能力更强、耐腐蚀性更好、载物驱动能力更强；其在水下捕捉器、水下微阀门与水下机器人等领域具有广泛的应用前景；
(2)该水下电化学驱动器制备工艺简单、产品稳定性与耐久性高、成本低廉。
附图说明
图1为模仿小飞象章鱼的鳍设计出的仿生的水下电化学驱动器；
图2为水下电化学驱动器在0.3V驱动电压下的空载驱动实例图；
图3为水下电化学驱动器在0.3V驱动电压下的变形能力与响应速率；
图4为水下电化学驱动器在0.3V驱动电压下的载物驱动实例图(载重为驱动器自重的20倍)；
图5为水下电化学驱动器在0.3V驱动电压下的空载驱动实例图 (载重为驱动器自重的50倍)；
图6为水下电化学驱动器在0.3V驱动电压下的空载驱动实例图(载重为驱动器自重的100倍)；
图7为水下电化学驱动器在0.3V驱动电压下的空载驱动实例图 (载重为驱动器自重的250倍)。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1：
模仿小飞象章鱼的鳍设计了一种双层异质悬臂梁式的水下电化学驱动器(图1)；利用金属箔材压延机四次冷压轧制出10μm厚的铝箔用作柔性基底；随后对其进行超声清洗并真空干燥24h；之后将其裁剪成为3cm×3cm的正方形用作依托驱动材料生长的基底；将两片 3cm×3cm的铝箔四边对齐，用银浆对其进行封边处理；随后利用银浆粘接双层铝箔的四边使其固定在玻璃模具上，封边及粘结过程中银浆涂布的宽度为1mm；随后整体放置于100℃的真空鼓风干燥箱内烘干5min加速银浆凝固、增强粘接效果；随后将其取出，用无水乙醇和去离子水反复清洗两遍，并用无尘布擦净备用；随后称取60mg二硫化钼纳米粉末放置于研钵内研磨0.5h；量取10ml去离子水与研磨后的二硫化钼粉末进行混合；将混合液在50℃、20000Hz的超声水浴环境中处理0.5h，从而使得二硫化钼粉末在混合液中分散均匀；随后将备好的铝箔及粘结的玻璃模具平放于水热反应釜的聚四氟乙烯内胆中；倒入超声处理过的混合液；将反应釜扣紧，将釜内气压抽至2×10-1mbar，随后通入氧气，之后将反应釜放置于温度200℃的高温烘箱中反应90min；待反应时间结束后将反应釜取出，放置于室温条件下自然降温8h；随后打开反应釜、取出内胆中的反应材料；用手术刀沿银浆边缘裁出制备好的薄膜，并将其置于100℃的真空烘箱中烘干5min；随后再用无水乙醇和去离子水反复清洗两遍，之后放置于室温条件下自然风干4h；从而获得所需的二硫化钼水下电化学驱动器。随后将其作为工作电极与铂片电极和饱和甘汞电极一同组成三电极系统，在0.5mol浓硫酸环境下进行测试。
从图2中的空载驱动实例图可以看出，本发明的水下电化学驱动器在0.3V驱动电压的作用下变形能力强、变形后驱动器结构稳定；由此可证明该电化学驱动器出色的水下驱动性能。
实施例2：
利用金属箔材压延机七次冷压轧制出7μm厚的钨箔用作柔性基底；随后对其进行超声清洗并真空干燥24h；之后将其裁剪成为 3cm×3cm的正方形用作依托驱动材料生长的基底；将两片3cm×3cm 的钨箔四边对齐，用银浆对其进行封边处理；随后利用银浆粘接双层钨箔的四边使其固定在玻璃模具上，封边及粘结过程中银浆涂布的宽度为1mm；随后整体放置于100℃的真空鼓风干燥箱内烘干5min加速银浆凝固、增强粘接效果；随后将其取出，用无水乙醇和去离子水反复清洗两遍，并用无尘布擦净备用；随后称取60mg二硫化钨纳米粉末放置于研钵内研磨0.5h；量取10ml去离子水与研磨后的二硫化钨粉末进行混合；将混合液在50℃、20000Hz的超声水浴环境中处理0.5h，从而使得二硫化钨粉末在混合液中分散均匀；随后将备好的钨箔及粘结的玻璃模具平放于水热反应釜的聚四氟乙烯内胆中；倒入超声处理过的混合液；将反应釜扣紧，将釜内气压抽至2×10-1mbar，随后通入氩气，之后将反应釜放置于温度160℃的高温烘箱中反应 120min；待反应时间结束后将反应釜取出，放置于室温条件下自然降温8h；随后打开反应釜、取出内胆中的反应材料；用手术刀沿银浆边缘裁出制备好的薄膜，并将其置于100℃的真空烘箱中烘干5min；随后再用无水乙醇和去离子水反复清洗两遍，之后放置于室温条件下自然风干4h；从而获得所需的二硫化钨水下电化学驱动器。随后将其作为工作电极与铂片电极和饱和甘汞电极一同组成三电极系统，在0.5mol浓硫酸环境下进行测试。
从图3中的空载驱动实例图可以看出，本发明的水下电化学驱动器在0.3V驱动电压的作用下在11.2s内就能实现显著的驱动效果；由此可证明该水下电化学驱动器出色的变形能力与响应速率。
实施例3：
利用金属箔材压延机十次冷压轧制出5μm厚的银箔用作柔性基底；随后对其进行超声清洗并真空干燥24h；之后将其裁剪成为 3cm×3cm的正方形用作依托驱动材料生长的基底；将两片3cm×3cm 的银箔四边对齐，用银浆对其进行封边处理；随后利用银浆粘接双层银箔的四边使其固定在玻璃模具上，封边及粘结过程中银浆涂布的宽度为1mm；随后整体放置于100℃的真空鼓风干燥箱内烘干5min加速银浆凝固、增强粘接效果；随后将其取出，用无水乙醇和去离子水反复清洗两遍，并用无尘布擦净备用；随后称取30mg的二硫化钼纳米粉末和30mg的二硫化钨纳米粉末放置于研钵内研磨0.5h；量取 10ml去离子水与研磨后的粉末进行混合；将混合液在50℃、20000Hz 的超声水浴环境中处理0.5h，从而使得粉末在混合液中分散均匀；随后将备好的银箔及粘结的玻璃模具平放于水热反应釜的聚四氟乙烯内胆中；倒入超声处理过的混合液；将反应釜扣紧，将釜内气压抽至 2×10-1mbar，随后通入氮气，之后将反应釜放置于温度180℃的高温烘箱中反应90min；待反应时间结束后将反应釜取出，放置于室温条件下自然降温8h；随后打开反应釜、取出内胆中的反应材料；用手术刀沿银浆边缘裁出制备好的薄膜，并将其置于100℃的真空烘箱中烘干5min；随后再用无水乙醇和去离子水反复清洗两遍，之后放置于室温条件下自然风干4h；从而获得所需的水下电化学驱动器。随后将其作为工作电极与铂片电极和饱和甘汞电极一同组成三电极系统，在0.5mol浓硫酸环境下进行测试。
从图4中的载物驱动实例图可以看出，本发明的水下电化学驱动器在0.3V驱动电压的作用下可驱动自身重量20倍的不锈钢重物。
实施例4：
利用金属箔材压延机七次冷压轧制出7μm厚的金箔用作柔性基底；随后对其进行超声清洗并真空干燥24h；之后将其裁剪成为 3cm×3cm的正方形用作依托驱动材料生长的基底；将两片3cm×3cm 的金箔四边对齐，用银浆对其进行封边处理；随后利用银浆粘接双层金箔的四边使其固定在玻璃模具上，封边及粘结过程中银浆涂布的宽度为1mm；随后整体放置于100℃的真空鼓风干燥箱内烘干5min加速银浆凝固、增强粘接效果；随后将其取出，用无水乙醇和去离子水反复清洗两遍，并用无尘布擦净备用；随后称取40mg的二硫化钼纳米粉末和20mg的二硫化钨纳米粉末放置于研钵内研磨0.5h；量取 10ml去离子水与研磨后的粉末进行混合；将混合液在50℃、20000Hz 的超声水浴环境中处理0.5h，从而使得粉末在混合液中分散均匀；随后将备好的金箔及粘结的玻璃模具平放于水热反应釜的聚四氟乙烯内胆中；倒入超声处理过的混合液；将反应釜扣紧，将釜内气压抽至 2×10-1mbar，随后通入氩气，之后将反应釜放置于温度180℃的高温烘箱中反应110min；待反应时间结束后将反应釜取出，放置于室温条件下自然降温8h；随后打开反应釜、取出内胆中的反应材料；用手术刀沿银浆边缘裁出制备好的薄膜，并将其置于100℃的真空烘箱中烘干5min；随后再用无水乙醇和去离子水反复清洗两遍，之后放置于室温条件下自然风干4h；从而获得所需的水下电化学驱动器。随后将其作为工作电极与铂片电极和饱和甘汞电极一同组成三电极系统，在0.5mol浓硫酸环境下进行测试。
从图5中的载物驱动实例图可以看出，本发明的水下电化学驱动器在0.3V驱动电压的作用下可驱动自身重量50倍的不锈钢重物。
实施例5：
利用金属箔材压延机七次冷压轧制出7μm厚的钨箔用作柔性基底；随后对其进行超声清洗并真空干燥24h；之后将其裁剪成为 3cm×3cm的正方形用作依托驱动材料生长的基底；将两片3cm×3cm 的钨箔四边对齐，用银浆对其进行封边处理；随后利用银浆粘接双层钨箔的四边使其固定在玻璃模具上，封边及粘结过程中银浆涂布的宽度为1mm；随后整体放置于100℃的真空鼓风干燥箱内烘干5min加速银浆凝固、增强粘接效果；随后将其取出，用无水乙醇和去离子水反复清洗两遍，并用无尘布擦净备用；随后称取20mg的二硫化钼纳米粉末和40mg的二硫化钨纳米粉末放置于研钵内研磨0.5h；量取 10ml去离子水与研磨后的粉末进行混合；将混合液在50℃、20000Hz 的超声水浴环境中处理0.5h，从而使得粉末在混合液中分散均匀；随后将备好的钨箔及粘结的玻璃模具平放于水热反应釜的聚四氟乙烯内胆中；倒入超声处理过的混合液；将反应釜扣紧，将釜内气压抽至 2×10-1mbar，随后通入氮气，之后将反应釜放置于温度200℃的高温烘箱中反应120min；待反应时间结束后将反应釜取出，放置于室温条件下自然降温8h；随后打开反应釜、取出内胆中的反应材料；用手术刀沿银浆边缘裁出制备好的薄膜，并将其置于100℃的真空烘箱中烘干5min；随后再用无水乙醇和去离子水反复清洗两遍，之后放置于室温条件下自然风干4h；从而获得所需的水下电化学驱动器。随后将其作为工作电极与铂片电极和饱和甘汞电极一同组成三电极系统，在0.5mol浓硫酸环境下进行测试。
从图6中的载物驱动实例图可以看出，本发明的水下电化学驱动器在0.3V驱动电压的作用下可驱动自身重量100倍的不锈钢重物。
实施例6：
利用金属箔材压延机九次冷压轧制出6μm厚的铝箔用作柔性基底；随后对其进行超声清洗并真空干燥24h；之后将其裁剪成为 3cm×3cm的正方形用作依托驱动材料生长的基底；将两片3cm×3cm 的铝箔四边对齐，用银浆对其进行封边处理；随后利用银浆粘接双层金属箔材的四边使其固定在玻璃模具上，封边及粘结过程中银浆涂布的宽度为1mm；随后整体放置于100℃的真空鼓风干燥箱内烘干5min 加速银浆凝固、增强粘接效果；随后将其取出，用无水乙醇和去离子水反复清洗两遍，并用无尘布擦净备用；随后称取60mg二硫化钨纳米粉末放置于研钵内研磨0.5h；量取10ml去离子水与研磨后的二硫化钨粉末进行混合；将混合液在50℃、20000Hz的超声水浴环境中处理0.5h，从而使得二硫化钨粉末在混合液中分散均匀；随后将备好的钨箔及粘结的玻璃模具平放于水热反应釜的聚四氟乙烯内胆中；倒入超声处理过的混合液；将反应釜扣紧，将釜内气压抽至2×10-1mbar，随后通入氩气，之后将反应釜放置于温度200℃的高温烘箱中反应 150min；待反应时间结束后将反应釜取出，放置于室温条件下自然降温8h；随后打开反应釜、取出内胆中的反应材料；用手术刀沿银浆边缘裁出制备好的薄膜，并将其置于100℃的真空烘箱中烘干5min；随后再用无水乙醇和去离子水反复清洗两遍，之后放置于室温条件下自然风干4h；从而获得所需的二硫化钨水下电化学驱动器。随后将其作为工作电极与铂片电极和饱和甘汞电极一同组成三电极系统，在 0.5mol浓硫酸环境下进行测试。
从图7中的载物驱动实例图可以看出，本发明的水下电化学驱动器在0.3V驱动电压的作用下可驱动自身重量250倍的不锈钢重物；由此可证明该水下电化学驱动器出色的载物驱动能力。
以上所述的实施方式，仅为本发明较佳的具体实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种仿生的水下电化学驱动器，其特征在于，为双层异质悬臂梁结构，包括柔性基底和生长在柔性基底上的驱动材料；所述驱动材料与柔性基底的厚度比满足(0.5～1.0)：1；该水下电化学驱动器能通过发生化学反应将电能转化为机械能；当电化学驱动器作为负极工作时，水体环境中的阳离子会嵌入驱动材料并使其发生体积膨胀，而柔性基底则不会发生由离子嵌入而引发的体积膨胀，此二者之间的竞争与相互作用会使得双层电化学驱动器朝着驱动材料一侧发生弯曲，从而实现驱动效应，驱动电压低至0.3V；
所述的仿生的水下电化学驱动器的制备方法，利用金属箔材压延机多次冷压轧制出符合厚度设计要求的柔性基底；随后对其进行超声清洗并真空干燥；之后将其裁剪成为方形箔材用作依托驱动材料生长的基底；将两片同种金属箔材四边对齐，用银浆对其进行封边处理；随后利用银浆粘接双层金属箔材的四边使其固定在玻璃模具上；随后整体放置于真空鼓风干燥箱内烘干加速银浆凝固、增强粘接效果；随后将其取出，用无水乙醇和去离子水反复清洗，并用无尘布擦净备用；随后根据驱动材料与柔性基底的厚度比称取预设量的过渡金属硫化物纳米粉末放置于研钵内研磨；量取预设量的去离子水与研磨后的过渡金属硫化物粉末进行混合；将混合液在50℃、20000Hz的超声水浴环境中处理，使得过渡金属硫化物粉末在混合液中分散均匀；随后将备好的金属箔材及粘结的玻璃模具平放于水热反应釜的聚四氟乙烯内胆中；倒入超声处理过的混合液；将反应釜扣紧，将釜内气压抽至2×10- 1mbar，随后通入氩气、氮气或氧气，之后将反应釜放置于温度160～200℃的高温烘箱中反应90～150min；通过调控反应时间来控制驱动材料在柔性基底上生长的厚度；待反应时间结束后将反应釜取出，放置于室温条件下自然降温；随后打开反应釜、取出内胆中的反应材料；用手术刀沿银浆边缘裁出制备好的薄膜，并将其置于真空鼓风烘箱中烘干；随后再用无水乙醇和去离子水反复清洗，之后放置于室温条件下自然风干；从而获得所需的水下电化学驱动器， 随后将其作为工作电极与铂片电极和饱和甘汞电极一同组成三电极系统，在0.5mol浓硫酸环境下进行测试。
2.根据权利要求1所述的仿生的水下电化学驱动器，其特征在于，所述的柔性基底为5～10μm厚的铝箔、银箔、金箔或钨箔。
3.根据权利要求1所述的仿生的水下电化学驱动器，其特征在于，所述的驱动材料由过渡金属硫化物中的任一种或多种混合生长而成。
4.根据权利要求1所述的仿生的水下电化学驱动器，其特征在于，利用银浆封边及粘结过程中银浆涂布的宽度为1mm。
5.根据权利要求1所述的仿生的水下电化学驱动器，其特征在于，两处所述真空鼓风干燥箱内烘干的温度为100℃，时间为5min。
6.根据权利要求1所述的仿生的水下电化学驱动器，其特征在于，利用金属箔材压延机多次冷压轧制出符合厚度设计要求的柔性基底；随后对其进行超声清洗并真空干燥24h。
7.根据权利要求1所述的仿生的水下电化学驱动器，其特征在于，将混合液在50℃、20000Hz的超声水浴环境中处理0.5h。
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