DE102005034323B4

DE102005034323B4 - Aktuator mit Nanotubes

Info

Publication number: DE102005034323B4
Application number: DE200510034323
Authority: DE
Inventors: Johannes Dipl.-Ing. 38106 Riemenschneider; Thorsten Dr.rer.nat. 38228 Mahrholz; Jürgen Dipl.-Ing. 38518 Mosch
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2005-07-22
Filing date: 2005-07-22
Publication date: 2011-07-21
Anticipated expiration: 2025-07-23
Also published as: DE102005034323A1

Abstract

Aktuator zur Umwandlung eines elektrischen Signals in eine Stellkraft und/oder eine Stellbewegung in eine Stellrichtung (15), wobei a) mindestens ein Stellelement (16) vorgesehen ist, b) welches mehrere ba) im Wesentlichen in Stellrichtung (15) und bb) im Wesentlichen parallel zueinander orientierte Nanotubes (19) aufweist, wobei c) Referenzpunkte der Nanotubes (19) in einer gekrümmten Ebene angeordnet sind und d) die Nanotubes (19) über zumindest ein Substrat (17) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Längsachse (18b-18b) des Substrats (17b) gekrümmt ist und dieses eine geschlossene Ringstruktur bildet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Aktuator zur Umwandlung eines elektrischen Signals in eine Stellkraft und/oder einer Stellbewegung.
STAND DER TECHNIK
Aus dem nächstliegenden Stand der Technik
Gab, M.; Dai, L.; Baughman, R. H.; Spinks, G. M.; Wallace, G. G.: Electrochemical properties of aligned nanotube arrays: basis of new electromechanical actuators; In: Proc. of SPIE, Vol. 3987, Electroactive Polymer Actuators and Devices (EAPAD), ed. Y. Bar-Cohen (März 2000) [1]
ist eine Herstellung eines Stellelementes für einen Aktuator bekannt, bei welchem einzelne Nanotubes mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 30–80 nm und mit einer Länge von 10 μm senkrecht zu einem Quarz-Substrat ausgerichtet werden. Derartige ”Blätter” werden vorbereitet durch eine Pyrolyse von Eisen (II) Phthalocyanin, FeC₃₂N₈H₆ (FePc) unter Ar/H₂ bei 800 bis 1100°C entsprechend einem Verfahren, welches aus der Literaturstelle Shaoming, Huang, Liming Dai, Albert W. H. Mau: Patterned Growth and Contact Transfer of Well-Aligned Carbon Nanotube Films. In: Phys. Chem. B. 1999, 103, S. 4223–4227 bekannt ist. Vor einer Entfernung des Quarz-Substrates von den ausgerichteten Nanotubes in einer HF/H₂O-Lösung wird eine dünne Goldschicht auf der amorphen Carbonschicht angeordnet, die an einem oberen Ende der Nanotubes gewachsen ist, wodurch eine Verbindung der Nanotubes miteinander erfolgt und ein leitendes Substrat bereitgestellt wird. Die einzelnen Nanotubes werden dann in einem Aktuator über das Gold-Subtrat gleichermaßen elektrisch beaufschlagt, was dazu führt, dass benachbarte Nanotubes von einander abgestoßen werden. Infolge der biegeweichen Ausgestaltung des Gold-Substrates führen diese Abstoßungskräfte zu einer Verformung des Gold-Substrates, so dass eine anfängliche ebene Ausrichtung des Gold-Substrates mit zunehmender elektrischer Beaufschlagung zu einem bogenförmigen Gold-Substrat reversibel umgeformt wird.
Andererseits ist aus
H. P. Monner, S. Mühle, P. Wierach, J. Riemenschneider: Carbon Nanotubes – ein multifunktionaler Leichtbauwerkstoff für die Adaptronik, Adaptronic Congress 2003, 01.–03. April 2003 [2]
und
J. Riemenschneider, T. Mahrholz, J. Mosch, H. P. Monner, J. Melcher: Carbon Nanotubes – Smart Material of the Future: Experimental Investigation of the System Response; II Eccomas Thematic Conference an Smart Structures and Materials C. A.; Mota Soares et al. (Eds.), Lissabon, Portugal, 18.–21. 07. 2005 [3]
der Einsatz von so genannten ”Bucky-Papers” bekannt, bei denen es sich um Carbon-Nanotubes handeln, die aus statistisch verteilten Carbon-Nanotube-Bündeln bestehen und die in der Art eines Vlies durch Vakuumfiltration hergestellt sind. Bei derartigen Bucky-Papers besteht nur eine schwache Haftung zwischen den einzelnen Nanotubes, so dass diese spröde Materialeigenschaften aufweisen. Zur elektrischen Aktivierung eines Bucky-Papers müssen Ionen an den einzelnen Nanotubes angelagert werden. Hierzu werden diese mit einem Elektrolyt umgeben, beispielsweise einer einmolaren NaCl-Lösung. Wandern Ionen durch den Elektrolyten zu dem Bucky-Paper und orientieren sich um Nanotubes oder ordnen sich um die Nanotubes herum ab, dehnen sich die Nanotubes durch eine elektrochemische Wechselwirkung mit den Ionen aus. Zum Aufbau eines Aktuators wird ein doppelseitiges Klebeband beidseitig mit Bucky-Paper versehen. Die beiden Bucky-Paper werden entgegengesetzt zueinander mit einem Pluspol und einem Minuspol einer Spannungsquelle verbunden. Dies führt bei Einsatz in einem Elektrolyt dazu, dass sich die Bucky-Paper unterschiedlich stark verlängern, wobei sich die mit dem Klebeband gebildete Struktur krümmt.
Gemäß dem aus [3] bekannten Aufbau eines Aktuators findet ein Bucky-Paper Einsatz, welches in einem Elektrolyt als Elektrode eingesetzt ist und in Längsrichtung vorgespannt ist. Weiterhin sind in dem Elektrolyt eine Gegenelektrode und eine Referenzelektrode eingesetzt. Mit einer elektrischen Beaufschlagung der mit dem Bucky-Paper gebildeten Elektrode verändert sich die Längserstreckung des Aktuators, die gemäß [3] mit einem Laser erfasst werden kann. Weiterhin sind in [3] in einem Ausblick Möglichkeiten einer Verbesserung der makroskopischen Struktur der Carbon-Nanotubes angesprochen. Verbesserte strukturelle Eigenschaften sollen hierbei durch Herstellung von Carbon-Nanotube-Fasern erzielt werden oder durch verstärkte Nanotube-Bündel mit Brücken zwischen den einzelnen Nanotubes, vgl. auch die diesbezüglich in [3] angesprochenen Literaturstellen. Weiterhin ist in dem Ausblick der Einsatz eines in einer festen Phase vorliegenden Elektrolyten für einen auf Carbon-Nanotubes basierenden Aktuator angesprochen.
Aus DE 102 44 312 A1 ist es bekannt, modifizierte Bucky-Paper herzustellen, bei denen einzelne Nanotubes eine Vorzugsrichtung aufweisen, so dass die Nanotubes im Wesentlichen in einem Winkel kleiner als 90°, bevorzugt kleiner als 60° oder auch kleiner als 45° bis hin zu einer parallelen Anordnung ausgerichtet sind. Hierbei liegt die Vorzugsrichtung in der Ebene des Bucky-Papers. Weiterhin ist aus DE 102 44 312 A1 ein Aufbau eines Aktuators mit mehreren mit jeweils einem Bucky-Paper ausgebildeten Stellelementen bekannt, bei denen die Vorzugsrichtung der Nanotubes quer zur Stellrichtung des Aktuators orientiert ist.
Aus WO 2000/050771 A1 ist ein Aktuator bekannt, bei dem einzelne Stellelemente auf der zuvor erwähnten Krümmung entgegengesetzt elektrisch beaufschlagter Blätter basieren, wobei zur Erzielung eines Aktuators mit vergrößerten Möglichkeiten der erzielbaren Stellbewegungen mehrere derartige Stellelemente mechanisch hintereinander geschaltet sind.
Aus der nicht vorveröffentlichten DE 10 2004 025 603 A1 ist ein Aktuator bekannt, bei dem in mehreren mechanisch hintereinander geschalteten Schichten zwischen Stegen orthogonal zu den Stegen unidirektional orientierte Nanoröhrchen angeordnet sind. Zwischen den Nanoröhrchen und den Stegen besteht eine elektrisch leitfähige Verbindung. Eine mechanische Anbindung der Nanoröhrchen an die Stege erfolgt beidseitig durch eine stoffschlüssige Verbindung. Hierzu kann an Kontaktstellen zwischen den Nanoröhrchen und den Stegen durch eine Festkörperreaktion ein Metallkarbid gebildet werden, welches die Nanoröhrchen und die Stege mechanisch belastbar miteinander verbindet. Zur weiteren Verbesserung einer Verbindung und Kontaktierung können die Kontaktstellen zwischen Nanoröhrchen und Stegen zusätzlich mit zusätzlichem Metall beschichtet werden, wodurch beispielsweise die Enden der Nanoröhrchen nach der zuvor erläuterten Festkörperreaktion vollständig in Metallkarbid eingebettet sind.
Aus WO 03/061107 A2 und Fukuda T. u. a.: Perspective of Nanotube Sensors and Nanotube Actuators. In: 4^th IEEE Conference an Nanotechnology, 2004, S. 41–44 sind weitere Aktuatoren bekannt, bei denen Nanoröhrchen unidirectional ausgerichtet sind und stoffschlüssig an leitende Platten oder Elektroden angebunden sind.
Weiterer Stand der Technik ist aus WO 2004/109104 A2 bekannt.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Aktuator vorzuschlagen, der hinsichtlich der erzielbaren Stellbewegungen, Stellkräfte und der mechanischen Eigenschaften eines Verbundes einzelner Nanotubes zu einer Makrostruktur verbessert ist.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich entsprechend den Merkmalen der Patentansprüche 2 bis 9.
Erfindungsgemäß werden zunächst die bemerkenswerten mechanischen Eigenschaften von Nanotubes, insbesondere Carbon-Nanotubes, und deren exzellente aktuatorische Eigenschaften ausgenutzt. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an Carbon-Nanotubes dehnen sich diese in Verbindung mit einem Elektrolyt aus, wobei auch bei im Vergleich zu piezokeramischen Aktuatoren niedrigen elektrischen Spannungen große Dehnungen, beispielsweise von bis zu 0,8%, erzeugt werden können. Die besten piezokeramischen Werkstoffe erreichen Dehnungen von höchstens 0,2% (bei üblicherweise kommerziell verfügbaren Produkten höchstens 0,1%) und benötigen hierfür mehrere 100 Volt Spannung. Unter Berücksichtigung der enormen Steifigkeit der Carbon-Nanotubes würden 0,8% Dehnung bei einer aktuatorisch wirksamen Querschnittsfläche von 1 mm² eine Kraft von 4800 N erzeugen. Im Vergleich hierzu bieten piezokeramische Werkstoffe unter den gleichen Voraussetzungen lediglich die Möglichkeit einer Erzeugung einer Stellkraft von 60 N.
Der vorliegenden Erfindung liegt weiterhin die Erkenntnis zugrunde, dass die Carbon-Nanotubes bei niedriger Dichte eine extrem hohe Zugfestigkeit und Steifigkeit aufweisen können, die auf ein bis zu 135-faches verbessertes Verhältnis der Zugfestigkeit zu Dichte im Vergleich zu Stahl führen kann. Finden die Nanotubes allerdings entsprechend dem eingangs angeführten Stand der Technik Einsatz in Bucky-Papers oder Fasern, so liegen in den einzelnen Schichten die Nanotubes vorrangig statistisch verteilt aufeinander. Die Makrostruktur wird gemäß dem Stand der Technik daher nicht ausschließlich von den starken kovalenten Bindungen der Nanotubes zusammengehalten. Vielmehr werden die mechanischen Eigenschaften der Makrostruktur auch von den van-der-Waals-Kräften der neben- oder aufeinander liegenden Nanotubes bestimmt. Dieses hat eine gravierende Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften der Makrostruktur zur Folge. Experimentelle und analytische. Untersuchungen haben gezeigt, dass der E-Modul der Nanotubes selber bis über 600 GPa betragen kann, vgl. C. Gao, T. Cagin, W. A. Goddard: Energetics, structure, machanical and vibrational properties of single-walland carbon nanotubes. In: Nanotechnology 9, 1998, S. 184–191; Walters et al.: Elastic strain of freely suspendet single-wall carbon nanotube ropes. In: Applied Phys. Letters 74, Nr. 25, 1999, S. 3803–3805, während Makrostrukturen dagegen lediglich ein E-Modul von 1 bis 5 GPa aufweisen, vgl. WO 2000/050771 A1 .
Dieser Erkenntnis wird dadurch Rechnung getragen, dass erfindungsgemäß in einem Stellelement mehrere Nanotubes im Wesentlichen parallel zueinander orientiert in Stellrichtung ausgerichtet sind. Die bedeutet, dass die Beaufschlagung des Aktuators mit einer Stellkraft in eine Stellrichtung mit einer Beaufschlagung der Nanotubes in Längsrichtung einhergeht, wodurch die gesamte Steifigkeit der Nanotubes uneingeschränkt genutzt werden kann. Gleichzeitig sind mehrere Nanotubes in mechanischer Parallelschaltung zueinander angeordnet, so dass sich je nach der Zahl der parallel zueinander angeordneten Nanotubes eine weitere Erhöhung der Steifigkeit des Verbundes mehrerer Nanotubes ergeben kann.
Im Bereich des Stellelementes erfolgt eine Verbindung mehrerer Nanotubes über ein Substrat.
Dieses Substrat kann alternativ oder kumulativ vielfältige Funktionen erfüllen:

– Zunächst kann über das Substrat eine vorteilhafte elektrische Beaufschlagung der Nanotubes erfolgen, wobei über das Substrat eine vereinfachte Zufuhr eines elektrischen Signals zu den Nanotubes erfolgen kann und gewährleistet ist, dass die Nanotubes relativ zueinander mit einem definierten elektrischen Potential beaufschlagt werden.
– Das Substrat kann die Nanotubes in ihrer Ausrichtung zu dem Substrat festlegen und beispielsweise eine Orientierung vertikal zu dem Substrat vorgeben.
– Weiterhin ist es möglich, dass das Substrat den Abstand einzelner Nanotubes voneinander vorgibt sowie Kräfte aufnimmt, die in der Ebene des Substrats zwischen den Nanotubes wirken, beispielsweise quer zur Stellrichtung.
– Ebenfalls kann das Substrat für eine Übertragung der Stellkraft und/oder der Stellbewegung des Stellelementes zu benachbarten Bauelementen dienen, so dass punktuell wirkende Beanspruchungen auf mehrere Nanotubes eines Stellelementes verteilt werden können.

Während für die Bucky-Paper einzelne Nanotubes regellos in diesem verteilt sind sowohl hinsichtlich deren Orientierung als auch mit verschobenen Längserstreckungen, sind erfindungsgemäß die Referenzpunkte der Nanotubes in einer geraden oder beliebig gekrümmten Ebene angeordnet. Bei diesen Referenzpunkten kann es sich um beliebige Punkte der Nanotubes handeln, beispielsweise die Anfangs-, Mitten- und/oder Endpunkte. Demgemäß können Anfangs- und/oder Endpunkte in einer Ebene liegen, so dass eine Kontaktierung mit benachbarten Bauelementen verbessert ist.
Eine Verbindung des Substrates mit den Nanotubes kann in einem beliebigen Bereich der Nanotubes erfolgen. Denkbar ist die Verbindung ungefähr mittig zur Längserstreckung, wodurch die freie Länge der Nanotubes beidseitig des Substrates minimiert ist und ein Ausknicken, beispielsweise entsprechend dem aus [1] bekannten Aktuator vermindert oder vermieden ist. Idealerweise liegen die Endbereiche der Nanotubes an möglichst steifen benachbarten Bauelementen an, so dass durch eine mechanische Hintereinanderschaltung die Steifigkeit eines Stellelementes oder des Aktuators nicht verringert wird. Denkbar ist weiterhin, dass Nanotubes benachbarter, hintereinandergeschalteter Stellelemente unmittelbar mit ihren Stirnflächen aneinander anliegen. Für den Fall, dass das Substrat in zumindest einem Endbereich der Nanotubes angeordnet ist, kann alternativ ein Kraftfluss von den Nanotubes über das Substrat zu einem benachbarten Bauelementes des Aktuators verlaufen. In diesem Fall kann es vorteilhaft sein, ein zumindest in Stellrichtung möglichst steifes Substrat einzusetzen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es durchaus möglich, dass eine kraftschlüssige Verbindung der Nanotubes mit zumindest einem Substrat erfolgt. Beispielsweise kann die Makrostruktur vorgespannt sein, so dass eine Vorspannkraft zwischen Substrat und Nanotubes erzeugt wird, die die Enden der Nanotubes auf das Substrat presst. In diesem Fall werden Bewegungen quer zur Stellrichtung kraftschlüssig, insbesondere durch Reibung zwischen den Stirnseiten der Nanotubes und dem Substrat, infolge der Vorspannung aufgenommen.
Ebenfalls ist es möglich, dass zusätzlich zu der Verbindung der Nanotubes über das Substrat eine Brückenbildung zwischen einzelnen Nanotubes erfolgt. Hierdurch kann eine weitere Versteifung der Makrostruktur erfolgen. Beispielsweise sind die Brücken zwischen den Substraten, insbesondere ungefähr mittig zur Längserstreckung, gebildet. Hierdurch kann die freie Länge der Nanotubes beidseitig des Substrats minimiert werden. Dies hat zur Folge, dass ein Ausknicken, beispielsweise entsprechend einem aus [1] bekannten Aktuator, vermindert oder vermieden werden.
Für die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist eine Längsachse des Substrats derart gekrümmt, dass das Substrat und damit auch der Aktuator eine geschlossene Ringstruktur bildet. Eine Beaufschlagung des Aktuators resultiert damit in einer Erzeugung einer radialen Verformung und/oder Kraft bzw. eine veränderte Dicke der den Aktuator bildenden Ringstruktur. Ist radial innenliegend oder radial außenliegend von dem Aktuator ein Gegenstand angeordnet, beispielsweise ein Rohr oder ein Zylinder, so kann dieser Gegenstand mit der elektrischen Beaufschlagung des Aktuators eingeklemmt werden. Ebenfalls denkbar ist, dass mehrere ringförmige Stellelemente radial hintereinander liegend angeordnet sind, wobei es in diesem Fall vorteilhaft ist, wenn zumindest ein Teil der Substrate in Umfangsrichtung elastisch ist.
Für eine alternative erfindungsgemäße Verbindung der Nanotubes mit einem Substrat gibt es vielfältige Möglichkeiten. Denkbar ist eine formschlüssige und/oder reibschlüssige Verbindung.
Entsprechend [1] kann eine dünne Schicht aus Gold auf die amorphe Carbonschicht aufgebracht werden, die auf einer Seite der Nanotubes gewachsen ist. Weiterhin können zur Verankerung der Nanotubes mikro-lithographische Techniken eingesetzt werden. Beispielsweise kann ein Ende oder können beide Endbereiche eines Nanotubes an dem Substrat durch eine Deckschicht befestigt werden. Ebenfalls sind chemische Verfahren zur Anbindung von Carbon-Nanotubes bekannt, vgl. J. Liu u. a.: Fullerene Pipes. In: Science 280, S. 1253–1256 (1998), wobei Nanotubes mit Säuregruppen enden und mit einem Gold-Substrat verbunden werden. Ein weiteres Verfahren zur Verbindung eines Substrates mit Nanotubes ist aus D. A. Walters u. a. Applied Phys. Letters 74, S. 3803–3805 (1999) bekannt, wobei ein mikro-lithographisches Verfahren Einsatz findet. Denkbar ist weiterhin, dass die Makrostruktur vorgespannt ist, so dass eine Vorspannkraft zwischen Substrat und Nanotubes erzeugt wird, die Enden der Nanotubes auf das Substrat presst. In diesem Fall werden Bewegungen quer zur Stellrichtung kraftschlüssig infolge der Vorspannung aufgenommen.
In
R. H. Baughman u. a. Carbon Nanotube Actuators, In: Science, Vol. 284, 21.05.1999, S. 1340–1344 [4]
ist angesprochen, dass ein Bündel von Nanotubes, beispielsweise in einem Bucky-Paper, einzelne Nanotubes infolge der zufälligen Ausrichtung unterschiedlichen Beanspruchungen ausgesetzt sind. Dieses verstärkt eine Verringerung des Zusammenhaltes der Makrostruktur und kann zu einer Versprödung der Makrostruktur führen sowie zu einer Beeinträchtigung des elektromechanischen Verhaltens. Erfindungsgemäß werden abweichend hierzu die Nanotubes infolge der parallelen Orientierung und infolge der Anordnung der Referenzpunkte in einer Ebene gleichermaßen beaufschlagt, so dass benachbarte Nanotubes gleiche Bewegungen ausführen.
Erfindungsgemäß kann eine Vielzahl unterschiedlicher Nanotubes eingesetzt werden, beispielsweise einwandige Nanotubes, mehrwandige Nanotubes, achiralen oder hochsymmetrischen Nanotubes, chiralen oder spiralförmigen, symmetrischen Nanotubes, wobei für achirale Nanotubes eine zick-zack-förmige Struktur oder eine Arm-Chair-Struktur möglich ist.
Die Erfindung nutzt u. U. die Änderung der Bindungslänge eines Carbon-Nanotubes je nach der elektrischen Beaufschlagung und damit die Längenänderung der Nanotubes in Längsrichtung aus. Eine heute vermutete Erklärung des Effektes der Längenänderung infolge einer elektrischen Beaufschlagung ist, dass es in einem Elektrolyt u. U. beim Anlegen einer Spannung zwischen den Nanotubes und einer geeigneten Gegenelektrode zu einer Ionenablagerung an den Nanotubes (elektrochemische Doppelschicht) kommt, wodurch es zu einer Störung der kovalenten Bindungen kommt, die sich dadurch aufweiten. Eine weitere Untersuchung des Effektes ist allerdings erforderlich. Für eine besondere Ausgestaltung sind die Nanotubes senkrecht zu dem Substrat ausgerichtet, wobei eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Substrat und Nanotubes in einem Endbereich der Nanotubes hergestellt ist, so dass die Verbindung zwischen benachbarten Nanotubes nicht ausschließlich durch Van-der-Waals-Kräfte hergestellt ist.
Entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aktuators sind einem Stellelement zwei Substrate zugeordnet. In einem ersten Bereich sind die Nanotubes mit einem ersten Substrat verbunden. Ein zweites, zusätzliches Substrat ist in einem zweiten Endbereich der Nanotubes mit diesen verbunden. Demgemäß bildet das Stellelement eine kompakte Einheit mit definierten Randbedingungen der Nanotubes im Bereich der Substrate. Relativverschiebungen benachbarter Nanotubes in den Bereichen der Substrate sind nicht oder nur unter Verformung des Substrates möglich. Damit ist eine Veränderung des Abstandes der Nanotubes, beispielsweise entsprechend [1], im Bereich der Substrate (insbesondere in den Endbereichen) vermieden, so dass infolge einer Abstoßung benachbarter Nanotubes lediglich ein Ausbeulen zwischen den Endbereichen erfolgen könnte. Ein derartiges Ausbeulen tritt aber unter Umständen allein dadurch nicht auf, dass sich die Abstoßungskräfte auf ein Nanotube infolge beidseitig des Nanotubes angeordneter benachbarter Nanotubes gegenseitig aufheben. Weiterhin kann bei den genannten zwei Substraten eine verbesserte Weiterleitung der Stellbewegungen und/oder Stellkräfte erfolgen.
Vergrößerte Stellkräfte oder Stellbewegungen können erfindungsgemäß dann erzielt werden, wenn mehrere Stellelemente in Stellrichtung hintereinander liegend angeordnet sind, wodurch die Wirkungen mehrerer Stellelemente additiv sind. Hierbei können hintereinander liegende Nanotubes fluchtend zueinander angeordnet sein oder aber versetzt zueinander, wobei zwischen die Nanotubes das Substrat zwischengeschaltet sein kann oder die Nanotubes stirnseitig unmittelbar miteinander verbunden sind.
Eine besonders kompakte Ausgestaltung des Aktuators ergibt sich, wenn benachbarte Stellelemente ein gemeinsames Substrat aufweisen, welches somit auf einer Seite mit den Nanotubes eines Stellelementes verbunden ist und auf einer gegenüberliegenden Seite mit den Nanotubes eines benachbarten Stellelementes.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aktuators erfolgt eine verbesserte Vorgabe der Position, Lage und/oder Orientierung der Nanotubes dadurch, dass das Substrat formstabil ist, wodurch einer Stellbewegung und der Erzeugung von Stellkräften in Stellrichtung weiterer Vorrang eingeräumt werden kann. Vorteilhafterweise heben sich in dem Substrat wirkende Kräfte eines Nanotubes mit Kräften und/oder Momenten eines benachbarten Nanotubes auf. Für den Fall, dass das formstabile Substrat eine letzte oder erste Schicht des Aktuators bildet, kann das formstabile Substrat dazu dienen, die äußere Geometrie des Aktuators vorzugeben und zu erhalten und/oder eine Übergabe der Stellbewegung und/oder Stellkraft an benachbarte Elemente des Aktuators zu ermöglichen oder zu vereinfachen.
Insbesondere sind mehrere Substrate oder die Substrate des Aktuators in elektrischer Parallelschaltung miteinander verbunden. Auf diese Weise kann besonders einfach dafür gesorgt werden, dass die Substrate und damit die zugeordneten Nanotubes dasselbe elektrische Potential aufweisen, so dass eine gleichförmige Stellbewegung und Verformung erzeugt werden kann, wodurch innere Spannungszustände oder ungleichförmige Beanspruchungen vermieden werden können.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der gesamten Beschreibung. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche abweichend von den gewählten Rückbeziehungen ist ebenfalls möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungsfiguren dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
1 zeigt einen Aktuator gemäß dem Stand der Technik, vgl. [1].
2 zeigt ein Stellelement eines Aktuators.
3 zeigt einen Aktuator mit mehreren in Stellrichtung hintereinanderliegend angeordneten Stellelementen.
4 zeigt einen erfindungsgemäßen Aktuator in Ringform mit radial orientierter Stellrichtung.
5 zeigt ein Detail V des Aktuators gemäß 4.
6 zeigt einen Aktuators mit einer zangenartigen Verstärkungseinrichtung.
FIGURENBESCHREIBUNG
1 zeigt einen Aktuator 10 gemäß dem Stand der Technik [1]. Der Aktuator 10 ist mit einem bimorphen Balken vergleichbar, dessen Unterseite von einem ebenen Substrat 11 gebildet ist, von dem sich senkrecht zur Längsachse des Substrates 11 Nanotubes 12 erstrecken. Die Nanotubes 12 sind gemäß 1 mit gleichem Abstand voneinander in Längsrichtung des Substrates 11 verteilt angeordnet und besitzen ungefähr gleich Länge. Mit einer elektrischen Beaufschlagung der Nanotubes 12, beispielsweise infolge der Beaufschlagung des Substrates 11 über ein Leitung 26, kommt es zu Abstoßungsreaktionen benachbarter Nanotubes 12, die ein Biegemoment um eine Achse senkrecht zur Zeichenebene auf das Substrat 11 ausüben, infolge dessen sich der in 1 dargestellte gekrümmte Zustand des Substrates 11 einstellt, wobei mit der Stellrichtung 13 eine Bewegung der Nanotubes infolge der elektrischen Beaufschlagung dargestellt ist.
2 zeigt einen Aktuator 14, der bei geeigneter elektrischer Beaufschlagung Stellkräfte und/oder Stellbewegungen in eine Stellrichtung 15 erzeugt. Ein Stellelement 16 des Aktuators 14 weist ein Substrat 17 auf, welches vorzugsweise biegesteif oder formstabil ausgebildet ist. Quer zu einer Längsachse 18-18 erstrecken sich von dem Substrat 17 Nanotubes 19, die parallel zueinander orientiert sind, in Richtung der Längsachse 18 mit gleichen Abständen voneinander beabstandet sind und ungefähr gleiche Länge aufweisen. Die Nanotubes 19 sind formschlüssig, stoffschlüssig oder kraftschlüssig mit dem Substrat 17 verbunden, beispielsweise über eine feste Einspannung oder über eine Anpressung. Auf der den Nanotubes 19 gegenüber liegenden Seite grenzt der Aktuator 14 bzw. das Stellelement 16 an ein benachbartes Bauelement 20 an, bei dem es sich um ein weiteres Stellelement 16 oder eine Abstützung zur Erzeugung einer Stellkraft oder Stellbewegung handeln kann. Im Bereich der dem Substrat 17 gegenüberliegenden Stirnflächen der Nanotubes 19 kann eine von dem Aktuator 14 oder dem Stellelement 16 erzeugte Stellkraft oder Stellbewegung auf ein weiteres benachbartes, in 2 nicht dargestelltes Bauelement übertragen werden. In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Längsachse 18-18 und damit das Substrat 17 sowohl in verformten als auch im unverformten Zustand geradlinig ausgebildet – ebenfalls denkbar ist eine beliebig gekrümmte oder kurvenförmige Kontur des Substrates 17 in dem dargestellten Schnitt. Abweichend zum Stand der Technik gemäß [1] korreliert damit das Ausmaß der Stellbewegung mit einer Verformung der einzelnen Nanotubes 19 in Längsrichtung derselben.
3 zeigt einen Aktuator 14a, bei dem mehrere Stellelemente 16a in Stellrichtung 15a hintereinander liegend angeordnet sind, wobei die Substrate 17 der Stellelemente 16a in parallelen Ebenen angeordnet sind. Zwischen den Nanotubes 19a benachbarter Stellelemente 16a ist jeweils nur ein (gemeinsames) Substrat 17a zwischengeschaltet. Für das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel sind sämtliche Nanotubes 19a parallel zur Stellrichtung 15 angeordnet, so dass sich ein linearer Aktuator ergibt. In mechanischer Reihenschaltung sind somit wechselseitig jeweils ein Substrat 17a und eine Schicht Nanotubes 19 angeordnet.
4 und 5 zeigen eine erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Aktuators 14b, bei dem abweichend zu 2 die Längsachse 18b-18b gekrümmt und eine geschlossene Ringstruktur gebildet ist. Wie aus dem Detail V gemäß 5 ersichtlich ist, ist der Aktuator 14b mit einer Schicht bzw. lediglich einem Stellelement 16b ausgebildet, wobei das Substrat 17b radial außen liegend angeordnet ist und sich die Nanotubes 19b bei radialer Orientierung von dem Substrat 17b radial nach innen von dem Substrat 17b erstrecken. Eine elektrische Beaufschlagung des Aktuators 14b bewirkt eine veränderte Dicke der den Aktuator 14b bildenden Ringstruktur, so dass radial innen liegend von dem Aktuator 14b ein Gegenstand, beispielsweise ein Rohr oder ein Zylinder, eingeklemmt werden kann. Ebenfalls denkbar ist, dass mehrere ringförmige Stellelemente 16b radial hintereinanderliegend angeordnet sind, wobei es in diesem Fall vorteilhaft ist, wenn zumindest ein Teil der Substrate in Umfangsrichtung elastisch sind.
6 zeigt einen Aktuator 14c mit einem Stellelement 16c, welches mit mehreren nebeneinander liegenden Nanotubes 19c gebildet ist sowie mit zwei jeweils in den Endbereichen der Nanotubes 19c angeordneten Substraten 17c. Die Nanotubes 19c bilden jeweils Elektroden, die über nicht dargestellte Anschlüsse über die Substrate 17c elektrisch mit demselben Potential beaufschlagt werden. In dem Aktuator 14c ist eine Gegenelektrode 21 angeordnet, wobei die Gegenelektrode 21 und die mit den Nanotubes 19c gebildeten Elektroden über ein festes oder flüssiges Elektrolyt 25 miteinander in elektrischem Austausch stehen. Die Stellbewegung zwischen dem oberen und unteren Substrat 17c wird über zangenartige Hebel 22, 23, die über ein zentrales Gelenk 24 miteinander verbunden sind, zu den den Substraten 17c gegenüberliegenden Enden der Hebel 22, 23 verstärkt. Der elektrische Aufbau gemäß 6 mit einer Gegenelektrode 21 und einem Elektrolyt 25 ist entsprechend für die in den anderen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele einsetzbar.
Weitere prinzipielle Details, beispielsweise hinsichtlich eines Gehäuses für das Elektrolyt sowie eine Abdichtung eines Gehäuses, sind dem Stand der Technik, beispielsweise der DE 102 44 312 A1 , zu entnehmen.
Abweichend zum Stand der Technik gemäß [1] erfolgt erfindungsgemäß nicht zwingend eine einseitige Einspannung des Substrates, sondern vielmehr kann das Substrat formstabil ausgebildet sein oder quer zur Längserstreckung der Nanotubes festgelegt sein oder durch eine leichte Druckkraft vorgespannt sein.
Die Carbon-Nanotubes besitzen vorzugsweise eine Länge im Bereich von 5 bis 50 μm. Eine Vorspannung der Nanotubes 19 mit einem benachbarten Substrat 17 kann beispielsweise durch geeignete Spanngurte erfolgen, die zwischen unterschiedlichen Substraten wirken.
Es ist möglich, dass bei einer Herstellung der Nanotubes diese bereits mit paralleler Orientierung von einem Substrat aus wachsen. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass eine parallele Ausrichtung der – Nanotubes durch magnetische Felder erzielt wird. Eine Anbindung des Substrates kann auch erst hieran anschließend erfolgen.
Ein Einsatz eines erfindungsgemäßen Aktuators ist in der Adaptronik im Bereich der Gestaltkontrolle von Strukturen denkbar. Die erzielbare hohe Steifigkeit eines derartigen Aktuators ermöglicht den Einsatz in Kombination mit allen herkömmlichen Materialien, beispielsweise Metallen, GFK und CFK. Ebenfalls denkbar ist der Einsatz eines Aktuators als Antrieb für Stellmechanismen oder für kleinste Pumpen. Weitere mögliche Anwendungsgebiete des erfindungsgemäßen Aktuators sind die Robotik, die Medizintechnik, eine Mikropositioniertechnik, die Automobilindustrie, die Luft- und Raumfahrt, die Feinwerktechnik, die Produktionstechnik und die Messtechnik.
Obwohl im Zuge der Beschreibung der Aspekt des Aktuators in den Vordergrund gerückt worden ist, versteht sich, dass in Umkehrung des Wirkprinzips derselbe Aufbau für einen Einsatz als Sensor geeignet ist, bei dem eine Stellbewegung und/oder eine Stellkraft in ein elektrisches Messsignal umgewandelt wird.
Vorteile von Carbon-Nanotubes als Nanotubes 19 sind, dass diese auch bei hohen Temperaturen, insbesondere bis 750°C oder bei Vakuum bis zu 2800°C, stabil sind. Weiterhin zeigen die Carbon-Nanotubes kein dynamisches Überschwingverhalten bei der Erzeugung einer Stellbewegung oder einer Stellkraft. Durch die parallele Ausrichtung der Nanotubes kann das Aktuationsverhalten des Aktuators verbessert werden. Möglich ist der Einsatz von Carbon-Nanotubes oder Nanotubes aus anderen Elementen oder Verbindungen wie beispielsweise Bornitrid, Metallsulfid oder Metalloxid. Prinzipiell können alle Tube-förmigen Materialien verwendet werden, die unter elektrischer Beaufschlagung eine mechanische Auslenkung zeigen. Denkbar ist ebenfalls der Einsatz von Nanotubes aus unterschiedlichen Elementen und Verbindungen. Eine parallele Ausrichtung der Nanotubes kann auch durch ein elektrisches und/oder elektromagnetisches Feld und/oder unter Einfluss von Ultraschall in einer Tensidsuspension erzielt werden. Eine unter diesen Bedingungen durchgeführte Sedimentation oder die Übertragung auf ein geeignetes Substrat, in Anlehnung an die Langmuir-Blodgett-Technik, ermöglicht einen höheren Ausrichtungsgrad. Weiterhin ist es möglich, eine Ausrichtung der Nanotubes durch ein Rotationsverfahren vorzunehmen, bei denen die Nanotubes in einer Suspension durch Rotation im Wesentlichen entlang ihrer Längsachse parallel zueinander ausgerichtet werden. Eine ausgerichtete Nanotube-Schicht wird anschließend abgeschöpft bzw. auf einen Träger übertragen und getrocknet.
Da mit großen Ionen eine hohe Aktuationsamplitude erreicht werden kann, jedoch die Aktuationsgeschwindigkeit vermindert wird und umgekehrt, gilt es, geeignete Elektrolyte auszuwählen, bei denen sowohl für die Aktuationsamplitude als auch für die Aktuationsgeschwindigkeit gute Werte erreicht werden.
Prinzipiell können die Elektrolyte aus der Gruppe der Alkalli- und Erdalkalisalze, aber auch Aluminiumsalze beziehungsweise Metallsalze der Halogenide, Nitrate, Sulfate, Phospate, Hydrogenphosphate, Dihydrogenphosphate, Halogenate und Perhalogenate, Hydroxide, Acetate, Oxalate oder – soweit beständig – deren Säuren ausgewählt werden wie beispielsweise LiCl, NaCl, KCl oder die entsprechenden Fluoride, NaNO₃, Na₂SO₄, Na₃PO₄, NaClO₃, NaClO₄ oder die entsprechenden Lithium- oder Kaliumsalze oder Erdalkalisalze. Auch Elektrolytmischungen können zur Optimierung eingesetzt werden. Als Lösungsmittel für die Elektrolyte ist Wasser oder ein anderes polares Lösungsmittel, das die Dissoziation der Ionen ermöglicht, geeignet. Auch gelförmige hochviskose Elektrolyte, wie zum Beispiel Polyelektrolyte, Ionomere oder mit Elektrolyt gequollene Hydrogele können eingesetzt werden, um zum Beispiel die Viskosität einzustellen. Vorzugsweise beträgt die Konzentration des Elektrolyten in dem Lösungsmittel zwischen 0,1 und 5 mol/l, besonders bevorzugt sind 0,2 bis 2 mol/l. Wird Na₂SO₄ als Elektrolyt eingesetzt, so beträgt die Na₂SO₄ – Konzentration in der wässrigen Lösung vorzugsweise zwischen 0,5 und 2 mol/l, besonders bevorzugt etwa 1 mol/l. Werden Phosphate beziehungsweise Hydrogenphosphate als Elektrolyt eingesetzt, so beträgt die Phosphatkonzentration in der wässrigen Lösung vorzugsweise zwischen 0,1 und 1 mol/l, besonders bevorzugt etwa 0,5 mol/l. Die Löslichkeit kann gegebenenfalls durch Einstellen des pH-Wertes variiert werden.
Hinsichtlich weiterer Elektrolyte, die in einem erfindungsgemäßen Aktuator Einsatz finden, wird beispielsweise auf die in DE 102 44 312 A1 angeführten Elektrolyte, Elektrolyte aus dem Eingangs genannten Stand der Technik sowie die Untersuchungen in

Joseph N. Barisci, Gordon G. Wallace, and Ray H. Baughman: Electrochemical studies of single-wall carbon nanotubes in aqueous solutions. In: Journal of Electroanalytical Chemistry 488 (2000), S. 92–98.
Joseph N. Barisci, Gordon G. Wallace, and Ray H. Baughman. Electrochemical quartz crystal microbalance studies of single-wall carbon nanotubes in aqueous and nonaqueous solutions. In: Electrochimica Acta 46 (2000), S. 509–517,
M. Gao, L. Dai, R. H. Baughman, G. B. Spinks, and G. G. Wallace. Electrochemical properties of aligned nanotubes arrays: basis of new electrochemical actuators. In: Proc. SPIE Vol. 3987, März 2000, S. 18–24
A. Mazzoldi, D. De Rossi, and R. H. Baughman: Electro-mechanical behaviour of carbon nanotubes sheets in electrochemicial actuators. In: Proc. SPIE, Vol. 3987 (EAPAD) ed. Y. Barcohen, März 2000, S. 25–32
J. N. Barisci, G. G. Wallace, D. R. MacFarlane, and R. H. Baughman. Investigation of ionic liquids as electrolytes for carbon nanotube electrodes. In: Electrochemistry Communicatons 6(2004), S. 22–27

WO 2000/050771 A1

Hinsichtlich der Aktuationsamplitude, der Steigerung derselben, der Veränderung der Aktuationsgeschwindigkeit sowie einer Ausgestaltung einer Kontaktierungsschicht wird insbesondere auf die diesbezügliche Offenbarung der DE 102 44 312 A1 verwiesen.
Hinsichtlich weiterer Verfahren zur Herstellung von Nanotubes, beispielsweise des Dual-Laser-Verfahrens, des ”Chemical-Vapor-Dipositon-Verfahrens” und des ”Carbon-Arc-Verfahrens” wird auf die diesbezügliche Offenbarung der WO 2000/050771 A1 und der diesbezüglich in der vorgenannten Druckschrift zitierten Druckschriften verwiesen.
Eine elektronische Kontaktierung der Nanotubes, und deren Anbindung an eine leitende Oberfläche kann ebenfalls der Druckschrift WO 2000/050771 A1 entnommen werden.
Zusätzlich zu der Verbindung der Nanotubes über das Substrat kann eine Brückenbildung zwischen den einzelnen Nanotubes erfolgen, wodurch die Makrostruktur weiter versteift werden kann.
Für eine Herstellung der eingesetzten Nanotubes sind aus der Literatur, insbesondere aus der in dieser Anmeldung angeführten Literatur, vielfältige Herstellungsverfahren bekannt. Beispielsweise können die Nanotubes mittels Lichtbogenentladung unter Heliumatmosphäre zwischen zwei Graphitelektroden oder mittels Laserverdampfung von Kohlenstoff aus einem Graphitblock hergestellt werden, vgl. [2].
Für den Fall, dass die Stellelemente eine hinreichende Erstreckung in Richtung der Längsachse 18-18 aufweisen und eine ausreichende Zahl von Nanotubes über die Längsachse vorgesehen ist, ist es auch möglich, dass der Aktuator geeignet zur Abstützung eines Biegemomentes ausgebildet ist. Sind die Nanotubes in unterschiedlichen Hälften entlang der Längserstreckung entgegengesetzt elektrisch beaufschlagt, ist u. U. auch eine Erzeugung eines Biegemomentes bzw. einer verkippenden Stellbewegung möglich. Entsprechend sind auch Überlagerungen einer Kraft in Richtung der Längsachse der Nanotubes mit einem Biegemoment erzeugbar.
Bezugszeichenliste

10: Aktuator
11: Substrat
12: Nanotube
13: Stellrichtung
14: Aktuator
15: Stellrichtung
16: Stellelement
17: Substrat
18: Längsachse
19: Nanotube
20: Benachbartes Bauelement
21: Gegenelektrode
22: Hebel
23: Hebel
24: Gelenk
25: Elektrolyt
26: el. Leitung

Claims

Aktuator zur Umwandlung eines elektrischen Signals in eine Stellkraft und/oder eine Stellbewegung in eine Stellrichtung (15), wobei a) mindestens ein Stellelement (16) vorgesehen ist, b) welches mehrere ba) im Wesentlichen in Stellrichtung (15) und bb) im Wesentlichen parallel zueinander orientierte Nanotubes (19) aufweist, wobei c) Referenzpunkte der Nanotubes (19) in einer gekrümmten Ebene angeordnet sind und d) die Nanotubes (19) über zumindest ein Substrat (17) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Längsachse (18b-18b) des Substrats (17b) gekrümmt ist und dieses eine geschlossene Ringstruktur bildet.
Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (17) in einem Endbereich der Nanotubes (19) mit diesen verbunden ist.
Aktuator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Substrat (17) in einem ersten Endbereich der Nanotubes (19) mit diesen sowie ein zweites Substrat (17) in einem zweiten Endbereich der Nanotubes (19) mit diesen verbunden sind.
Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Stellelemente (16) in Stellrichtung (15) hintereinanderliegend angeordnet sind.
Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Stellelemente (16) ein gemeinsames Substrat (17) aufweisen.
Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (17) formstabil ist.
Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbindung zumindest zwischen einem Substrat (17) und Nanotubes (19) über ein Verspannen der Nanotubes (19) mit dem Substrat (17) desselben Stellelementes oder/oder einem Substrat eines benachbarten Stellelementes erfolgt.
Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanotubes (19) Elektroden sind und eine elektrische Beaufschlagung der Nanotubes (19) über mindestens ein den Nanotubes (19) zugeordnetes Substrat (17) erfolgt.
Aktuator nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Substrate oder die Substrate (17) in elektrischer Parallelschaltung miteinander verbunden sind, so dass diese ein gemeinsames elektrisches Niveau ausweisen.