CN114379069A - 一种可调控的褶皱形貌制备方法 - Google Patents

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刘学婧
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Abstract

本发明公开了一种可调控的褶皱形貌制备方法，利用信号发生器产生激励信号，通过电源放大器将激励信号幅值放大，并加载到铜箔引入电极上，并由铜箔引入电极施加到薄膜的柔性电极中，当输入电压信号幅值达到临界值时便产生规则的褶皱形貌。解决了现有褶皱形貌制备方法制得的褶皱形貌存在的响应速度慢、制备工艺繁琐的问题。

Description

一种可调控的褶皱形貌制备方法
技术领域
本发明属于智能材料应用技术领域，涉及一种可调控的褶皱形貌制备方法。
背景技术
可逆可调的褶皱形貌的实现，可将动态表面的潜在应用扩宽至可逆润湿、智能黏附、智能光学表面和器件等领域。现有褶皱形貌的制备以单一膜/基材料的双层膜体系为主，可以通过红外线、湿度、温度、pH值、化学反应等方式激励材料产生褶皱。其中红外线、温度、湿度、pH值等生成方法依赖于环境条件的改变，调控准确性差，且响应时间较长；化学反应生成褶皱相应速度较快，但需要的化学试剂种类多，使得制备过程繁杂。此外，单一膜/基材料的双层膜体系制备过程比较繁琐，耗时较长，限制了其实际工程应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种可调控的褶皱形貌制备方法，解决了现有褶皱形貌制备方法制得的褶皱形貌存在的响应速度慢、制备工艺繁琐的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种可调控的褶皱形貌制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1,将介电弹性薄膜放置在拉伸装置上进行等效倍数的双轴预拉伸；
步骤2，将上下设置的两个方形框架对齐后分别粘贴到经步骤1预拉伸后的介电弹性薄膜上下两面，并压紧，实现对薄膜预拉伸倍数的约束；
步骤3，将被方形框架约束的介电弹性薄膜剪下，得到薄膜试件；
步骤4，在薄膜试件上表面的方形框架上贴上铜箔引入电极，在薄膜试件下表面的方形框架上贴上铜箔引出电极，且使铜箔引入电极与铜箔引出电极分别位于薄膜试件的相对两侧；
步骤5，将位于薄膜试件上表面的柔性电极连接到铜箔引入电极上，将位于薄膜试件下表面的柔性电极连接到铜箔引出电极上，且保证位于薄膜试件上表面和下表面的两个柔性电极在法向上的投影相重合；
步骤6，以薄膜试件的中心线为对称轴设定电极区域的位置：令电极区域的长度等于方形薄膜试件的边长；
步骤7，利用信号发生器产生激励信号，通过电源放大器将激励信号幅值放大，并加载到铜箔引入电极上，并由铜箔引入电极施加到薄膜的柔性电极中，当输入电压信号幅值达到临界值时便产生规则的褶皱形貌。
本发明的特点还在于，
柔性电极的制备方法如下：
步骤A，用一次性吸管吸取石墨乳，注入到异丙醇溶液中，得混合溶液A；
步骤B，将石墨粉加入到混合溶液A中，混合后，得混合溶液B，病假将混合溶液B导入试剂瓶中，将试剂瓶瓶口密封；超声震荡1～2小时，得混合试剂；
步骤C，将步骤B所得的混合试剂倒入喷枪均匀喷涂在指定区域，即得。
步骤A中，异丙醇溶液的体积为40～60ml；石墨乳的体积为0～3ml。
步骤B中，石墨粉的质量为40～60mg。
步骤7产生的褶皱形貌调控过程如下：
将不同类型的激励信号经高压电源放大器放大后加载到与柔性电极相连接的铜箔引入电极上，则可产生不同波长的褶皱形貌；随着激励信号幅值/相位的变化，褶皱形貌随之变化；激励信号撤销后褶皱消失，此时薄膜恢复原始尺寸和状态。
本发明的有益效果是，本发明所采用的介电弹性体薄膜在外加电压激励下可产生大变形，当电压激励撤销后，又能恢复到原始的形状尺寸，相对于传统智能材料，具有质量轻、响应快、能耗低、应变大等突出优点。本发明利用介电弹性体薄膜实现的可调可逆的褶皱形貌，有效解决现有双层膜体系的褶皱形貌生成方法响应时间长、制备工艺繁琐的缺点。
附图说明
图1是本发明一种可调控的褶皱形貌制备方法中薄膜试件制备原理图；
图2是本发明一种可调控的褶皱形貌制备方法中褶皱产生/调控实验平台示意图；
图3(a)、(b)是本发明一种可调控的褶皱形貌制备方法中薄膜在高电压下的褶皱形貌图；
图4是本发明一种可调控的褶皱形貌制备方法中褶皱幅值及波长随柔性电极区域长宽比的变化规律图。
图中，1.拉伸装置，2.介电弹性薄膜，3.信号发生器，4.电源放大器，5.铜箔引入电极，6.薄膜试件，7.方形框架，8.柔性电极，9.铜箔引出电极，10.薄膜试件未涂电极部分，11.柔性电极未发生褶皱部分，12.柔性电极发生褶皱部分。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种可调控的褶皱形貌制备方法，如图1、2所示，主要包括预拉伸过的介电弹性薄膜2和柔性电极8两部分。介电弹性薄膜2需要先放置在拉伸装置1上进行等倍数的双轴预拉伸，然后将上下设置的两个方形框架7对齐后分别粘贴到经预拉伸后的介电弹性薄膜2上下两面，并压紧，实现对薄膜预拉伸倍数的约束；然后将被框架约束的薄膜剪下，得到薄膜试件6，在薄膜试件6上表面框架贴上铜箔引入电极5，在薄膜试件6下表面框架贴上铜箔引出电极9，并使上下表面的电极位于薄膜的两侧。将位于薄膜试件6上表面的柔性电极8连接到铜箔引入电极5上；将位于薄膜试件6下表面的柔性电极8连接到铜箔引出电极9上，且保证薄膜试件6上下表面柔性电极8在法向上的投影相重合。以薄膜试件6的中心线为对称轴设定电极区域的位置：令电极区域的长度等于方形薄膜试件6的边长，通过改变其宽度来调整电极区域的长宽比。
本发明采用的柔性电极8为石墨颗粒、石墨乳和异丙醇的混合物，采用喷涂的方法形成均匀的矩形电极。具体的制备方法如下：
1)量取40～60ml异丙醇溶液，用一次性吸管吸取0～3ml的石墨乳，注入到异丙醇溶液里。
2)称取40～60mg的石墨粉放入上述混合溶液中，并将其倒入试剂瓶中。
3)将混合物所在的试剂瓶口密封，超声振荡1～2小时，保证试剂均匀混合。
4)将制备好的混合试剂倒入喷枪均匀喷涂在指定的区域内。
褶皱产生过程如下：利用信号发生器3产生激励信号，通过电源放大器4将其幅值放大，并加载到铜箔引入电极5上，由此施加到薄膜的柔性电极8中。当输入电压信号幅值达到临界值时可产生规则的褶皱形貌，如图3(a)、(b)所示。图3(a)为柔性电极未发生褶皱的形貌图；图3(b)为柔性电极未发生褶皱后的形貌图。通过改变电极区域长宽比，可绘制长宽比与褶皱波长/幅值的关系曲线，如图4所示。
褶皱调控过程如下：将不同类型的激励信号经高压电源放大器4放大后加载到与柔性电极8相连接的铜箔引入电极5上，则可产生不同波长的褶皱形貌；随着激励信号幅值/相位的变化，褶皱形貌随之变化；激励信号撤销后褶皱消失，此时薄膜恢复原始尺寸和状态。
图3展示了对薄膜中部的柔性电极8加载高压电前后的效果对比。由于电压加载速度快，且该材料响应速度在毫秒级别，由此证明单层薄膜褶皱形貌可通过电压的加载/撤销实现快速的产生/恢复。
图4展示了3组电极区域长宽比下，薄膜所形成规则褶皱的波长和幅值随着电极区域长宽比的增大呈现下降的趋势，证明改变电极区域长宽比可实现对褶皱形貌的调控。
本发明一种可调控的褶皱形貌制备方法，基于介电弹性体智能材料，该材料具有质量轻、响应迅速、能量密度高、易于成形以及输出大变形而不易疲劳等优点，而且其特有的力电耦合变形特性也使得生成褶皱形貌的试件结构及制备工艺简单，且响应速度较快。

Claims (5)

1.一种可调控的褶皱形貌制备方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
步骤1,将介电弹性薄膜放置在拉伸装置上进行等效倍数的双轴预拉伸；
步骤2，将上下设置的两个方形框架对齐后分别粘贴到经步骤1预拉伸后的介电弹性薄膜上下两面，并压紧，实现对薄膜预拉伸倍数的约束；
步骤3，将被方形框架约束的介电弹性薄膜剪下，得到薄膜试件；
步骤4，在薄膜试件上表面的方形框架上贴上铜箔引入电极，在薄膜试件下表面的方形框架上贴上铜箔引出电极，且使铜箔引入电极与铜箔引出电极分别位于薄膜试件的相对两侧；
步骤5，将位于薄膜试件上表面的柔性电极连接到铜箔引入电极上，将位于薄膜试件下表面的柔性电极连接到铜箔引出电极上，且保证位于薄膜试件上表面和下表面的两个柔性电极在法向上的投影相重合；
步骤6，以薄膜试件的中心线为对称轴设定电极区域的位置：令电极区域的长度等于方形薄膜试件的边长；
步骤7，利用信号发生器产生激励信号，通过电源放大器将激励信号幅值放大，并加载到铜箔引入电极上，并由铜箔引入电极施加到薄膜的柔性电极中，当输入电压信号幅值达到临界值时便产生规则的褶皱形貌。
2.根据权利要求1所述的一种可调控的褶皱形貌制备方法，其特征在于：所述柔性电极的制备方法如下：
步骤A，用一次性吸管吸取石墨乳，注入到异丙醇溶液中，得混合溶液A；
步骤B，将石墨粉加入到混合溶液A中，混合后，得混合溶液B，病假将混合溶液B导入试剂瓶中，将试剂瓶瓶口密封；超声震荡1～2小时，得混合试剂；
步骤C，将步骤B所得的混合试剂倒入喷枪均匀喷涂在指定区域，即得。
3.根据权利要求2所述的一种可调控的褶皱形貌制备方法，其特征在于：所述步骤A中，异丙醇溶液的体积为40～60ml；石墨乳的体积为0～3ml。
4.根据权利要求2所述的一种可调控的褶皱形貌制备方法，其特征在于：所述步骤B中，石墨粉的质量为40～60mg。
5.根据权利要求1所述的一种可调控的褶皱形貌制备方法，其特征在于：所述步骤7产生的褶皱形貌调控过程如下：
将不同类型的激励信号经高压电源放大器放大后加载到与柔性电极相连接的铜箔引入电极上，则可产生不同波长的褶皱形貌；随着激励信号幅值/相位的变化，褶皱形貌随之变化；激励信号撤销后褶皱消失，此时薄膜恢复原始尺寸和状态。
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