CN113131781B - 一种电极可编辑的多层介电弹性体驱动器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电极可编辑的多层介电弹性体驱动器及其制作方法，能够制造出变形曲率可调的驱动器，电极编辑后可实现通电后面外变形高斯曲率可变，驱动器不容易出现放电现象，使用寿命长。本发明的多层介电弹性体驱动器制作方法，将单壁碳纳米管作为柔性电极，无需预拉伸，可编辑电极形状，可复现，操作简单，堆叠稳定性和贴合性好，制作成本低。本发明的介电弹性体驱动器多层之间贴合性好，驱动电压低，驱动力大。此外通过电极编辑可以控制在驱动器内部的空间电场，进而制造出变形曲率可调的驱动器。
Description
技术领域
本发明涉及软体机器人软作动技术领域，具体涉及一种电极可编辑的多层介电弹性体驱动器及其制作方法。
背景技术
介电弹性体属于一种电致驱动的变形材料，又称人工肌肉。在介电弹性体表面覆盖柔性电极层，在外加电场激励下，介电弹性体可以发生变形，并且介电弹性体具有功率密度大、电致伸缩变形量大、能量转换效率高等优点，在航空航天、机器人、医疗等领域有广泛的应用前景。目前使用的介电弹性体变形材料聚二甲基硅氧烷PDMS使用时需要预拉伸以及固定框架，会导致其不易携带且形状定型后不可编辑修改。同时一般介电弹性体的电极厚度会影响薄膜之间的贴合，使得堆叠错层介电弹性体驱动器在工作时容易出现放电或击穿现象，导致驱动器失效，降低了多层介电弹性体驱动器的使用寿命。此外，一般多层介电弹性体驱动器电极形状为全覆盖，介电弹性体变形形状是不可变的，因而无法实现面外变形以及改变驱动器变形时表面高斯曲率。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种电极可编辑的多层介电弹性体驱动器及其制作方法，能够制造出变形曲率可调的驱动器，可编辑电极，操作简单，堆叠稳定性和贴合性好，制作成本低，电极编辑后可实现通电后面外变形高斯曲率可变，驱动器不容易出现放电现象，使用寿命长。
为实现上述目的，本发明的一种电极可编辑的多层介电弹性体驱动器制作方法，包括如下步骤：
步骤1，设定多层介电弹性体驱动器的电极层数；
设计电极形状，按照设计形状切割PET薄片，获得后续转印电极所需的掩模；
步骤2，以硅片为基底，在其表面上喷涂粘合剂，并使用旋涂机在表面旋涂一层PDMS薄膜；
步骤3，加热使PDMS固化，得到电极层；将电极层转印到覆盖PET掩模的PDMS膜表面，得到编辑后的电极；
步骤4，在步骤3得到的电极上层继续旋涂PDMS，然后返回执行步骤3，直至得到设定层数的多层介电弹性体驱动器；
步骤5，在N-甲基吡咯烷酮中浸泡去除硅片和所述驱动器之间的粘合剂，而后利用切刀整形，用C-PDMS包裹住电极部分并静置固化，导出电极，完成多层介电弹性体驱动器的制作。
其中，所述步骤2中，使用通过超声波震荡得到碳纳米管溶液，而后使用PTFE过滤膜过滤得到单壁碳纳米管电极层。
其中，所述步骤3中，通过对不同层电极的形状编辑，改变每层介电弹性体薄膜上下对应的电极面积，其中从下到上为半径依次递减的圆形电极。
其中，所述步骤5中，使用质量比为1：12的碳粉和PDMS配置成的导电橡胶C-PDMS。
其中，所述步骤1中，采用激光切割机按照设计形状切割PET薄片。
其中，所述步骤5中，用C-PDMS包裹住电极部分并静置固化12h。
本发明还提供了一种电极可编辑的多层介电弹性体驱动器，多层介电弹性体驱动器为5层，上下两层为封装层，驱动器内电极为四层，其形状为圆形，且电极半径随堆叠层数逐层递减。
有益效果：
本发明的多层介电弹性体驱动器制作方法，将单壁碳纳米管作为柔性电极，无需预拉伸，可编辑电极形状，可复现，操作简单，堆叠稳定性和贴合性好，制作成本低。
本发明的介电弹性体驱动器多层之间贴合性好，驱动电压低，驱动力大。此外通过电极编辑可以控制在驱动器内部的空间电场，进而制造出变形曲率可调的驱动器。电极编辑后可实现通电后面外变形高斯曲率可变，驱动器不容易出现放电现象，使用寿命长。
附图说明
图1是本发明工艺流程简图；
图2为本发明制动器完成后示意图。
其中，1-基底硅片，2-粘合剂Omnicoat，3-旋涂PDMS层，4-聚对苯二甲酸乙二醇酯PET模具，5-聚四氟乙烯PTFE过滤膜，6-单壁碳纳米管层(深色部分为上下层电极重叠部分)，7-导电橡胶C-PDMS。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种电极可编辑的多层介电弹性体驱动器制作方法，包括如下步骤：
设定多层介电弹性体驱动器的电极层数；
设计电极形状，采用激光切割机按照设计形状切割PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)薄片，获得后续转印电极所需的掩模；
以硅片为基底，在其表面上喷涂粘合剂(Omnicoat)，并使用旋涂机在表面旋涂一层PDMS(聚二甲基硅氧烷)薄膜，加热使该介电薄膜固化；
利用PTFE(聚四氟乙烯)滤膜过滤单壁碳纳米管水溶液得到单壁碳纳米管电极层，并将其转印到覆盖PET掩模的PDMS膜表面，得到编辑后的电极形状；
在电极上层继续旋涂PDMS，并加热固化得到新一层介电薄膜；
重复上述步骤，并在每一层中实施电极编辑，直至达到设定层数，得到多层介电弹性体驱动器；
在N-甲基吡咯烷酮中浸泡去除硅片和驱动器之间的粘合剂，而后利用切刀整形，用导电橡胶C-PDMS导出电极，完成多层介电弹性体驱动器的制作。
其中，所述电极厚度极薄(约为100nm)且形状具有可编辑性，不影响上下介电弹性体的粘合。在多层驱动器之间的逐层电极编辑，进而可以控制驱动器内部的空间电场分布，制造出通电后产生面外变形，且改变电压可改变曲面高斯曲率的多层介电弹性体驱动器。
其中，旋涂的介电弹性体PDMS层厚度较薄(约40-60μm)且不需要预拉伸，解除了预拉伸框架的约束，可以在低电压(2kV以下)下实现较大的驱动力，可以实现轻量化可移动的驱动器。
具体地，本发明使用通过超声波震荡得到碳纳米管溶液，而后使用PTFE过滤膜过滤得到均匀的单壁碳纳米管层作为多层驱动器的柔性电极喷涂材料。单壁碳纳米管具有较小的刚度、良好的导电性和容错性,不会阻碍多层驱动器的应变，并且电极与薄膜之间贴合性更好。进一步，本发明转印碳纳米管电极的方式比起传统电极以及喷涂碳纳米管水溶液等方式得到的电极更薄和更均匀，可以更好地保证驱动器不容易出现放电和击穿现象(电场均匀)，且具有更长的寿命。
本发明通过极薄的电极和多层的叠加可以在无需预拉伸情况实现较低电压下的大变形，脱离了预拉伸框架的束缚，制得的多层介电弹性体薄膜可以贴附在物体表面进行驱动。并且低电压的驱动也可以使电源小型化可携带，扩大了驱动器的适用范围。
本发明通过对不同层电极的形状编辑，改变每层介电弹性体薄膜上下对应的电极面积：从下到上为半径依次递减的圆形电极，通电后可以产生正高斯曲率的圆顶面的面外变形效果。
本实施例只针对了一种可以产生正高斯曲率的电极可编辑多层介电弹性体制作进行了展示，制作完成后通不同电压可以产生不同曲率的变形曲面，具体步骤如下：
通过CAD绘图软件绘制电极形状，采用激光切割机按照设计形状切割厚度为12.5μm的PET薄片，获得后续转印电极所需的掩模。本发明实施例中的多层介电弹性体驱动器为5层，上下两层为封装层，驱动器内电极为四层，其形状为圆形，且电极半径随堆叠层数逐层递减(相邻两层电极重叠面积决定了该层的驱动范围)。
其中，PET掩膜具体制作处理过程是：
配置浓度为0.1mg/ml的单壁碳纳米管水溶液150ml，在对该溶液进行超声波震荡20分钟使碳纳米管分散均匀后，利用PTFE滤膜过滤单壁碳纳米管水溶液，在滤膜PTFE表面得到一层均匀的厚度约为100nm的单壁碳纳米管沉积层。
以硅片(1)为基底，在其表面均匀涂抹粘合剂Omnicoat(2)，并使用旋涂机以2000r/min转速在其表面旋涂一层PDMS薄膜(3)，一层介电薄膜厚度约为0.04mm。然后将其置于真空干燥箱进行加热。控制温度：135℃～140℃，时间：15min～18min，气压：-0.79Mpa～-0.81Mpa。薄膜固化后，将PTFE上的(5)碳纳米管层(6)通过按压转印到覆盖PET掩模(4)的PDMS膜(3)表面，得到编辑后的电极形状。在电极上层继续旋涂PDMS，并加热固化得到新一层介电薄膜；重复上述步骤，并在每一层中实施电极编辑，得到得到具有5层介电弹性体，4层电极的多层介电弹性体驱动器，其总厚度约为0.2mm。
将制作好的介电弹性体驱动器在N-甲基吡咯烷酮中浸泡去除硅片和驱动器之间的粘合剂，而后使用激光切割进行修边处理,制成多层介电弹性体驱动器雏形，并使用质量比为1：12的碳粉和PDMS(3)配置成的导电橡胶C-PDMS(7)包裹住电极部分并静置12h固化，达到导出电极的作用。制作完成的介电弹性体驱动器通电后，会变成具有正高斯曲率的圆顶，实现面外变形。
本发明所涉及的器件均为通用器材，包括用道康宁公司的DC184硅橡胶PDMS(3)，硅片(1)、高纯单壁碳纳米管溶液、科琴黑碳粉、粘合剂Omnicoat(2)、有机溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)、超声清洗仪、激光切割机、抽滤装置、真空烘箱、聚四渡乙烯PTFE微孔过滤膜(5)、聚酯涤纶PET薄膜(4)等，在此不再详细介绍。
本发明所设计的电极编辑技术以及多层介电弹性体驱动技术，简单灵活，容易复现，利用本发明制作方法可以制备出贴合性能更好的碳纳米管电极，无需预拉伸，所需驱动电压低，大幅提高介电弹性体驱动器的可用性实用性以及未来应用场景。而且电极可编辑的方法提出，可以通过逐层叠加的方式在空间上改变电场，可以制造出电压可调的正、负高斯曲率的变形曲线，并且当电压移除时，一切变形可恢复原状(变形可逆)。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种电极可编辑的多层介电弹性体驱动器制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，设定多层介电弹性体驱动器的电极层数；
设计电极形状，按照设计形状切割PET薄片，获得后续转印电极所需的掩模；
步骤2，以硅片为基底，在其表面上喷涂粘合剂，并使用旋涂机在表面旋涂一层PDMS薄膜；
步骤3，加热使PDMS固化，得到电极层；将电极层转印到覆盖PET掩模的PDMS膜表面，得到编辑后的电极；
其中，使用通过超声波震荡得到碳纳米管溶液，而后使用PTFE过滤膜过滤得到单壁碳纳米管电极层；通过对不同层电极的形状编辑，改变每层介电弹性体薄膜上下对应的电极面积，其中从下到上为半径依次递减的圆形电极；
步骤4，在步骤3得到的电极上层继续旋涂PDMS，然后返回执行步骤3，直至得到设定层数的多层介电弹性体驱动器；
步骤5，在N-甲基吡咯烷酮中浸泡去除硅片和所述驱动器之间的粘合剂，而后利用切刀整形，用C-PDMS包裹住电极部分并静置固化，导出电极，完成多层介电弹性体驱动器的制作。
2.如权利要求1所述的电极可编辑的多层介电弹性体驱动器制作方法，其特征在于，所述步骤5中，使用质量比为1：12的碳粉和PDMS配置成的导电橡胶C-PDMS。
3.如权利要求1所述的电极可编辑的多层介电弹性体驱动器制作方法，其特征在于，所述步骤1中，采用激光切割机按照设计形状切割PET薄片。
4.如权利要求1所述的电极可编辑的多层介电弹性体驱动器制作方法，其特征在于，所述步骤5中，用C-PDMS包裹住电极部分并静置固化12h。
5.一种电极可编辑的多层介电弹性体驱动器，其特征在于，采用如权利要求1-4任意一项所述制作方法得到；其中，多层介电弹性体驱动器为5层，上下两层为封装层，驱动器内电极为四层，其形状为圆形，且电极半径随堆叠层数逐层递减。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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