DE102012016378B4

DE102012016378B4 - Dielektrischer Elastomeraktor und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102012016378B4
Application number: DE102012016378.9A
Authority: DE
Inventors: Irene Jansen; Tom Schiefer; Tilo Köckritz
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2012-08-13
Filing date: 2012-08-13
Publication date: 2020-06-18
Anticipated expiration: 2032-08-14
Also published as: DE102012016378A1; WO2014026884A1

Abstract

Dielektrischer Elastomeraktor, bei dem eine elastisch verformbare dielektrische Schicht (1) an zwei gegenüberliegenden Oberflächen mit zwei elastisch verformbaren Elektroden, die aus einem Polymer in dem elektrisch leitende Partikel mit einem Anteil eingebettet sind, mit dem die Perkolationsschwelle überschritten ist, eingefasst sind, wobei die Elektroden mit der dielektrischen Schicht (1) stoffschlüssig miteinander verbunden sind,undmindestens eine der Oberflächen der dielektrischen Schicht (1), auf der eine Elektrode ausgebildet ist, eine Strukturierung aufweist, die mit Vertiefungen (2) ausgebildet ist;dadurch gekennzeichnet, dassan der dielektrischen Schicht (1) Vertiefungen (2) mit voneinander abweichenden Tiefen, Breiten und/oder Querschnittsformen ausgebildet sind undzwischen nebeneinander angeordneten Vertiefungen (2) Bereiche der dielektrischen Schicht (1) mit konstanter Schichtdicke vorhanden sind.

Description

Die Erfindung betrifft dielektrische Elastomeraktoren und ein Herstellungsverfahren für solche Elastomeraktoren (DEA).
Elastomeraktoren werden auch als dielektrische Polymeraktoren bezeichnet. Sie können vielfältig eingesetzt werden und beispielsweise piezoelektrische Aktoren ersetzen oder zusätzliche Anwendungen erschließen. Dabei ist ihre erhöhte Elastizität ein besonderer Vorteil.
Üblicherweise werden solche Elastomeraktoren aus einer dielektrischen elastischen polymeren Schicht, an der an zwei gegenüberliegend angeordneten Oberflächen jeweils eine elektrisch leitende Elektrode ausgebildet ist, gebildet. Die Elektroden sind ebenfalls elastisch verformbar. Die Elektroden können aus einer Polymermatrix gebildet sein, in der elektrisch leitende Partikel in ausreichender Anzahl enthalten sind, so dass die Perkolationsschwelle überschritten ist. Als solche Partikel sind besonders Kohlenstoffnanoröhren geeignet, da bereits ein kleiner Anteil ausreichend ist, um die Perkolationsschwelle zu überschreiten. Bei optisch transparenten Polymeren kann so eine Elektrode erhalten werden, die ebenfalls noch optisch transparent ist. Es wurden aber auch elektrisch leitende metallische Partikel oder Graphit dafür eingesetzt.
Beispiele für solche Elastomeraktoren sind aus DE 10 2008 039 757 A1 bekannt. Darin wird auch erwähnt, dass es besonders günstig ist, für dielektrische Schichten und die Elektroden das gleiche Polymer einzusetzen. Dadurch kann eine gleiche elastische Verformung der Elektroden und der dielektrischen Schicht erreicht werden, wenn eine elektrische Spannung an die Elektroden angelegt worden ist.
Wird an die Elektroden eine elektrische Spannung angelegt, kann eine Verformung der dielektrischen Schicht erreicht werden, die ausgenutzt werden kann. In der Regel wird die dielektrische Schicht in Folge des elektrischen Feldes zusammengedrückt, so dass sich der gesamte Elastomeraktor in seiner Länge ausdehnt. Dieser Effekt kann dann ausgenutzt werden, um beispielsweise eine Kraftwirkung mit dem Elastomeraktor auszunutzen.
Üblicherweise werden Elastomeraktoren mit einer dielektrischen Schicht zur Verfügung gestellt, die über die gesamte Fläche eine konstante Schichtdicke aufweist. Ein Einfluss auf die ausnutzbare Wirkung von Elastomeraktoren wird bisher lediglich durch eine entsprechende Elektrodenausbildung genommen. Die Elektroden können dabei in unterschiedlicher Form geoemetrische Formen aufweisen. Damit ist aber nur ein begrenzter Einfluss auf die jeweilige mit einem Elastomeraktor erreichbare Wirkung möglich, was insbesondere die jeweilige Richtung dieser Wirkung betrifft. Insbesondere Verformungen und somit Wirkungen in zwei- oder gar dreidimensionaler Form sind nicht erreichbar.
Aus WO 2010/066348 A2 sind Ferroelektrete bekannt. Dabei ist eine Hohlraumstruktur erforderlich um elektrische Ladungen speichern zu können erforderlich. Bei angelegter elektrischer Spannung erfolgt eine Dehnung, wie sie auch bei piezoelektrischen Werkstoffen auftritt. Es kann aber auch bei einer Verformung eine elektrische Spannung an Elektroden abgegriffen werden, so dass auch ein Einsatz als Sensor oder Generator möglich ist.
Die WO 2010/0121720 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektromechanischen, insbesondere eines piezoelektrischen Wandlers. Dabei kann neben piezokeramischen Werkstoffen, wie z.B. PZT auch ein fluoriertes Polymer, wie PVDF eingesetzt werden.
Aus GB 2 233 190 A1 ist ein Schallwandler bekannt, der als Hydrophone eingesetzt werden soll.
Aus der nachveröffentlichten EP 2 506 325 A1 sind elektromechanische Wandler bekannt.
US 2008/0136052 A1 betrifft die Fertigung elektroaktiver Polymere.
Ein Betätigungselement und ein Verfahren zu seiner Herstellung sind in DE 100 54 247 A1 offenbart.
Ein mehrschichtiges Komposit und ein Verfahren zu seiner Herstellung betrifft US 2007/0114885 A1 .
Von W. Pflegling und Th. Schaller sind in „Mikromaterialbearbeitung durch spanabhebende und lasergestützte Verfahren"; Nachrichten - Forschungszentrum Karlsruhe; Jahrg. 34 2-3/2002; S. 210-220 Möglichkeiten zum Laserabtrag an Polymeren erläutert.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Elastomeraktoren zur Verfügung zu stellen, die in der Lage sind, sich zwei- oder dreidimensional zu verformen und entsprechende Wirkungen ausüben zu können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit Elastomeraktoren, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweisen, gelöst. Sie können mit einem Verfahren nach Anspruch 8 hergestellt werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
Ein erfindungsgemäßer dielektrischer Elastomeraktor weist eine elastisch verformbare dielektrische Schicht auf, die an zwei gegenüberliegenden Oberflächen mit zwei elastisch verformbaren Elektroden, die aus einem Polymer in dem elektrisch leitende Partikel, insbesondere Kohlenstoffnanoröhren mit einem Anteil eingebettet sind, mit dem die Perkolationsschwelle überschritten ist, eingefasst ist. Die Elektroden sind mit der dielektrischen Schicht stoffschlüssig verbunden. An mindestens einer der Oberflächen der dielektrischen Schicht, auf der eine Elektrode ausgebildet ist, ist eine Strukturierung vorhanden, die mit Vertiefungen ausgebildet ist.
Die Vertiefungen können geradlinig und dabei linienförmig, mäanderförmig, gekrümmt, kreis- oder teilkreisförmig ausgebildet sein.
Mit den lokal definiert angeordneten und ausgebildeten Vertiefungen kann die Steifigkeit der dielektrischen Schicht gezielt beeinflusst werden und an den Positionen an denen Vertiefungen ausgebildet sind, ist die Steifigkeit gegenüber Bereichen, die frei von Vertiefungen sind, kleiner.
Dadurch, dass zwischen nebeneinander angeordneten Vertiefungen Bereiche der dielektrischen Schicht mit konstanter Schichtdicke vorhanden sind, kann erreicht werden, dass das elektrische Feld bei an die Elektroden angelegter elektrischer Spannung zumindest weitestgehend homogen ausgebildet ist. Hierzu ist es auch günstig, wenn die Elektroden eine konstante Schichtdicke über die gesamte Oberfläche der dielektrischen Schicht, also auch in Bereichen mit Vertiefungen, aufweisen.
Wenn mehrere Vertiefungen parallel zueinander ausgerichtet sind, kann eine aktorische Wirkung erreicht werden, bei der eine Biegung oder ein Zusammenrollen des Elastomeraktors um eine parallel zu den Vertiefungen ausgebildete Achse erreichbar ist. Ein solcher Elastomeraktor kann dann als Bimorph bezeichnet werden.
Werden Vertiefungen in Kreisform oder mehrere teilkreisförmige Vertiefungen an einer dielektrischen Schicht ausgebildet, besteht die Möglichkeit einer konkaven und konvexen Verformung. Dabei können mehrere kreis- oder teilkreisförmige Vertiefungen mit unterschiedlichen Radien um einen gemeinsamen Mittelpunkt ausgebildet sein.
An einer dielektrischen Schicht sind Vertiefungen mit voneinander abweichenden Tiefen, Breiten und/oder Querschnittsformen ausgebildet, um die Steifigkeit lokal gezielt zu beeinflussen. Es lassen sich so unterschiedliche mechanische Widerstandsmomente mit den unterschiedlich ausgebildeten Vertiefungen erreichen. Vertiefungen können bevorzugt konvex gewölbt ausgebildet sein. Sie können aber auch beispielsweise rechteckige oder dreieckige Querschnittsformen aufweisen.
Es können aber auch an einer dielektrischen Schicht mehrere Vertiefungen mit voneinander abweichenden Abständen zueinander ausgebildet sein. Dadurch kann eine größere Verformung in Bereichen erreicht werden, in denen Vertiefungen näher nebeneinander angeordnet sind, als in Bereichen in denen Vertiefungen mit größeren Abständen zueinander oder keine Vertiefungen vorhanden sind.
Die dielektrische Schicht kann aus einem Polymer gebildet sein, in dem elektrisch nichtleitende Partikel, bevorzugt keramische Partikel eingebettet sind. Dies kann Vorteile bei der nachfolgend noch zu beschreibenden Herstellung einer an der Oberfläche strukturierten dielektrischen Schicht bewirken, wenn die Herstellung unter Einsatz von Laserstrahlung erfolgt, da eine solche Partikel enthaltende dielektrische Schicht eine höhere Absorption der eingesetzten Laserstrahlung bewirken kann.
Bei der Herstellung von dielektrischen Elastomeraktoren kann so vorgegangen werden, dass wie bereits angesprochen, an mindestens einer Oberfläche einer aus elastischem dielektrischen Polymer gebildeten dielektrischen Schicht Vertiefungen durch einen Stoffabtrag mittels eines Laserstrahls, bei einer zweidimensionalen Relativbewegung zwischen Brennfleck des Laserstrahls und der dielektrischen Schicht, ausgebildet werden.
Allein oder zusätzlich dazu können Vertiefungen aber auch mittels eines eine entsprechende Negativkontur der auszubildenden Oberflächenstrukturierung aufweisenden Formwerkzeugs, bevorzugt eines Kunststoffspritzgusswerkzeugs, an der dielektrischen Schicht ausgebildet werden.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigt:

1 ein Beispiel einer bei einem erfindungsgemäßen Elastomeraktor einsetzbaren dielektrischen Schicht, mit an zwei gegenüberliegenden Oberflächen ausgebildeten Vertiefungen in einer Schnittdarstellung.

Dabei sind an den zwei gegenüberliegenden Oberflächen der dielektrischen Schicht 1 Vertiefungen 2 mit konkaver Querschnittsform in versetzter Anordnung zueinander ausgebildet. Diese können dabei als geradlinige parallel zueinander ausgerichtete Vertiefungen oder auch als jeweils eine an der jeweiligen Oberfläche ausgebildete mäanderförmige Vertiefung ausgebildet sein.
Die dielektrische Schicht 1 wurde aus dem additivvernetzbaren Silikon unter der Handelsbezeichnung Sylgard 184 - 2K, das von der Firma DowCorning kommerziel erhältlich ist, hergestellt. In der dielektrischen Schicht waren dielektrische Partikel aus BleiMagnesiumNiobat-BleiTitanat mit einem Anteil von 50 Masse-% in eingebetteter Form enthalten. Die Ausbildung der Vertiefungen 2 erfolgte unter Einsatz eines Faserlasers der Firma CleanLasersysteme GmbH. Dieser emittierte Laserstrahlung einer Wellenlänge von 1062 nm, mit einer Leistung von maximal 50 W, einem Fokusdurchmesser von 41 µm bis 71 µm, bei einer Pulsdauer von 120 ns und einer Energiedichte von 94 J/cm² im Brennfleck.
Bei der Ausbildung von Vertiefungen in einer Mäanderform oder Bereichen von Vertiefungen mit kleinen Radien, sollte beachtet werden, dass in den Bereichen mit den Radien eine konstante Querschnittsform und Dimensionierung der Vertiefung beibehalten werden kann, da dort in Folge der Bewegung des Brennflecks des Laserstrahls veränderte Geschwindigkeiten gegenüber geradlinigen oder nur leicht gekrümmten Bereichen auftreten, die den Stoffabtrag aber beeinflussen. Dies kann über die eingesetzte und angepasste Laserleistung, die Anpassung der Pulsrate und -länge und/oder die Anzahl der Überfahrten des Laserstrahlbrennflecks kompensiert werden.

Claims

Dielektrischer Elastomeraktor, bei dem eine elastisch verformbare dielektrische Schicht (1) an zwei gegenüberliegenden Oberflächen mit zwei elastisch verformbaren Elektroden, die aus einem Polymer in dem elektrisch leitende Partikel mit einem Anteil eingebettet sind, mit dem die Perkolationsschwelle überschritten ist, eingefasst sind, wobei die Elektroden mit der dielektrischen Schicht (1) stoffschlüssig miteinander verbunden sind, und mindestens eine der Oberflächen der dielektrischen Schicht (1), auf der eine Elektrode ausgebildet ist, eine Strukturierung aufweist, die mit Vertiefungen (2) ausgebildet ist; dadurch gekennzeichnet, dass an der dielektrischen Schicht (1) Vertiefungen (2) mit voneinander abweichenden Tiefen, Breiten und/oder Querschnittsformen ausgebildet sind und zwischen nebeneinander angeordneten Vertiefungen (2) Bereiche der dielektrischen Schicht (1) mit konstanter Schichtdicke vorhanden sind.
Elastomeraktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (2) geradlinig und dabei linienförmig, mäanderförmig, gekrümmt, kreis- oder teilkreisförmig ausgebildet sind.
Elastomeraktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Vertiefungen (2) parallel zueinander ausgerichtet sind.
Elastomeraktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht (1) aus einem Polymer gebildet ist, in dem elektrisch nichtleitende Partikel eingebettet sind.
Elastomeraktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den zwei elastisch verformbaren Elektroden Kohlenstoffnanoröhren als elektrisch leitende Partikel eingebettet sind und/oder keramische Partikel als elektrisch nicht leitende Partikel in die dielektrische Schicht (1) eingebettet sind.
Elastomeraktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der dielektrischen Schicht (1) mehrere Vertiefungen (2) mit voneinander abweichenden Abständen zueinander ausgebildet sind.
Elastomeraktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden eine konstante Schichtdicke über die gesamte Oberfläche der dielektrischen Schicht (1) aufweisen.
Verfahren zur Herstellung von Elastomeraktoren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einer Oberfläche der aus elastischem dielektrischen Polymer gebildeten dielektrischen Schicht (1) Vertiefungen (2) mit voneinander abweichenden Tiefen, Breiten und/oder Querschnittsformen mittels eines eine entsprechende Negativkontur der auszubildenden Oberflächenstrukturierung aufweisenden Formwerkzeugs und/oder durch einen Stoffabtrag mittels eines Laserstrahls, bei einer zweidimensionalen Relativbewegung zwischen Brennfleck des Laserstrahls und der dielektrischen Schicht (1), ausgebildet werden, bevor die Elektroden auf den Oberflächen der dielektrischen Schicht (1) ausgebildet werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass Vertiefungen mittels eines Kunststoffspritzgusswerkzeugs ausgebildet werden.