CN114889276A - 基于光响应的柔性双稳态薄膜机构及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于光响应的柔性双稳态薄膜机构及其制备方法和应用，基于光响应的柔性双稳态薄膜机构依次包括贴合的第一光敏层、中间层和第二光敏层；基于光响应的柔性双稳态薄膜机构存在稳态Ⅰ和稳态Ⅱ两种稳定构型，且两种构型在一定的光照条件下可以相互转换；制备方法为：先备液晶聚合物薄膜，再在微孔薄膜上下两侧分别水平铺放液晶聚合物薄膜，并在液晶聚合物薄膜上与微孔薄膜贴合的一侧涂覆光敏胶，最后微孔薄膜两侧的聚合物液晶薄膜分别进行0°和90°方向的预拉伸，且在预拉伸后用紫外光照射。本发明的基于光响应的双稳态柔性薄膜机构制备简单、光响应的驱动响应方式优势明显，能够用于设计三维立体天线，设计成的三维立体天线性能优异。

Description

基于光响应的柔性双稳态薄膜机构及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于智能响应技术领域，涉及一种基于光响应的柔性双稳态薄膜机构及其制备方法和应用。
背景技术
目前大多数柔性驱动器在连续的刺激后会发生变形，当刺激被去除后立即恢复到原始状态，这会造成大量的能量损失。这主要是由于这些柔性驱动器在制备过程中采用了初始无应力平面配置，其本质上是被设计为单稳态的。而双稳态结构可以很好地解决上述能量浪费的问题，其特点是双稳态机构可以在稳态位置不受外界刺激而保持力平衡状态，即不受特定的外界刺激而保持稳定状态。
目前关于双稳态机构的研究，专利CN202010473673.4、CN202010250564.6中涉及的双稳态机构刚性都较大，且结构设计较为复杂，大多机械外力驱动，或者是将驱动单元作为双稳态机构的一个部件粘贴在上面达到电或磁驱动的目的。这种双稳态机构不仅设计和制备较为复杂，而且质量、体积都较大，且驱动单元贴在双稳态结构上会增加机构本身的重量，会为后期应用造成影响。这主要是因为这些双稳态机构大多是采用纤维和热固性树脂复合制备的，这种双稳态机构的刚度较大，需要较大的驱动外力才可以驱动使其从稳态Ⅰ变成稳态Ⅱ。随着科学技术的发展进步，薄膜状驱动器由于小体积、轻质、集结构与功能一体的优点逐渐受到人们广泛的研究。而在驱动方式方面，光响应的驱动响应方式更具有优势，具有无线控制、光源丰富、波长选择性强等明显优点，此外它还是一种清洁能源，具有易于切换和精确操作的特性。
整体而言，目前在柔性双稳态薄膜研究方面，尤其是以光响应驱动方式的双稳态柔性薄膜的制备尚没有完善的研究。
天线是航天器对地观测或通信的关键设备，采用传统设计方法设计的大面积天线，其重量、体积以及机械复杂程度都非常大。而薄膜式天线通过将电路和电子元器件印刷或粘贴在薄膜上，这样可使得结构重量和体积大大减小。与此同时可变形双稳态机构的概念是指改变其物理结构或尺寸，从而使其具有多个天线的功能。因此探索轻质、结构功能一体化集成、且在低能量输入条件下实现可变形性能的天线具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中存在的上述问题，提供一种基于光响应的柔性双稳态薄膜机构及其制备方法和应用。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于光响应的柔性双稳态薄膜机构，为三层结构，依次包括贴合的第一光敏层、中间层和第二光敏层；
第一光敏层、中间层和第二光敏层中的相邻两层之间通过光敏胶进行粘合；
第一光敏层和第二光敏层均为依次经预拉伸和紫外光照射发生取向的液晶聚合物薄膜(这里的取向不仅是薄膜整体宏观变形上的取向，也是液晶聚合物内部分子结构由多畴变为单畴)，中间层为由无序纤维构成的柔性微孔薄膜；中间层为微孔结构薄膜，不仅可以增加层与层粘结力，使光敏层和中间层之间形成一个完整的整体，在应用过程中不至于发生分层；微孔的存在还可以使得胶水渗透整个中间层从而将第一光敏层和第二光敏层连起来，减少光敏胶水的量，因为过多的胶水会增大中间层的刚度从而影响稳态转变；
第一光敏层中液晶聚合物薄膜的取向方向与第二光敏层中液晶聚合物薄膜的取向方向相互垂直；
所述基于光响应的柔性双稳态薄膜机构存在稳态Ⅰ和稳态Ⅱ两种稳定构型；稳态Ⅰ和稳态Ⅱ均为具有一定曲率的弧形板，且稳态Ⅰ和稳态Ⅱ的凸起方向相反；
稳态Ⅰ和稳态Ⅱ能够相互转换；对稳态Ⅰ的凸起面进行一定时间的光照，稳态Ⅰ能够向稳态Ⅱ转换，且在去除光照刺激后依然维持在稳态Ⅱ；对稳态Ⅱ的凸起面进行一定时间的光照，稳态Ⅱ能够向稳态Ⅰ转换，且在去除光照刺激后依然维持在稳态Ⅰ。
稳态转换时所需要的光源波长365nm或者395nm，光照强度为200～1200mW/cm2，稳态转变所需要的光照强度与第一光敏层和第二光敏层的预拉伸的形变量ε直接相关，当ε1＝ε2时，由于稳态Ⅰ的曲率等于稳态Ⅱ的曲率，因此稳态从稳态Ⅰ向稳态Ⅱ转换时所需要的光照强度与从稳态Ⅱ向稳态Ⅰ转换时所需要的光照强度相同；当ε2＜ε1＜5ε2(事实上ε1并不能无限大于ε2，如果太大，薄膜只具有稳态Ⅰ的弯曲变形，薄膜就不具有双稳态的特点，因此约束ε2＜ε1＜5ε2)时，由于稳态Ⅰ的曲率大于稳态Ⅱ的曲率，因此从稳态Ⅰ向稳态Ⅱ转变的光照强度比从稳态Ⅱ向稳态Ⅰ转变的光照强度高20～50％(例如当ε2＜ε1＜2ε2时，从稳态Ⅰ向稳态Ⅱ转变的光照强度高20％；当2ε2＜ε1＜3ε2时，从稳态Ⅰ向稳态Ⅱ转变的光照强度高30％；当3ε2＜ε1＜4ε2时，从稳态Ⅰ向稳态Ⅱ转变的光照强度高40％；当4ε2＜ε1＜5ε2时，从稳态Ⅰ向稳态Ⅱ转变的光照强度高50％)；当ε1＜ε2＜5ε1(同上，事实上ε2并不能无限大于ε1，如果太大，薄膜只具有稳态Ⅱ的弯曲变形，薄膜就不具有双稳态的特点，因此约束ε1＜ε2＜5ε1)时，稳态Ⅰ的曲率小于稳态Ⅱ的曲率，因此从稳态Ⅱ向稳态Ⅰ转变的光照强度比从稳态Ⅰ向稳态Ⅱ转变的光照强度高20～50％(例如当ε1＜ε2＜2ε1时，从稳态Ⅱ向稳态Ⅰ转变的光照强度高20％；当2ε1＜ε2＜3ε1时，从稳态Ⅱ向稳态Ⅰ转变的光照强度高30％；当3ε1＜ε2＜4ε1时，从稳态Ⅱ向稳态Ⅰ转变的光照强度高40％；当4ε1＜ε2＜5ε1时，从稳态Ⅱ向稳态Ⅰ转变的光照强度高50％)。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种基于光响应的柔性双稳态薄膜机构，液晶聚合物由液晶单体制备得到，液晶单体为丙烯酸酯类液晶或者是联苯类液晶；
丙烯酸酯类液晶为RM257(中文名1,4-双-[4-(3-丙烯酰氧基丙氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯，分子式C33H32O10)、RM82(中文名4-[[6-[(1-氧-2-丙烯-1-基)氧]己基]氧]-苯甲酸，1,1'-(2-甲基-1,4-苯基)酯，分子式C39H44O10)或LC242(中文名4-[[4-[(1-氧-2-丙烯-1-基)氧]丁氧基]羰基]氧]-苯甲酸，1,1'-(2-甲基-1,4-苯基)酯，分子式C37H36O14)；
联苯类液晶为戊基苯基-2’,3,4,5-四氟联苯(C23H20F4)或乙基苯基-2’,3,4,5-四氟联苯(C20H14F4)。
如上所述的一种基于光响应的柔性双稳态薄膜机构，第一光敏层的形变量为10～150％，第二光敏层的形变量为10～150％；形变量ε可以由公式
Figure BDA0003618079780000031
计算得到。
如上所述的一种基于光响应的柔性双稳态薄膜机构，稳态Ⅰ的曲率半径为1.1～3.5cm，曲率范围为0.29～0.91cm-1，稳态Ⅱ的曲率半径为1.1～3.5cm，曲率范围为0.29～0.91cm-1。预拉伸的形变量ε直接影响到双稳态薄膜的曲率，ε越大，曲率半径越小，曲率越大；假设第一光敏层的形变为ε1，第二光敏层的形变为ε2，当ε1＞ε2时，稳态Ⅰ的曲率大于稳态Ⅱ的曲率；当ε1＝ε2时，稳态Ⅰ的曲率等于稳态Ⅱ的曲率；当ε1＜ε2时，稳态Ⅰ的曲率小于稳态Ⅱ的曲率。
如上所述的一种基于光响应的柔性双稳态薄膜机构，微孔薄膜是通过静电纺丝或非织造方法制备得到的，通过静电纺丝或非织造方法得到的微孔膜柔性良好，并且这种微孔薄膜可以在单元体制备过程中使得第一光敏层和第二光敏层之间保持良好的粘连性能，使得双稳态机构层间性能较好。
如上所述的一种基于光响应的柔性双稳态薄膜机构，微孔薄膜的厚度为40～120μm，平均孔径为30～50μm，孔隙率为50～70％，孔隙率在该范围时可保证胶水快速渗透且不至于流动性太强，抗弯刚度为5×10-4～2.15×10-2gf·cm2(抗弯刚度采用KES纺织品弯曲测试方法得到)。
如上所述的一种基于光响应的柔性双稳态薄膜机构，微孔薄膜的材质为聚丙烯、聚乙烯或聚酰亚胺。
本发明还提供如上所述的一种基于光响应的柔性双稳态薄膜机构的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备液晶聚合物薄膜：将液晶单体溶解在有机溶剂中，再加入光引发剂、间隔剂、交联剂和催化剂得到混合液，搅拌、脱气后将混合液采用流延成膜的方法在聚四氟乙烯板或者玻璃板上成膜，室温下交联2h，然后在80℃烘箱中放置24h得到多畴的液晶聚合物薄膜(取向后变为单畴)；
(2)在微孔薄膜上下两侧分别水平铺放步骤(1)制得的液晶聚合物薄膜，并在液晶聚合物薄膜上与微孔薄膜贴合的一侧涂覆光敏胶；
(3)对微孔薄膜两侧的聚合物液晶薄膜分别进行0°和90°方向的预拉伸，且在预拉伸后用紫外光照射进行聚合物液晶薄膜的取向以及聚合物液晶薄膜与微孔薄膜的粘结(紫外光照射具有两个作用，一个是让光敏层取向，一个是让胶水固化)，当三层结构完全固定形成一个完整整体且紫外光照射一定时间后，即去除预拉伸力，此时由于薄膜四周的边界都被固定在一起，因此由于预应力的释放，光敏层与中间层之间会表现处不对称的收缩(中间层不收缩)，制备得到基于光响应的柔性双稳态薄膜机构。
作为优选的技术方案：
如上所述的方法，步骤(1)中有机溶剂为丙酮或甲苯，光引发剂为HHMP(2-羟基-4’-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮)，间隔剂为EDDET(2,2’-(1,2-乙二基双氧代)双乙硫醇)，交联剂为PETMP(四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯)，催化剂为DPA(二正丙胺)与丙酮以质量比1:20混合得到的混合液体；
液晶单体、有机溶剂、光引发剂、间隔剂、交联剂和催化剂的质量比为1～1.5:4～10:0.03～0.05:0.17～1.67:0.15～0.4:0.03～0.1。
如上所述的方法，步骤(1)中液晶聚合物薄膜的厚度为100～200μm。
如上所述的方法，步骤(2)中微孔薄膜单侧光敏胶涂覆量为0.2～0.5g/cm2。
如上所述的方法，步骤(3)中预拉伸后聚合物液晶薄膜的形变量为10～150％；紫外光的波长为365nm或者395nm，紫外光光照射的时间为30min以上。
本发明另外还提供如上所述的一种基于光响应的柔性双稳态薄膜机构在三维立体天线上的应用，将电路和电子元器件印刷或粘贴在所述基于光响应的柔性双稳态薄膜机构上，构成一个基本单元，多个基本单元通过平面连接的方式制成三维立体天线。
该柔性双稳态薄膜机构制成的三维立体天线由于是由多个双稳态薄膜单元构成的阵列天线，因此可以根据需求将每个双稳态结构单元设计成不同的谐振频率的天线，这样当单独对一个双稳态机构单元刺激时，整个三维立体天线就具有多个天线的功能，其中包含不同的谐振频率，不同的辐射方向图和增益；也可以同时刺激多个单元使整个阵列天线发生变形，从而使天线在方向图达到定向辐射和全向辐射的目的。
本发明的原理如下：
0°/90°预拉伸的第一光敏层和第二光敏层在紫外光照射取向后，三层薄膜形成一个完整整体，由于薄膜四周的边界都被固定在一起，因此随着预应力的释放，光敏层与中间层之间会表现出不对称的收缩(中间层不收缩，光敏层会向着之前预拉伸的反方向收缩，同时由于两个光敏层之间的收缩方向呈0°/90°，因此由于力的互相约束薄膜必将朝向一侧发生弯曲，)，因此发生弯曲得到稳态Ⅰ。
含有光化学异构分子的液晶聚合物通过光照使得内部分子结构由多畴变成单畴，在宏观变形上即表现为光敏层的变形，又因为光源位于双稳态机构的凸起面，因此靠近光源一侧的光敏层产生轴向拉力P和惯性矩M大于另一侧光敏层，会促使双稳态薄膜发生跳转，具体如图4所示。
最终，本发明的基于光响应的柔性双稳态薄膜机构具有稳态Ⅰ和稳态Ⅱ两种稳定形态，对其中一种稳态的凸起面进行光照，能够实现向另一种稳态的跳转，且在去除光照刺激后依然维持在跳转后的状态。本发明的双稳态机构在光照下可快速变形发生跳转，最长响应时间仅需15s，最短响应时间仅需5s，且可以通过调节预拉伸的形变量ε从而轻松得到不同曲率大小的双稳态机构，这为双稳态机构的应用提供了大量的理论依据。
本发明采用基于光响应的柔性双稳态薄膜机构设计的三维立体天线同时兼具双稳态机构和多重天线的性能，可以通过瞬时刺激达到不同天线性能的转换需求，这在一定程度上节约了能量，也就是说采用低能量输入(瞬时刺激)的方式使三维立体天线达到可变形的目的，为可变形天线提供诸多设计的可能性，同时该双稳态薄膜机构也具有双稳态结构和天线功能一体化的特点。
有益效果：
(1)本发明的基于光响应的双稳态柔性薄膜机构，具有制备简单、无线控制、光源丰富、波长选择性强、轻量化的优点；
(2)本发明的基于光响应的双稳态柔性薄膜机构用于设计成三维立体天线，三维立体天线的每一个面都是由一个基于光响应的双稳态柔性薄膜机构组成，可以根据所需要的天线辐射方向和频率选择合适的一面进行光响应刺激，也可以同时刺激，从而达到定向辐射和全向辐射的目的。
附图说明
图1为本发明的基于光响应的双稳态柔性薄膜机构的两个稳态结构示意图；
图2和图3为本发明的基于光响应的双稳态柔性机构在三维立体天线设计中的应用示意图；
图4为本发明的光驱动机理图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
一种基于光响应的柔性双稳态薄膜机构的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)制备液晶聚合物薄膜：将液晶单体溶解在有机溶剂中，再加入光引发剂、间隔剂、交联剂和催化剂得到混合液，搅拌、脱气后将混合液采用流延成膜的方法在聚四氟乙烯板上成膜，室温下交联2h，然后在80℃烘箱中放置24h得到厚度为100μm的多畴的液晶聚合物薄膜；
其中，液晶单体为RM257；有机溶剂为丙酮，光引发剂为HHMP，间隔剂为EDDET，交联剂为PETMP，催化剂为DPA与丙酮以质量比1:20混合得到的混合液体；液晶单体、有机溶剂、光引发剂、间隔剂、交联剂和催化剂的质量比为1:4:0.03:0.17:0.15:0.03；
(2)通过非织造方法制备得到聚丙烯柔性微孔薄膜，并在柔性微孔薄膜的上下两侧分别水平铺放步骤(1)制得的液晶聚合物薄膜，在液晶聚合物薄膜上与柔性微孔薄膜贴合的一侧涂覆光敏胶(奥斯邦A339型胶水)；
其中柔性微孔薄膜单侧光敏胶涂覆量为0.2g/cm2；柔性微孔薄膜的厚度为40μm，平均孔径为30μm，孔隙率为50％，抗弯刚度为5×10-4gf·cm2；
(3)对柔性微孔薄膜一侧的聚合物液晶薄膜进行0°方向的预拉伸，预拉伸后聚合物液晶薄膜的形变量为10％，对柔性微孔薄膜另一侧的聚合物液晶薄膜进行90°方向的预拉伸，预拉伸后聚合物液晶薄膜的形变量为30％，且两侧的聚合物液晶薄膜在预拉伸后分别用波长为365nm的紫外光照射30min进行聚合物液晶薄膜的取向以及聚合物液晶薄膜与柔性微孔薄膜的粘结，制备得到基于光响应的柔性双稳态薄膜机构；
如图1所示，制得的基于光响应的柔性双稳态薄膜机构为三层结构，依次包括贴合的第一光敏层、中间层和第二光敏层；第一光敏层、中间层和第二光敏层中的相邻两层之间通过光敏胶进行粘合；基于光响应的柔性双稳态薄膜机构存在稳态Ⅰ和稳态Ⅱ两种稳定构型；稳态Ⅰ和稳态Ⅱ均为具有一定曲率的弧形板，稳态Ⅰ的曲率半径为3.5cm，稳态Ⅱ的曲率半径为3.2cm；且稳态Ⅰ和稳态Ⅱ的凸起方向相反；
采用波长为365nm的光源对稳态Ⅰ的凸起面进行光照，光照强度为200mW/cm2，光照时间为5s，稳态Ⅰ向稳态Ⅱ转换，且在去除光照刺激后依然维持在稳态Ⅱ；采用波长为365nm的光源对稳态Ⅱ的凸起面光照，光照强度为400mW/cm2，光照时间为8s，稳态Ⅱ向稳态Ⅰ转换，且在去除光照刺激后依然维持在稳态Ⅰ。
实施例2
一种基于光响应的柔性双稳态薄膜机构的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)制备液晶聚合物薄膜：将液晶单体溶解在有机溶剂中，再加入光引发剂、间隔剂、交联剂和催化剂得到混合液，搅拌、脱气后将混合液采用流延成膜的方法在聚四氟乙烯板上成膜，室温下交联2h，然后在80℃烘箱中放置24h得到厚度为100μm的多畴的液晶聚合物薄膜；
其中，液晶单体为RM82；有机溶剂为丙酮，光引发剂为HHMP，间隔剂为EDDET，交联剂为PETMP，催化剂为DPA与丙酮以质量比1:20混合得到的混合液体；液晶单体、有机溶剂、光引发剂、间隔剂、交联剂和催化剂的质量比为1.2:6:0.035:1.67:0.2:0.05；
(2)通过非织造方法制备得到聚乙烯柔性微孔薄膜，并在柔性微孔薄膜的上下两侧分别水平铺放步骤(1)制得的液晶聚合物薄膜，在液晶聚合物薄膜上与柔性微孔薄膜贴合的一侧涂覆光敏胶(NOA61型紫外固化胶水)；
其中柔性微孔薄膜单侧光敏胶涂覆量为0.3g/cm2；柔性微孔薄膜的厚度为60μm，平均孔径为35μm，孔隙率为60％，抗弯刚度为8×10-4gf·cm2；
(3)对柔性微孔薄膜一侧的聚合物液晶薄膜进行0°方向的预拉伸，预拉伸后聚合物液晶薄膜的形变量为50％，对柔性微孔薄膜另一侧的聚合物液晶薄膜进行90°方向的预拉伸，预拉伸后聚合物液晶薄膜的形变量为150％，且两侧的聚合物液晶薄膜在预拉伸后分别用波长为365nm的紫外光照射30min进行聚合物液晶薄膜的取向以及聚合物液晶薄膜与柔性微孔薄膜的粘结，制备得到基于光响应的柔性双稳态薄膜机构；
制得的基于光响应的柔性双稳态薄膜机构为三层结构，依次包括贴合的第一光敏层、中间层和第二光敏层；第一光敏层、中间层和第二光敏层中的相邻两层之间通过光敏胶进行粘合；基于光响应的柔性双稳态薄膜机构存在稳态Ⅰ和稳态Ⅱ两种稳定构型；稳态Ⅰ和稳态Ⅱ均为具有一定曲率的弧形板，稳态Ⅰ的曲率半径为3.1cm，稳态Ⅱ的曲率半径为1.1cm；且稳态Ⅰ和稳态Ⅱ的凸起方向相反；
采用波长为365nm的光源对稳态Ⅰ的凸起面进行光照，光照强度为600mW/cm2，光照时间为7s，稳态Ⅰ向稳态Ⅱ转换，且在去除光照刺激后依然维持在稳态Ⅱ；采用波长为365nm的光源对稳态Ⅱ的凸起面光照，光照强度为1200mW/cm2，光照时间为15s，稳态Ⅱ向稳态Ⅰ转换，且在去除光照刺激后依然维持在稳态Ⅰ。
实施例3
一种基于光响应的柔性双稳态薄膜机构的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)制备液晶聚合物薄膜：将液晶单体溶解在有机溶剂中，再加入光引发剂、间隔剂、交联剂和催化剂得到混合液，搅拌、脱气后将混合液采用流延成膜的方法在聚四氟乙烯板上成膜，室温下交联2h，然后在80℃烘箱中放置24h得到厚度为150μm的多畴的液晶聚合物薄膜；
其中，液晶单体为LC242；有机溶剂为丙酮，光引发剂为HHMP，间隔剂为EDDET，交联剂为PETMP，催化剂为DPA与丙酮以质量比1:20混合得到的混合液体；液晶单体、有机溶剂、光引发剂、间隔剂、交联剂和催化剂的质量比为1.3:8:0.04:0.25:0.25:0.07；
(2)通过静电纺丝方法制备得到聚酰亚胺柔性微孔薄膜，并在柔性微孔薄膜的上下两侧分别水平铺放步骤(1)制得的液晶聚合物薄膜，在液晶聚合物薄膜上与柔性微孔薄膜贴合的一侧涂覆光敏胶(NOA63型紫外固化胶水)；
其中柔性微孔薄膜单侧光敏胶涂覆量为0.3g/cm2；柔性微孔薄膜的厚度为100μm，平均孔径为35μm，孔隙率为50％，抗弯刚度为3.5×10-3gf·cm2；
(3)对柔性微孔薄膜一侧的聚合物液晶薄膜进行0°方向的预拉伸，预拉伸后聚合物液晶薄膜的形变量为80％，对柔性微孔薄膜另一侧的聚合物液晶薄膜进行90°方向的预拉伸，预拉伸后聚合物液晶薄膜的形变量为80％，且两侧的聚合物液晶薄膜在预拉伸后分别用波长为365nm的紫外光照射35min进行聚合物液晶薄膜的取向以及聚合物液晶薄膜与柔性微孔薄膜的粘结，制备得到基于光响应的柔性双稳态薄膜机构；
制得的基于光响应的柔性双稳态薄膜机构为三层结构，依次包括贴合的第一光敏层、中间层和第二光敏层；第一光敏层、中间层和第二光敏层中的相邻两层之间通过光敏胶进行粘合；基于光响应的柔性双稳态薄膜机构存在稳态Ⅰ和稳态Ⅱ两种稳定构型；稳态Ⅰ和稳态Ⅱ均为具有一定曲率的弧形板，稳态Ⅰ的曲率半径为2.3cm，稳态Ⅱ的曲率半径为2.3cm；且稳态Ⅰ和稳态Ⅱ的凸起方向相反；
采用波长为365nm的光源对稳态Ⅰ的凸起面进行光照，光照强度为800mW/cm2，光照时间为8s，稳态Ⅰ向稳态Ⅱ转换，且在去除光照刺激后依然维持在稳态Ⅱ；采用波长为365nm的光源对稳态Ⅱ的凸起面光照，光照强度为800mW/cm2，光照时间为8s，稳态Ⅱ向稳态Ⅰ转换，且在去除光照刺激后依然维持在稳态Ⅰ。
实施例4
一种基于光响应的柔性双稳态薄膜机构的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)制备液晶聚合物薄膜：将液晶单体溶解在有机溶剂中，再加入光引发剂、间隔剂、交联剂和催化剂得到混合液，搅拌、脱气后将混合液采用流延成膜的方法在玻璃板上成膜，室温下交联2h，然后在80℃烘箱中放置24h得到厚度为180μm的多畴的液晶聚合物薄膜；
其中，液晶单体为戊基苯基-2’,3,4,5-四氟联苯；有机溶剂为甲苯，光引发剂为HHMP，间隔剂为EDDET，交联剂为PETMP，催化剂为DPA与丙酮以质量比1:20混合得到的混合液体；液晶单体、有机溶剂、光引发剂、间隔剂、交联剂和催化剂的质量比为1.4:10:0.045:0.58:0.3:0.09；
(2)通过静电纺丝方法制备得到聚酰亚胺柔性微孔薄膜，并在柔性微孔薄膜的上下两侧分别水平铺放步骤(1)制得的液晶聚合物薄膜，在液晶聚合物薄膜上与柔性微孔薄膜贴合的一侧涂覆光敏胶(NOA65型紫外固化胶水)；
其中柔性微孔薄膜单侧光敏胶涂覆量为0.4g/cm2；柔性微孔薄膜的厚度为100μm，平均孔径为45μm，孔隙率为65％，抗弯刚度为8×10-3gf·cm2；
(3)对柔性微孔薄膜一侧的聚合物液晶薄膜进行0°方向的预拉伸，预拉伸后聚合物液晶薄膜的形变量为100％，对柔性微孔薄膜另一侧的聚合物液晶薄膜进行90°方向的预拉伸，预拉伸后聚合物液晶薄膜的形变量为50％，且两侧的聚合物液晶薄膜在预拉伸后分别用波长为395nm的紫外光照射35min进行聚合物液晶薄膜的取向以及聚合物液晶薄膜与柔性微孔薄膜的粘结，制备得到基于光响应的柔性双稳态薄膜机构；
制得的基于光响应的柔性双稳态薄膜机构为三层结构，依次包括贴合的第一光敏层、中间层和第二光敏层；第一光敏层、中间层和第二光敏层中的相邻两层之间通过光敏胶进行粘合；基于光响应的柔性双稳态薄膜机构存在稳态Ⅰ和稳态Ⅱ两种稳定构型；稳态Ⅰ和稳态Ⅱ均为具有一定曲率的弧形板，稳态Ⅰ的曲率半径为2.8cm，稳态Ⅱ的曲率半径为3.1cm；且稳态Ⅰ和稳态Ⅱ的凸起方向相反；
采用波长为395nm的光源对稳态Ⅰ的凸起面进行光照，光照强度为800mW/cm2，光照时间为12s，稳态Ⅰ向稳态Ⅱ转换，且在去除光照刺激后依然维持在稳态Ⅱ；采用波长为395nm的光源对稳态Ⅱ的凸起面光照，光照强度为600mW/cm2，光照时间为7s，稳态Ⅱ向稳态Ⅰ转换，且在去除光照刺激后依然维持在稳态Ⅰ。
实施例5
一种基于光响应的柔性双稳态薄膜机构的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)制备液晶聚合物薄膜：将液晶单体溶解在有机溶剂中，再加入光引发剂、间隔剂、交联剂和催化剂得到混合液，搅拌、脱气后将混合液采用流延成膜的方法在玻璃板上成膜，室温下交联2h，然后在80℃烘箱中放置24h得到厚度为200μm的多畴的液晶聚合物薄膜；
其中，液晶单体为乙基苯基-2’,3,4,5-四氟联苯；有机溶剂为甲苯，光引发剂为HHMP，间隔剂为EDDET，交联剂为PETMP，催化剂为DPA与丙酮以质量比1:20混合得到的混合液体；液晶单体、有机溶剂、光引发剂、间隔剂、交联剂和催化剂的质量比为1.5:10:0.05:0.7:0.4:0.1；
(2)通过非织造方法制备得到聚丙烯柔性微孔薄膜，并在柔性微孔薄膜的上下两侧分别水平铺放步骤(1)制得的液晶聚合物薄膜，在液晶聚合物薄膜上与柔性微孔薄膜贴合的一侧涂覆光敏胶(奥斯邦A339型胶水)；
其中柔性微孔薄膜单侧光敏胶涂覆量为0.5g/cm2；柔性微孔薄膜的厚度为120μm，平均孔径为50μm，孔隙率为70％，抗弯刚度为2.15×10-2gf·cm2；
(3)对柔性微孔薄膜一侧的聚合物液晶薄膜进行0°方向的预拉伸，预拉伸后聚合物液晶薄膜的形变量为150％，对柔性微孔薄膜另一侧的聚合物液晶薄膜进行90°方向的预拉伸，预拉伸后聚合物液晶薄膜的形变量为30％，且两侧的聚合物液晶薄膜在预拉伸后分别用波长为395nm的紫外光照射40min进行聚合物液晶薄膜的取向以及聚合物液晶薄膜与柔性微孔薄膜的粘结，制备得到基于光响应的柔性双稳态薄膜机构；
制得的基于光响应的柔性双稳态薄膜机构为三层结构，依次包括贴合的第一光敏层、中间层和第二光敏层；第一光敏层、中间层和第二光敏层中的相邻两层之间通过光敏胶进行粘合；基于光响应的柔性双稳态薄膜机构存在稳态Ⅰ和稳态Ⅱ两种稳定构型；稳态Ⅰ和稳态Ⅱ均为具有一定曲率的弧形板，稳态Ⅰ的曲率半径为1.1cm，稳态Ⅱ的曲率半径为3.2cm；且稳态Ⅰ和稳态Ⅱ的凸起方向相反；
采用波长为395nm的光源对稳态Ⅰ的凸起面进行光照，光照强度为1200mW/cm2，光照时间为15s，稳态Ⅰ向稳态Ⅱ转换，且在去除光照刺激后依然维持在稳态Ⅱ；采用波长为395nm的光源对稳态Ⅱ的凸起面光照，光照强度为200mW/cm2，光照时间为5s，稳态Ⅱ向稳态Ⅰ转换，且在去除光照刺激后依然维持在稳态Ⅰ。
实施例6
一种基于光响应的柔性双稳态薄膜机构在三维立体天线上的应用，具体如下：
将电路和电子元器件印刷在实施例1～5任一制得的基于光响应的柔性双稳态薄膜机构上，构成一个基本单元，多个基本单元通过如图2所示的平面连接的方式制成三维立体天线。
这种连接方式的优点在于通过对每个单元的两个角点进行约束使其可以在单独的光照刺激时发生变形，可以根据需求将每个双稳态结构单元设计成不同的谐振频率的天线，这样当单独对一个双稳态机构单元刺激时，整个三维立体天线就具有多个天线的功能，其中包含不同的谐振频率，不同的辐射方向图和增益；也可以同时刺激多个单元使整个阵列天线发生变形，从而使天线在方向图达到如图3所示的定向辐射和全向辐射的目的，有利于实现方向图大幅度大角度可重构。

Claims (13)

1.一种基于光响应的柔性双稳态薄膜机构，其特征在于：为三层结构，依次包括贴合的第一光敏层、中间层和第二光敏层；
第一光敏层、中间层和第二光敏层中的相邻两层之间通过光敏胶进行粘合；
第一光敏层和第二光敏层均为依次经预拉伸和紫外光照射发生取向的液晶聚合物薄膜，中间层为由无序纤维构成的柔性微孔薄膜；
第一光敏层中液晶聚合物薄膜的取向方向与第二光敏层中液晶聚合物薄膜的取向方向相互垂直；
所述基于光响应的柔性双稳态薄膜机构存在稳态Ⅰ和稳态Ⅱ两种稳定构型；稳态Ⅰ和稳态Ⅱ均为具有一定曲率的弧形板，且稳态Ⅰ和稳态Ⅱ的凸起方向相反；
对稳态Ⅰ的凸起面进行一定时间的光照，稳态Ⅰ能够向稳态Ⅱ转换，且在去除光照刺激后依然维持在稳态Ⅱ；对稳态Ⅱ的凸起面进行一定时间的光照，稳态Ⅱ能够向稳态Ⅰ转换，且在去除光照刺激后依然维持在稳态Ⅰ。
2.根据权利要求1所述的一种基于光响应的柔性双稳态薄膜机构，其特征在于，液晶聚合物由液晶单体制备得到，液晶单体为丙烯酸酯类液晶或者是联苯类液晶；
丙烯酸酯类液晶为RM257、RM82或LC242；
联苯类液晶为戊基苯基-2’,3,4,5-四氟联苯或乙基苯基-2’,3,4,5-四氟联苯。
3.根据权利要求2所述的一种基于光响应的柔性双稳态薄膜机构，其特征在于，第一光敏层的形变量为10～150％，第二光敏层的形变量为10～150％。
4.根据权利要求3所述的一种基于光响应的柔性双稳态薄膜机构，其特征在于，稳态Ⅰ的曲率半径为1.1～3.5cm，稳态Ⅱ的曲率半径为1.1～3.5cm。
5.根据权利要求1所述的一种基于光响应的柔性双稳态薄膜机构，其特征在于，微孔薄膜是通过静电纺丝或非织造方法制备得到的。
6.根据权利要求5所述的一种基于光响应的柔性双稳态薄膜机构，其特征在于，微孔薄膜的厚度为40～120μm，平均孔径为30～50μm，孔隙率为50～70％，抗弯刚度为5×10-4～2.15×10-2gf·cm2。
7.根据权利要求6所述的一种基于光响应的柔性双稳态薄膜机构，其特征在于，微孔薄膜的材质为聚丙烯、聚乙烯或聚酰亚胺。
8.如权利要求1～7任一项所述的一种基于光响应的柔性双稳态薄膜机构的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)制备液晶聚合物薄膜：将液晶单体溶解在有机溶剂中，再加入光引发剂、间隔剂、交联剂和催化剂得到混合液，搅拌、脱气后将混合液采用流延成膜的方法在聚四氟乙烯板或者玻璃板上成膜，室温下交联2h，然后在80℃烘箱中放置24h得到多畴的液晶聚合物薄膜；
(2)在微孔薄膜上下两侧分别水平铺放步骤(1)制得的液晶聚合物薄膜，并在液晶聚合物薄膜上与微孔薄膜贴合的一侧涂覆光敏胶；
(3)对微孔薄膜两侧的聚合物液晶薄膜分别进行0°和90°方向的预拉伸，且在预拉伸后用紫外光照射进行聚合物液晶薄膜的取向以及聚合物液晶薄膜与微孔薄膜的粘结，制备得到基于光响应的柔性双稳态薄膜机构。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤(1)中有机溶剂为丙酮或甲苯，光引发剂为HHMP，间隔剂为EDDET，交联剂为PETMP，催化剂为DPA与丙酮以质量比1:20混合得到的混合液体；
液晶单体、有机溶剂、光引发剂、间隔剂、交联剂和催化剂的质量比为1～1.5:4～10:0.03～0.05:0.17～1.67:0.15～0.4:0.03～0.1。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤(1)中液晶聚合物薄膜的厚度为100～200μm。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤(2)中微孔薄膜单侧光敏胶涂覆量为0.2～0.5g/cm2。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤(3)中预拉伸后聚合物液晶薄膜的形变量为10～150％；紫外光的波长为365nm或者395nm，紫外光光照射的时间为30min以上。
13.如权利要求1～7任一项所述的一种基于光响应的柔性双稳态薄膜机构在三维立体天线上的应用，其特征在于：将电路和电子元器件印刷或粘贴在所述基于光响应的柔性双稳态薄膜机构上，构成一个基本单元，多个基本单元通过平面连接的方式制成三维立体天线。
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