DE10244312A1

DE10244312A1 - Actuator with nanotubes, in particular carbon nanotubes, layers of carbon nanotubes and their manufacture and use

Info

Publication number: DE10244312A1
Application number: DE2002144312
Authority: DE
Inventors: Ivica Kolaric; Uwe Vohrer; Jérôme Dr. Fraysse
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2002-09-23
Filing date: 2002-09-23
Publication date: 2004-04-01
Also published as: WO2004030210A1; AU2003277854A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromechanischen Aktuator, welcher Aktuator wenigstens eine Nanotubes umfassende Schicht aufweist, wobei die Nanotubes in der Schicht gemittelt über die Nanotube-Anordnungen eine Vorzugsrichtung aufweisen. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin Elektrolyte für die Aktuatoren, Aktuatoren in Multilayer-Anordnung, geometrischen Anordnungen der Nanotube-Schichten, Aktuatoren mit verbesserter Ansteuerung, spezieller Kinematik, Scherkraftentkopplung, Relaxationselektroden und Mitteln zur Erhöhung der Ionengeschwindigkeit. Die Erfindung betrifft weiterhin Verfahren zur Herstellung und Verwendung der Aktuatoren.The present invention relates to an electromechanical actuator, which actuator has at least one layer comprising nanotubes, the nanotubes in the layer having a preferred direction averaged over the nanotube arrangements. The present invention further relates to electrolytes for the actuators, actuators in a multilayer arrangement, geometric arrangements of the nanotube layers, actuators with improved control, special kinematics, shear force decoupling, relaxation electrodes and means for increasing the ion velocity. The invention further relates to methods for producing and using the actuators.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Aktuatoren auf der Basis von Nanotubes, insbesondere mikromechanische Aktuatoren aus Carbon-Nanotubes, Schichten aus Nanotubes (Bucky-Paper), ihre Herstellung und Anwendung.The present invention relates to Actuators based on nanotubes, especially micromechanical ones Actuators made of carbon nanotubes, layers made of nanotubes (bucky paper), their manufacture and application.

In den letzten Jahren wurde an einer Reihe von Aktuatoren bzw. Mikroaktuatoren, d.h. kleinsten Systemen zur Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie („künstliche Muskeln") geforscht, die auf neuartigen Materialien wie keramischen Systemen, piezoelektrischen Polymeren, elektrostriktiven Polymeren, polyelektrolytischen Polymeren, leitenden Polymeren und Nanotubes beruhen.In recent years there has been a Series of actuators or microactuators, i.e. smallest systems for converting electrical into mechanical energy ("artificial Muscles ") researched the on new materials such as ceramic systems, piezoelectric Polymers, electrostrictive polymers, polyelectrolytic polymers, conductive polymers and nanotubes.

Aktuatoren umfassen im allgemeinen wenigstens zwei Elektroden und zumindest eine Schicht, die ihre Ausdehnung durch den Einfluss elektrischer Energie in wenigstens einer Dimension verändert.Actuators generally include at least two electrodes and at least one layer their Expansion through the influence of electrical energy in at least one dimension changed.

Aus dem Artikel von Baughman et al. in Science 1340 (1999) ist bekannt, dass Single-Wall Nanotubes (SWNT) bei Anlegung einer elektrischen Spannung ihre Länge und ihren Durchmesser verändern. Single-Wall Nanotubes sind einwandige Kohlenstoffröhrchen mit einem Durchmesser von wenigen Nanometern und einer Länge im Mikro- bis Millimeterbereich. Die Längen- und Durchmesserveränderungen der Nanotubes beruhen auf der Veränderung der Länge der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung in Abhängigkeit von der Menge der injizierten Ladung infolge quantenmechanischer Vorgänge.From the article by Baughman et al. in Science 1340 (1999) it is known that single-wall nanotubes (SWNT) change their length and diameter when an electrical voltage is applied. Single-Wall Nanotubes are single-walled carbon tubes with a diameter of a few nanometers and a length in the micro to millimeter range. The lengths- and changes in diameter The nanotubes are based on the change in the length of the Carbon-carbon bond in dependence on the amount of charge injected due to quantum mechanical Operations.

Im Idealfall kann bei Nanotubes durch das Anlegen einer Spannung eine Längenänderung von ca. 1% erreicht werden.Ideally, at nanotubes the application of a voltage achieves a change in length of approx. 1% become.

Carbon-Nanotubes zeichnen sich durch hervorragende mechanische und thermische Eigenschaften aus. Sie sind im Gegensatz zu Polymeraktuatoren, die bereits bei Temperaturen von 70°C keine Aktuation mehr zeigen, je nach Bedingungen bis zu 750°C oder im Vakuum gar bis 2.800°C stabil. Auch wird davon ausgegangen, dass sie biokompatibel sind, was ihre Anwendung in der Medizintechnik ermöglicht. Mit Carbon-Nanotubes sind darüber hinaus weitaus größere Kräfte erzeugbar, als es bei den bislang bekannten Polymer- und Piezoaktuatoren der Fall ist. Auch können Carbon-Nanotubes prinzipiell mit einer sehr geringen Versorgungsspannung von 1 Volt betrieben werden, wohingegen bei Polymeraktuatoren Versorgungsspannungen von 70 – 300 V und bei Piezoaktuatoren sogar Versorgungsspannungen von bis zu 1000 V erforderlich sind. Weiterhin zeigen die Carbon-Nanotubes kein Überschwingverhalten.Carbon nanotubes are characterized by excellent mechanical and thermal properties. she are in contrast to polymer actuators that are already at temperatures of 70 ° C no more actuation, depending on conditions up to 750 ° C or in Vacuum even up to 2,800 ° C stable. It is also assumed that they are biocompatible, which enables their use in medical technology. With carbon nanotubes are about it far greater forces can be generated, than is the case with the previously known polymer and piezo actuators is. Can too In principle, carbon nanotubes with a very low supply voltage operated by 1 volt, whereas supply voltages for polymer actuators from 70 - 300 V and with piezo actuators even supply voltages of up to 1000 V are required. The carbon nanotubes also show no overshoot behavior.

Verschiedene Arbeitsgruppen haben sich damit beschäftigt, möglichst große Aktuatoreffekte zu erzielen. In diesem Zusammenhang wurde versucht, große Ladungsmengen in der elektrochemischen Doppelschicht an den Carbon-Nanotubes zu speichern, indem Schichten von Carbon-Nanotubes (Bucky-Paper) hergestellt, diese in einen Elektrolyten getaucht und ein elektrochemisches Potential angelegt wird.Have different working groups deals with preferably size Achieve actuator effects. In this context, attempts have been made to charge large quantities in the electrochemical double layer on the carbon nanotubes store them by layers of carbon nanotubes (bucky paper) immersed in an electrolyte and an electrochemical potential is created.

Baughman et al. beschreiben in Science 1340 (1999) Untersuchungen von elektromechanischen Aktuatoren aus Kohlenstoff-Nanotube-Papieren, die in 1 m NaCl als Elektrolyt durchgeführt wurden. Auch wird in diesem Artikel über die Bestimmung der gravimetrischen Kapazität in den Elektrolyten 38 % H₂SO₄ sowie LiClO₄ in Acetonitril oder Propylencarbonat berichtet. Auch in dem Artikel "Electro-mechanical behavior of carbon nanotube sheets in electrochemical actuators" in „Smart Structures and Materials" 25 (2000) von Mazzoldi et. al. werden Aktivitätsmessungen von Nanotube-Papieren in 1 m NaCl vorgestellt.Baughman et al. describe in Science 1340 (1999) investigations of electromechanical actuators made of carbon nanotube papers, which were carried out in 1 m NaCl as an electrolyte. This article also reports on the determination of the gravimetric capacity in the electrolytes 38% H ₂ SO ₄ and LiClO ₄ in acetonitrile or propylene carbonate. Also in the article "Electro-mechanical behavior of carbon nanotube sheets in electrochemical actuators" in "Smart Structures and Materials" 25 (2000) by Mazzoldi et al., Activity measurements of nanotube papers in 1 m NaCl are presented.

Zur Herstellung der bislang bekannten Bucky-Paper wird eine Suspension von Nanotubes auf einem PTFE-Filter einer Vakuumfiltration unterzogen und anschließend wird das getrocknete Nanotube-Papier (Bucky-Paper) vom Filter abgezogen. Durch dieses Verfahren werden Bucky-Paper mit einer statistischen Anordnung der Nanotubes erhalten.To produce the previously known Bucky paper is a suspension of nanotubes on a PTFE filter subjected to vacuum filtration and then the dried nanotube paper (Bucky paper) removed from the filter. Through this procedure Bucky paper with a statistical arrangement of the nanotubes obtained.

Die Veränderung in der Längs- und Querachse, die bei den bislang bekannten Bucky-Papern erreicht wird, liegt weit unterhalb der im Idealfall beobachteten Längen- und Querveränderung von ca. 1% bei einzelnen Nanotubes. Mit zunehmender Schichtdicke eines Bucky-Papers nimmt die Veränderung in der Längs- und Querachse weiter ab und die Aktuationsgeschwindigkeit sinkt weiter.The change in the longitudinal and Transverse axis, which is achieved in the previously known bucky papers, is far below the ideally observed length and cross change of approx. 1% for individual nanotubes. With increasing layer thickness of a bucky paper takes the change in the longitudinal and transverse axes and the actuation speed continues to decrease.

Die bislang bekannten Nanotube-Aktuatoren weisen eine zu geringe Aktuationsamplitude, d.h. zu geringe Veränderung in der Längs- und Querachse der Nanotubes in dem Bucky-Paper und eine zu geringe Kraft auf. Bislang beschränken sich Entwicklungen auf dem Gebiet des Bucky-Paper und der Nanotubes im wesentlichen auf die Grundlagenforschung.The previously known nanotube actuators show a too low actuation amplitude, i.e. too little change in the longitudinal and transverse axis of the nanotubes in the bucky paper and a too small one Force on. Limit so far developments in the field of bucky paper and nanotubes essentially on basic research.

Aus den oben genannten Gründen ist bislang kein industriell einsetzbarer Nanotube-Aktuator verfügbar.For the reasons stated above So far, no industrially applicable nanotube actuator is available.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Aktuatoren mit besseren Aktuationscharakteristiken, insbesondere größeren Aktuationsamplituden und größerer Aktuationsgeschwindigkeiten, bereitzustellen und Verfahren ihrer Herstellung und Anwendung anzugeben.The object of the present invention consists of actuators with better actuation characteristics, especially larger actuation amplitudes and higher actuation speeds, to provide and to specify methods of their manufacture and application.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 5, 11, 16 bis 25 gelöst.This task is due to the characteristics of claims 1, 5, 11, 16 to 25 solved.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, dass eine Verbesserung der Aktuationscharakteristik von Nanotube-Aktuatoren, insbesondere von Carbon-Nanotube-Aktuatoren, erreicht werden kann, wenn die in der Schicht aus Nanotubes (nachfolgend kurz „Bucky-Paper") verteilten Nanotubes nicht statistisch in der Bucky-Paper-Schicht verteilt sind sondern Bemittelt über alle Lagen eine Vorzugsrichtung aufweisen. Die Erfindung sieht deshalb vor, die Nanotubes im wesentlichen wenigstens teilweise bezogen auf ihre Längsachse in einer Vorzugsrichtung in der Papierebene anzuordnen. Bezogen auf die Vorzugsrichtung sollten die Nanotubes im wesentlichen in einem Winkel kleiner als 90°, bevorzugt kleiner als 60° und besonders bevorzugt kleiner als 45°, bis hin zur parallelen Anordnung ausgerichtet sein.In the context of the present invention, it was found that an improvement in the actuation characteristics of nanotube actuators, in particular of carbon nanotube actuators, can be achieved if the nanotubes distributed in the layer of nanotubes (hereinafter referred to as “bucky paper”) are not statistically are distributed in the bucky paper layer but rather have a preferred direction averaged over all layers. The invention therefore provides for the nanotubes to be arranged essentially in a preferred direction in the paper plane in relation to their longitudinal axis the nanotubes should be oriented essentially at an angle of less than 90 °, preferably less than 60 ° and particularly preferably less than 45 °, up to the parallel arrangement.

Durch diese Anordnung kann das bei der statistischen Anordnung bekannte destruktive Aktuationsverhalten reduziert und damit die Aktuationsamplitude erhöht werden.With this arrangement, the can the destructive actuation behavior known from the statistical arrangement reduced and thus the actuation amplitude can be increased.

Es zeigt sich, dass die mechanischen Eigenschaften von Bucky-Paper mit hochgradig ausgerichteten Nanotubes im Vergleich zu Bucky-Paper mit statistisch verteilten Nanotubes abnehmen, so dass zum Beispiel die elastischen Eigenschaften verschlechtert werden. Die Verwendung von Zusatzstoffen wie zum Beispiel Verbindungen, die die Adhäsion erhöhen oder die ausgerichteten Nanotubes flexibel einbetten, ohne ihre Ausdehnung zu beeinträchtigen, werden dann bevorzugt.It turns out that the mechanical Properties of bucky paper with highly aligned nanotubes compared to bucky paper with statistically distributed nanotubes decrease so that, for example, the elastic properties deteriorate become. The use of additives such as compounds, which increase the adhesion or Embed the aligned nanotubes flexibly without their expansion to impair then preferred.

Vorzugsweise werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung Carbon-Nanotubes, insbesondere Single-Wall Nanotubes aus Kohlenstoff, eingesetzt. Prinzipiell ist es jedoch ebenfalls möglich, Multi-Wall Carbon-Nanotubes einzusetzen oder gar Nanotubes aus anderen Elementen oder Verbindungen wie beispielsweise Bor nitrid (BN), Metallsulfide (MoS₂, WS₂) oder Metalloxide (z. B. V₂O₅) zu verwenden. Prinzipiell können alle tube-förmigen Materialien verwendet werden, die unter Anlegung elektrischer Größen, wie zum Beispiel Spannung oder Strom, eine mechanische Auslenkung zeigen.Carbon nanotubes, in particular single-wall nanotubes made of carbon, are preferably used in the context of the present invention. In principle, however, it is also possible to use multi-wall carbon nanotubes or even nanotubes made from other elements or compounds such as boron nitride (BN), metal sulfides (MoS ₂ , WS ₂ ) or metal oxides (e.g. V ₂ O ₅ ) to use. In principle, all tube-shaped materials can be used that show mechanical deflection when electrical quantities, such as voltage or current, are applied.

Soweit nachfolgend der Begriff „Bucky-Papers" verwendet wird, beinhaltet er nicht nur Schichten aus Carbon-Nanotubes, sondern auch Schichten aus anderen Nanotubes.Insofar as the term "bucky papers" is used below, it contains not only layers of carbon nanotubes, but also also layers from other nanotubes.

Eine weitere Verbesserung des Aktuationsverhaltens bei Aktuatoren aus Carbon-Nanotubes kann erreicht werden, wenn das Bucky-Paper weitgehend frei von Verunreinigungen wie Fullerenen, Graphitpartikeln und Katalysatorzusätzen ist, da diese Verunreinigungen zu einem schlechten Aktuationsverhalten beitragen. Die Verunreinigungen können durch hydrothermische oxidative Verfahren und anschließende Behandlung in Säuren entfernt werden. Die Reinheit des Nanotube-Papiers sollte wenigstens 60 %, vorzugsweise wenigstens 80 %, betragen.Another improvement in actuation behavior with actuators made of carbon nanotubes can be achieved if the bucky paper is largely free of contaminants like fullerenes, graphite particles and catalyst additives, since these impurities lead to poor actuation behavior contribute. The contamination can be caused by hydrothermal oxidative process and subsequent treatment in acids removed become. The purity of the nanotube paper should be at least 60%, preferably at least 80%.

Die Ausrichtung der Nanotubes in dem Bucky-Paper kann während der Herstellung des Bucky-Paper durch Ausrichtung der Nanotubes mittels physikalischer oder chemischer Methoden erfolgen. Beispielsweise können die Nanotubes durch ein elektrisches, magnetisches und/oder elektromagnetisches Feld und/oder unter Einfluss von Ultraschall in einer Tensidsuspension ausgerichtet werden. Die unter diesen Bedingungen durchgeführte Sedimentation oder die Übertragung auf ein geeignetes Substrat, in Anlehnung an die Langmuir-Blodgett-Technik, ermöglicht einen höheren Ausrichtungsgrad.The alignment of the nanotubes in the bucky paper can be during the production of the bucky paper by aligning the nanotubes by means of physical or chemical methods. For example can the nanotubes by an electrical, magnetic and / or electromagnetic Field and / or under the influence of ultrasound in a surfactant suspension be aligned. The sedimentation carried out under these conditions or the transfer on a suitable substrate, based on the Langmuir-Blodgett technique, allows a higher one Degree of alignment.

Die Ausrichtung der Nanotubes kann auch durch Rotationsverfahren, bei denen die Nanotubes in einer Suspension durch Rotation im wesentlichen entlang ihrer Längsachse parallel ausgerichtet werden und die ausgerichtete Nanotube-Schicht anschließend abgeschöpft beziehungsweise auf einen Träger übertragen und getrocknet wird, erfolgen.The alignment of the nanotubes can also by rotation processes, in which the nanotubes are in one Suspension by rotation essentially along its longitudinal axis are aligned in parallel and the aligned nanotube layer subsequently skimmed off or transferred to a carrier and dried.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde weiterhin festgestellt, dass sich die Aktuationsamplitude und die Aktuationsgeschwindigkeit durch geeignete Auswahl der Elektrolyte vergrößern lassen.Within the scope of the present invention it was also found that the actuation amplitude and the actuation speed by suitable selection of the electrolytes let enlarge.

Eine Steigerung der Aktuationsamplitude kann durch Einsatz von Elektrolyten mit großen Ionen und/oder hoher Ladungszahl erreicht werden. Vorzugsweise werden Elektrolyte mit großen Anionen eingesetzt, wenn die Bucky-Paper mit dem Pluspol verbunden sind und Elektrolyte mit großen Kationen, wenn die Bucky-Paper mit dem Minuspol verbunden sind.An increase in the actuation amplitude can through the use of electrolytes with large ions and / or high charge number can be achieved. Electrolytes with large anions are preferably used, if the bucky papers are connected to the positive pole and electrolytes with big Cations when the bucky paper are connected to the negative pole.

Die Art des Elektrolyten hat jedoch auch einen Einfluss auf die Aktuationsgeschwindigkeit. Durch den Einsatz von schnellen Ionen, d.h. hoch geladenen, kleineren Ionen, kann die Aktuationsgeschwindigkeit gesteigert werden.The type of electrolyte, however, has also an influence on the actuation speed. By the Use of fast ions, i.e. highly charged, smaller ions, the actuation speed can be increased.

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.Because with large ions a high actuation amplitude can be achieved, but the actuation speed is reduced and vice versa, it is important to select suitable electrolytes at to both for the actuation amplitude, as well as for the actuation speed good values can be achieved.

Prinzipiell können die Elektrolyte aus der Gruppe der Alkali- und Erdalkalisalze, aber auch Aluminiumsalze beziehungsweise Metallsalze der Halogenide, Nitrate, Sulfate, Phosphate, Hydrogenphosphate, Dihydrogenphosphate, Halogenate und Perhalogenate, Hydroxide, Acetate, Oxalate oder – soweit beständig – deren Säuren ausgewählt wie beispielsweise LiCl, NaCl, KCl oder die entsprechenden Fluoride, NaNO₃, Na₂SO₄, NaP₃O₄, NaClO₃, NaClO₄ oder die entsprechenden Lithium oder Kaliumsalze oder Erdalkalisalze.In principle, the electrolytes can be selected from the group of the alkali and alkaline earth salts, but also aluminum salts or metal salts of the halides, nitrates, sulfates, phosphates, hydrogen phosphates, dihydrogen phosphates, halogenates and perhalogenates, hydroxides, acetates, oxalates or - insofar as stable - their acids, for example LiCl, NaCl, KCl or the corresponding fluorides, NaNO ₃ , Na ₂ SO ₄ , NaP ₃ O ₄ , NaClO ₃ , NaClO ₄ or the corresponding lithium or potassium salts or alkaline earth metal salts.

Auch Elektrolytmischungen können zur Optimierung eingesetzt werden.Electrolyte mixtures can also be used Optimization.

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.As a solvent for the electrolytes is water or another polar solvent that causes dissociation which enables ions suitable. Also gel-shaped highly viscous electrolytes, such as polyelectrolytes, ionomers or hydrogels swollen with electrolyte can be used to for example the viscosity adjust.

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.The concentration of the electrolyte is preferably in the solvent between 0.1 and 5 mol / l, particularly preferred are 0.2 to 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.If Na ₂ SO _{4 is used} as the electrolyte, the Na ₂ SO ₄ concentration in the aqueous solution is preferably between 0.5 and 2 mol / l, particularly preferably about 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.If phosphates or hydrogen phosphates are used as the electrolyte, the amount is the phosphate concentration in the aqueous solution is preferably between 0.1 and 1 mol / l, particularly preferably about 0.5 mol / l.

Die Löslichkeit kann gegebenenfalls durch Einstellen des pH-Wertes variiert werden.The solubility can, if necessary can be varied by adjusting the pH.

Die Phosphate, zum Beispiel Na₂HPO₄, zeigen in wässriger Lösung zusätzlich eine höhere Viskosität, so dass Dichtungsprobleme bei Anwendung der In-Case Technologie bei Multilayern an der Stelle des Stösels vermindert werden. Besonders gute Ergebnisse wurden mit einer ca. 1 m wässrigen Na₂SO₄ als Elektrolyt erzielt. Auch ist die chemische Reaktivität, insbesondere die Korrosion, von Na₂SO₄ als Elektrolyt gegenüber Kochsalzlösung vermindert.The phosphates, for example Na ₂ HPO ₄ , additionally have a higher viscosity in aqueous solution, so that sealing problems when using the in-case technology in multilayers are reduced at the location of the plunger. Particularly good results were achieved with an approximately 1 m aqueous Na ₂ SO ₄ as the electrolyte. The chemical reactivity, in particular the corrosion, of Na ₂ SO ₄ as electrolyte is reduced in comparison with saline.

Um die Aktuationsamplitude des Bucky-Paper in einem Aktuator weiter zu verbessern, sieht eine bevorzugte Ausführungsform eines Aktuators vor, mehrere dünne, Nanotubes umfassende Schichten, vorzugsweise sehr dünne Schichten der Bucky-Paper, zu Multilayern bis zum Erreichen der gewünschten Aktuatordicke zu stapeln. Sehr dünne Schichten der Bucky-Paper sind Schichten von wenigstens einer Monolage, vorzugsweise mehreren Monolagen, bevorzugt im Bereich zwischen 100 nm und 100 μm. Möglich sind auch Dicken bis in den Millimeterbereich.The actuation amplitude of the bucky paper A preferred embodiment provides for further improvement in an actuator one actuator in front, several thin ones, Layers comprising nanotubes, preferably very thin layers the Bucky Paper, on multilayers until the desired one is reached Stack actuator thickness. Very thin layers the bucky paper are layers of at least one monolayer, preferably several monolayers, preferably in the range between 100 nm and 100 μm. Possible are even thicknesses down to the millimeter range.

Unter Multilayern werden wenigstens zwei, vorzugsweise wenigstens 5 und besonders bevorzugt wenigstens 10, übereinander gestapelte Nanotube-Schichten verstanden. Eine Beschränkung hinsichtlich der Maximaldicke des Aktuators besteht prinzipiell nicht.At least among multilayers two, preferably at least 5 and particularly preferably at least 10, one above the other stacked nanotube layers understood. A limitation regarding the maximum thickness of the actuator does not exist in principle.

Falls gewünscht, kann zwischen den Bucky-Paper-Lagen eine vorzugsweise poröse Kontaktierungsschicht vorgesehen sein, auch um den schnellen Durchtritt des Elektrolyten zu ermöglichen. Ohne eine Kontaktierungsschicht verringert sich der Wirkungsgrad des Multilayerstapels, da das Bucky-Paper an sich im ersten Moment bei Belastung nachgibt. Die steife Kontaktierungsschicht dient quasi als Gegenlager der Aktuation.If desired, can be between the bucky paper layers one preferably porous Contacting layer may be provided, also for rapid passage of the electrolyte. Without a contacting layer reduces the efficiency of the Multilayer stacks, since the bucky paper itself at first Yields. The rigid contact layer serves as it were as counterpart to the actuation.

Ein Vorteil der Kontaktierung ist neben der größeren Kraft die schnellere Aktuation, da die gesamte Oberfläche des Bucky-Paper kontaktiert ist.One advantage of contacting is in addition to the greater power the faster actuation because the entire surface of the bucky paper contacts is.

Anwendungsgebiete von Multilayern mit Kontaktierungsschicht sind beispielsweise: Schnelle und starke Aktuatoren, wie z. B. Stellglieder.Areas of application of multilayers with contacting layer are for example: Fast and strong Actuators, such as B. Actuators.

Die Kontaktierungsschicht kann aus einem elektrisch leitenden Material bestehen. Als elektrisch leitende Materialien eignen sich Metalle wie insbesondere Edelmetalle wie Silber, Gold, Platin, Kupfer, aber auch Aluminium, elektrisch leitende Polymere u.a. Die Materialien können als Folie auf dem Bucky-Paper aufgewalzt oder aufgeklebt werden. Auch ist möglich, die Metallschicht mittels Sputtern, Aufdampfen, CVD oder PVD-Verfahren oder Spincoating auf dem Bucky-Paper aufzubringen. Auch kann das Aufwachsen des Bucky-Papers auf einer Metallschicht durchgeführt werden.The contacting layer can be made of an electrically conductive material. As an electrically conductive Materials are suitable for metals such as precious metals such as Silver, gold, platinum, copper, but also aluminum, electrically conductive Polymers and others The materials can rolled or glued onto the bucky paper as a film. It is also possible the metal layer using sputtering, vapor deposition, CVD or PVD processes or spin coating on the Bucky paper. It can also Growing the bucky paper can be done on a metal layer.

Die Dicke der Kontaktierungsschicht beträgt vorzugsweise zwischen 1 μm und 100 μm, vorzugsweise etwa 5 bis 10 μm, um sowohl der Anforderung einer dünnen, als auch einer starren Schicht gerecht zu werden, was selbstverständlich von den jeweiligen Eigenschaften des Kontaktierungsmaterials abhängig ist.The thickness of the contact layer is preferably between 1 μm and 100 μm, preferably about 5 to 10 μm, to meet the requirement of both a thin and a rigid one Layer to do justice to what of course the respective properties depending on the contact material is.

Prinzipiell kann die Multilayer-Technik sowohl bei den bislang bekannten, als auch bei dem erfindungsgemäßen Bucky-Paper angewandt werden, wobei letzteres bevorzugt ist.In principle, the multilayer technology both in the previously known, as well as in the Bucky paper according to the invention are used, the latter being preferred.

Durch diese Multilayer-Anordnung kann die Aktuationskraft um die Anzahl der einzelnen Layerschichten der Bucky-Papers vervielfacht werden.Through this multilayer arrangement can the actuation force by the number of individual layer layers of the bucky papers are multiplied.

Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, jede einzelne Kontaktierungsfolie in dem Multilayer an ihrer über die einzelnen Bucky-Paper-Schichten hinaus stehenden Ende zu Kontaktieren.A preferred embodiment provides for each individual contacting foil in the multilayer their about to contact the individual bucky paper layers beyond the end.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, die Multilayer-Stapel konzentrisch oder nach dem Zwiebel-Prinzip aufzubauen. Hierdurch wird eine große Kraft und schnelle Aktuation erreicht, so dass eine spezifische Nutzung der Aktuation durch Multilayer-Technik, z. B. radial, axial, linear, erfolgen kann.Another embodiment provides for the multilayer stack build up concentrically or according to the onion principle. hereby becomes a great force and fast actuation achieved, so that a specific use the actuation through multilayer technology, e.g. B. radial, axial, linear, can be done.

Ein derartiger Aktuator in Multilayer-Anordnung kann ohne Elektrolyt durch direkte elektrische Kontaktierung angesteuert werden, wobei bevorzugt, jedoch nicht unbedingt erforderlich ist, die Bucky-Paper-Schicht mit dem Minus- und die Kontaktierungsschicht mit dem Pluspol zu verbinden.Such an actuator in a multilayer arrangement can be controlled without electrolyte by direct electrical contacting are preferred, but not essential, the bucky paper layer with the minus and the contacting layer to connect with the positive pole.

Neben der Optimierung des Elektrolyten besteht auch die Möglichkeit, elektrolytfrei eine Aktuation des Bucky-Papers zu erzwingen. Dazu müssen Spannung und Stromstärke angepasst werden. Vorzugsweise wird eine Spannung zwischen 0,5 und 100 V, besonders bevorzugt kleiner 10 V (wegen späterer Einsatzgebiete), verwendet. Die Ströme liegen im Bereich von Mikro- bis Milliampere.In addition to optimizing the electrolyte there is also the possibility to force actuation of the bucky paper without electrolyte. To need tension and amperage be adjusted. Preferably, a voltage between 0.5 and 100 V, particularly preferably less than 10 V (because of later areas of application), used. The streams are in the range of micro- to milliamps.

Selbst die Aktuation von Bucky-Paper-Schichten oder Multilayern allein durch E-Feld ohne physikalische Kontaktierung ist möglich.Even the actuation of bucky paper layers or multilayers alone through E-field without physical contacting is possible.

Auch kann ein auf der Multilayer-Technologie basierender Aktuator in einem Elektrolyten, vorzugsweise dem erfindungsgemäßen Elektrolyten, eingesetzt werden. Um ein besseres Eindringen des Elektrolyten zu gewährleisten, sind die Kontaktierungsschichten – wie die Bucky-Paper-Schichten – vorzugsweise porös. Die Anwendung des auf der Multilayer-Technologie basierenden Aktuators basiert vorzugsweise auf der In-Case-(Hüllen-) Technologie. Hierbei werden Bucky-Paper- und die Kontaktierungsschichten in einem Elektrolyten zu einem Aktuatorenstrang in einer Hülle integriert. Um die einzelnen Bucky-Paper-Schichten aufzubauen, können die einzelnen Bucky-Paper-Schichten in Bondingtechnik kontaktiert werden.One can also be based on multilayer technology Actuator in an electrolyte, preferably the electrolyte according to the invention, be used. To better penetrate the electrolyte too guarantee, the contacting layers - like the bucky paper layers - are preferred porous. The application of the actuator based on the multilayer technology is preferably based on in-case technology. in this connection become bucky paper and the contacting layers in an electrolyte to form an actuator train in an envelope integrated. To build up the individual bucky paper layers, the individual Bucky paper layers can be contacted using bonding technology.

Vorzugsweise ist die Hülle zumindest in einer Dimension veränderbar, insbesondere in einer Hauptbewegungsrichtung des Aktuators. Die Hülle kann beispielsweise als Dichtschlauch aus polymerem, elektrolytresistentem Material, insbesondere als Polymergehäuse, ausgebildet sein.The shell can preferably be changed in at least one dimension, in particular in a main direction of movement of the actuator. The sheath can, for example, as a sealing tube made of polymeric, electrolyte-resistant material, in particular as Polymer housing, be formed.

Bei Anwendung der In-Case-Technologie sollte der flüssige Elektrolyt eine nicht zu geringe Viskosität aufweisen, um ein Herauslaufen am Stösel, an dem die Kraft abgenommen wird, zu verhindern. Somit können durch geeignete Auswahl des Elektrolyten Dichtigkeitsprobleme verringert werden. Eine hinreichende Dichtigkeit wurde zum Beispiel mit gesättigten NaH₂PO₄ erzielt.When using in-case technology, the liquid electrolyte should have a viscosity that is not too low to prevent it from running out of the plunger, where the force is removed. Leakage problems can thus be reduced by suitable selection of the electrolyte. Adequate tightness was achieved, for example, with saturated NaH ₂ PO ₄ .

Mit der Multilayer-Technik können einerseits Stellantriebe für kleine Wegstrecken (künstliche Muskeln) bereitgestellt werden. Die Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie kann jedoch auch umgekehrt werden, so dass die auf der Multilayer-Technik basierenden Aktuatoren beispielsweise auch als Kraftmessdose eingesetzt werden können, d.h. durch eine auf den Stapel wirkende Kraft erfolgt eine Spannungsänderung, die gemessen und aus der die Kraft bestimmt wird.With the multilayer technology, actuators can be used for little ones Distances (artificial Muscles) are provided. The conversion of electrical mechanical energy can also be reversed, so that the actuators based on multilayer technology, for example can be used as a load cell, i.e. by one on the Force acting on the stack results in a change in tension that is measured and measured from the the force is determined.

Zusätzlich zu der oben beschriebenen Standardkonfiguration in der In-Case-Technologie kann das Bucky-Paper während der Relaxationsphase frei von Ionen gehalten werden, wenn eine zusätzliche Relaxationselektrode eingesetzt wird. Somit kann sowohl Kraft als auch Geschwindigkeit des Aktuators positiv beeinflusst werden.In addition to the one described above The Bucky paper can be configured in standard in-case technology during the Relaxation phase can be kept free of ions if an additional relaxation electrode is used. So both strength and speed can of the actuator can be positively influenced.

Die Aktuationscharakteristik der Aktuatoren hängt weiterhin auch von der Art der elektrischen Ansteuerung des Aktuators ab. Erfindungsgemäß erfolgt die Ansteuerung des Aktuators vorzugsweise durch Änderung der Spannung. Prinzipiell ist es jedoch ebenfalls möglich, eine stromgeregelte Ansteuerung vorzusehen. Die stromgeregelte Ansteuerung hat den Vorteil, dass eine größere Kraft erzielt werden kann.The actuation characteristic of the Actuators hangs also on the type of electrical control of the actuator from. According to the invention the actuation of the actuator preferably by change of tension. In principle, however, it is also possible to use one to provide current-controlled control. The current-controlled control has the advantage of greater strength can be achieved.

Die Aktuationsamplitude kann weiterhin durch eine dem Elektrolyten entsprechende elektrische Polarität gesteigert werden. Dies kann durch einen gezielten Wechsel der elektrischen Polarität softwareseitig oder auch über eine Flip-Flopschaltung erreicht werden.The actuation amplitude can continue through an electrical polarity corresponding to the electrolyte is increased become. This can be done by changing the electrical system polarity software side or via a flip-flop circuit can be achieved.

Prinzipiell ist es möglich, sowohl den Plus- als auch den Minuspol mit dem Bucky-Paper zu kontaktieren, bevorzugt wird jedoch eine Minuskontaktierung am Bucky-Paper und eine Pluskontaktierung an der Kontaktierungsschicht.In principle it is possible to do both contacting the plus and minus poles with the Bucky paper is preferred however, a negative contact on the Bucky paper and a positive contact on the contacting layer.

Weiterhin wurde festgestellt, dass auch die Geometrie der Bucky-Paper im Elektrolyten die elektrischen Felder beeinflusst. Vorzugsweise wird Bucky-Paper mit runden Geometrien eingesetzt. Längliche oder streifenförmige Geometrien der Bucky-Paper sind weniger geeignet, ihr Einsatz ist jedoch prinzipiell möglich.It was also found that the geometry of the bucky paper in the electrolyte also the electrical Fields influenced. Bucky paper with round geometries is preferred used. elongated or strip-shaped Bucky paper geometries are less suitable, their use is however possible in principle.

Aufgrund der mechanischen und chemischen Eigenschaften der Bucky-Paper wird vorzugsweise eine spezielle Applikationstechnik, insbesondere Scherkraftentkopplung, eine spezielle Kinematik und die Anwendung der bereits beschriebenen In-Case-Technologie, angewandt.Because of the mechanical and chemical Properties of the bucky paper is preferably a special application technique, in particular shear decoupling, special kinematics and the application of the already described in-case technology.

Bei der Scherkraftentkopplung wird der Aktuator in einem Schutzgehäuse bereitgestellt, wobei das Schutzgehäuse Scherkräfte aufnimmt und Scherkräfte auf den Aktuator vermieden werden. Solche Schutzgehäuse können beispielsweise aus Edelstahl oder Hochleistungspolymeren, wie zum Beispiel PEEK, bereitgestellt werden.With the shear force decoupling the actuator in a protective housing provided, the protective housing absorbing shear forces and shear forces the actuator can be avoided. Such protective housings can be made of stainless steel, for example or high performance polymers such as PEEK become.

Vorzugsweise werden zudem die Akuationsamplitude und die Maximalkraft zusätzlich über eine spezielle Kinematik vergrößert. So kann durch Hebelgeometrien oder durch spezielle Geometrien und Anordnungen der Bucky-Paper im Raum wie Faltung oder Spiralform der Weg oder die Kraft vergrößert werden.The amplitude of the acuations is also preferred and the maximum force additionally via a special one Kinematics enlarged. So can by lever geometries or by special geometries and arrangements the bucky paper in the room like folding or spiral shape the way or the force will be increased.

Die Aktuationscharakteristik kann weiterhin durch Erhöhung der Ionengeschwindigkeit verbessert werden, in dem eine geometrisch nahe Anordnung der Elektroden und deren Isolierung gewählt wird. Zur weiteren Erhöhung der Ionengeschwindigkeit können die Elektrolytbecken in Form von Venturi-Röhren gestaltet sein. Auch ist es möglich, gezielt elektrische Felder zu erzeugen, auf deren Bahnen sich die Ionen besonders schnell bewegen.The actuation characteristic can continue by increasing the ion velocity can be improved in a geometrically close arrangement of the electrodes and their insulation is selected. For further increase the ion velocity can the electrolyte basins are designed in the form of Venturi tubes. Is too it possible to specifically generate electric fields, on the orbits of which Ions move particularly quickly.

Der erfindungsgemäß optimierte Nanotube-Aktuator zeichnet sich gegenüber den bekannten Aktuatoren durch folgende Vorteile aus:
Er kann mit der geringen Spannung von nur einem Volt betrieben werden, somit mit einer um den Faktor 1000 geringeren Spannung als bei keramischen Systemen. Mit dem erfindungsgemäßen Aktuator können weit aus größere Kräfte als in Polymersystemen und größere Ausdehnungen als in keramischen Systemen erzielt werden. Es werden Wirkungsgrade von fast 1 erreicht. Im Gegensatz zu Piezosystemen wird die maximale Ausdehnung ohne Überschwingungen erreicht. Da zudem ein nahezu linearer Verlauf zwischen Längenveränderung und angelegter Spannung vorliegt und die Aktuationsgeschwindigkeit kurz ist, können die Aktuatoren auch in mehreren Stufen – auch in kurzen zeitlichen Abständen – angesteuert werden.The nanotube actuator optimized according to the invention has the following advantages over the known actuators:
It can be operated with the low voltage of only one volt, which means it is 1000 times lower than with ceramic systems. With the actuator according to the invention, greater forces than in polymer systems and larger expansions than in ceramic systems can be achieved. Efficiencies of almost 1 are achieved. In contrast to piezo systems, the maximum expansion is achieved without overshoots. Since there is also an almost linear course between the change in length and the applied voltage and the actuation speed is short, the actuators can also be controlled in several stages - even at short time intervals.

Der erfindungsgemäße Aktuator ist mit einer Dichte von δ = 1,4 g/mm² wesentlich leichter als Legierungen. Er weist zudem eine hohe Temperaturbeständigkeit auf, das Rohmaterial Kohlenstoff ist kostengünstig. Auch ist das Baumaß klein und die Effizienz hoch.With a density of δ = 1.4 g / mm ^{2, the} actuator according to the invention is considerably lighter than alloys. It also has a high temperature resistance, the raw material carbon is inexpensive. The dimensions are also small and the efficiency is high.

Anwendungsgebiete des erfindungsgemäßen Aktuator sind u.a. die Robotik, die Medizintechnik, die Mikropositioniertechnik, die Automobilindustrie, die Luft- und Raumfahrt, die Feinwerktechnik, die Produktionstechnik und die Messtechnik.Areas of application of the actuator according to the invention include robotics, medical technology, micropositioning technology, the automotive industry, the air and Space travel, precision engineering, production technology and measurement technology.

Aufgrund der genannten Vorteile können neben der Substitution von klassischen Aktuatoren auch neue hochspannungskritische Anwendungsgebiete wie beispielsweise in der Medizintechnik (Implantate, Endoskopie) oder der Kfz-Innenausstattung erschlossen werden.Because of the advantages mentioned, in addition to the substitution of classic actuators also new high voltage critical ones Areas of application such as in medical technology (implants, Endoscopy) or the interior of the vehicle become.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen näher beschreiben.The invention is described below of figures and embodiments describe in more detail.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Nanotubes, 1 shows a schematic representation of a nanotube,

2 zeigt eine schematische Draufsicht auf die Anordnung der Nanotubes in dem erfindungsgemäßen Bucky-Paper, 2 shows a schematic top view of the arrangement of the nanotubes in the bucky paper according to the invention,

3 zeigt eine schematische Darstellung eines Bucky-Paper-Multilayers, 3 shows a schematic representation of a bucky paper multilayer,

4 zeigt eine schematische Darstellung eines Bucky-Paper-Multilayers in In-Case-Technologie, 4 shows a schematic representation of a bucky paper multilayer in in-case technology,

5 zeigt eine schematische Darstellung eines Bucky-Paper-Multilayers in In-Case-Technologie mit zusätzlicher Relaxationselektrode, 5 shows a schematic representation of a bucky paper multilayer in in-case technology with additional relaxation electrode,

6 zeigt die Anstiegszeiten von Aktuatoren aus Carbon-Nanotube-Schichten in verschiedenen Elektrolyten bis zur halben (weiß) und vollen (schwarz) Ausdenkung, 6 shows the rise times of actuators made of carbon nanotube layers in different electrolytes up to half (white) and full (black) thought out,

7 zeigt die Aktuatorenkraft in Abhängigkeit von den eingesetzten Elektrolyten, 7 shows the actuator force depending on the electrolytes used,

8 zeigt den Einfluss der Polarität auf die Kraftänderung in Abhängigkeit von der Zeit, 8th shows the influence of polarity on the change in force as a function of time,

9 zeigt die Kraftveränderung/Volumen in Abhängigkeit von der Kontaktierung, 9 shows the change in force / volume depending on the contact,

10 zeigt die Aktuationsamplitude mit Na₂SO₄ als Elektrolyt in Abhängigkeit von der Zeit, 10 shows the actuation amplitude with Na ₂ SO ₄ as electrolyte as a function of time,

11 zeigt schematisch den Einsatz des Aktuators als künstlichen Muskel in der Medizintechnik, 11 shows schematically the use of the actuator as an artificial muscle in medical technology,

12 zeigt die prozentuale Ausdehnung verschiedener bislang bekannter Aktuatoren im Vergleich zu Nanotube-Aktuatoren, 12 shows the percentage expansion of various previously known actuators compared to nanotube actuators,

13 zeigt die zulässige Höchsttemperatur bislang bekannter Aktuatoren im Vergleich zu Nanotube-Aktuatoren und 13 shows the permissible maximum temperature of previously known actuators in comparison to nanotube actuators and

14 zeigt die Versorgungsspannung bislang bekannter Aktuatoren im Vergleich zu Nanotube-Aktuatoren. 14 shows the supply voltage of previously known actuators compared to nanotube actuators.

Die in 1 schematisch dargestellten Single-Wall Nanotubes (SWNT) aus Kohlenstoff sind einwandige Kohlenstoffröhrchen mit einem Durchmesser von wenigen Nanometern und einer Länge im Mikrometerbereich. Herstellungsverfahren dieser Nanotubes sind im Stand der Technik bekannt (z.B. Science 1340 (1999) mit weiteren Literaturangaben).In the 1 schematically shown single-wall nanotubes (SWNT) made of carbon are single-walled carbon tubes with a diameter of a few nanometers and a length in the micrometer range. Manufacturing processes for these nanotubes are known in the prior art (for example Science 1340 (1999) with further references).

Erfindungsgemäß sind die Nanotubes in der Schicht des Bucky-Paper nicht statistisch angeordnet, sondern weisen in der Schicht Bemittelt über die Nanotube-Anordnungen eine Vorzugsrichtung auf, wie die schematische Draufsicht auf das erfindungsgemäße Bucky-Paper in 2 zeigt. Insbesondere beträgt der Winkel zwischen den Längsachsen der Nanotubes und der Vorzugsrichtung im wesentlichen weniger als 90°, vorzugsweise weniger als 60° und besonders bevorzugt weniger als 45°, bis hin zu einer besonders bevorzugten Anordnung, bei der die Längsachsen im wesentlichen parallel der Vorzugsrichtung orientiert sind. Zum Erreichen der erforderlichen Festigkeit und der Elastizität der Schichten umfasst die Schicht vorzugsweise Zusatzstoffe, die beispielsweise die Adhäsion erhöhen und/oder die Nanotubes flexibel einbetten.According to the invention, the nanotubes are not arranged statistically in the layer of the bucky paper, but instead have a preferred direction in the layer averaged over the nanotube arrangements, such as the schematic plan view of the bucky paper according to the invention in 2 shows. In particular, the angle between the longitudinal axes of the nanotubes and the preferred direction is essentially less than 90 °, preferably less than 60 ° and particularly preferably less than 45 °, up to a particularly preferred arrangement in which the longitudinal axes are oriented essentially parallel to the preferred direction are. To achieve the required strength and the elasticity of the layers, the layer preferably comprises additives which, for example, increase the adhesion and / or flexibly embed the nanotubes.

Die erfindungsgemäße Anordnung der Bucky-Paper in Form von Multilayern ist in 3 dargestellt. Die Bucky-Paper 11, die vorzugsweise jeweils aus einer wenigen Monolagen dicken Schicht der in 2 dargestellten, im wesentlichen ausgerichteten Nanotubes bestehen, sind auf die gewünschte Aktuatorendicke d gestapelt. Zwischen den einzelnen Bucky-Paper-Lagen befinden sich Kontaktierungsschichten 12 aus elektrisch leitenden Materialien.The arrangement of the bucky paper in the form of multilayers according to the invention is shown in 3 shown. The Bucky Paper 11 , which preferably each consist of a few monolayers thick layer of 2 shown, essentially aligned nanotubes are stacked to the desired actuator thickness d. Contacting layers are located between the individual bucky paper layers 12 made of electrically conductive materials.

Die Anwendung der Aktuatoren in Multilayer-Technik mit Elektrolyt in der In-Case-Technologie ist in 4 dargestellt. Der in 3 bereits beschriebene Multilayer aus den Bucky-Paper- 11 und den Kontaktierungsschichten 12 ist zusammen mit dem Elektrolyten 13 und der Konterelektrode 18 in einer Hülle 14 aus einem polymeren Material integriert. Kontaktierungsschichten 12 und Bucky- Paper 11 sind in Reihe geschaltet. An die obere Bucky-Paper-Schicht grenzt der Stösel 16, mittels dessen die Kraft übertragen wird. An den Stösel 16 angrenzend befindet sich im Bereich der Hülle 14 eine Dichtlippe 17, die das Herausfließen des Elektrolyts verhindert.The application of the actuators in multilayer technology with electrolyte in in-case technology is in 4 shown. The in 3 multilayer already described from the bucky paper 11 and the contacting layers 12 is together with the electrolyte 13 and the counter electrode 18 in an envelope 14 integrated from a polymer material. contacting layers 12 and Bucky paper 11 are connected in series. The pestle borders on the upper bucky paper layer 16 , by means of which the force is transmitted. On the pestle 16 is adjacent in the area of the envelope 14 a sealing lip 17 which prevents the electrolyte from flowing out.

5 zeigt den zusätzlichen Einsatz einer Relaxationselektrode 19 in dem in 4 beschriebenen System. Durch die Relaxationselektrode 19 kann die Aktuationskraft und die Aktuationsgeschwindigkeit erhöht werden. 5 shows the additional use of a relaxation electrode 19 in the in 4 described system. Through the relaxation electrode 19 the actuation force and the actuation speed can be increased.

Die Anstiegszeiten von Aktuatoren mit Bucky-Papern bis zur halben (F_max/2, weiß) und vollen (F_max, schwarz) Ausdehnung sind für verschiedene Elektrolyte in wässriger Lösung in 6 dargestellt. Besonders kurze Anstiegszeiten bis zur halben und maximalen Ausdehnung werden in 1 m Na₂SO₄, in 0,1 m Na₂SO₄ sowie in 0,1 m Na₂HPO₄ und Na₃PO₄ beobachtet.The rise times of actuators with bucky papers up to half (F _max / 2, white) and full (F _max , black) expansion are in for various electrolytes in aqueous solution 6 shown. Particularly short rise times up to half and maximum expansion are observed in 1 m Na ₂ SO ₄ , in 0.1 m Na ₂ SO ₄ and in 0.1 m Na ₂ HPO ₄ and Na ₃ PO ₄ .

Gemäß 7 werden in 1 m KCl und 1 m Na₂SO₄ die größten Maximalkräfte erzielt. Nur etwa die Hälfte der Maximalkraft mit 1 m KCl wird mit 1 m K₂SO₄ erreicht. Bei niederen Elektrolykonzentrationen geht die Maximalkraft deutlich zurück.According to 7 the greatest maximum forces are achieved in 1 m KCl and 1 m Na ₂ SO ₄ . Only about half the maximum force with 1 m KCl is achieved with 1 m K ₂ SO ₄ . The maximum force drops significantly at low electrolyte concentrations.

Der Graph gemäß 8 zeigt die Kraftänderung/Volumen bei positiver Konnektierung (Bereich 1), anschließender Diskonnektierung (Bereich 2), anschließender negativer Konnektierung (Bereich 3) und abschließender Diskonnektierung (Bereich 4), jeweils der Bucky-Paper Schichten. Bei negativer Konnektierung der Bucky-Paper Schichten wird eine weitaus größere Kraftänderung beobachtet.The graph according to 8th shows the change in force / volume with positive connection (area 1 ), subsequent disconnection (area 2 ), subsequent negative connection (area 3 ) and final disconnection (area 4 ), each of the bucky paper layers. If the bucky paper layers are connected negatively, a far greater change in force is observed.

9 zeigt die Kraftänderung in Abhängigkeit von der Zeit für Multilayer mit verschiedenen Kontaktierungen. Der Graph belegt, dass die beste Anordnung in dem Multilayer Bucky-Paper/Kontaktierungsschicht/Bucky-Paper/Kontaktierungs Schicht usw. ist. Dies wird darauf zurückgeführt, dass die Steifheit der Kontaktierungsschicht die Aktuation positiv beeinflusst. Andere Möglichkeiten, wie Kontaktierungsschicht/Bucky-Paper/Bucky-Paper/Kontaktierungsschicht zeigen keine so guten Werte. 9 shows the change in force as a function of time for multilayers with different contacts. The graph shows that the best arrangement is in the multilayer bucky paper / contacting layer / bucky paper / contacting layer, etc. This is attributed to the fact that the stiffness of the contacting layer has a positive influence on the actuation. Other options, such as contacting layer / bucky paper / bucky paper / contacting layer, do not show such good values.

10 zeigt die Aktuationsamplitude in Na₂SO₄ als Funktion der Zeit. An Bucky-Paper wurde 0,8 V/5 mA angelegt und nach Erreichen der Maximalkraft nach 5 min. getrennt. Anschließend wurde nach 10 Minuten wieder Spannung angelegt. Der Graph zeigt, dass die Aktuation reproduzierbar ist (zwei Wellen). Zum Erreichen der Maximalkraft benötigt ein 0,1 mm dickes Bucky-Paper 5 Minuten. Die Maximalkraft von 0,12 N wird ohne Überschwingen erreicht. 10 shows the actuation amplitude in Na ₂ SO ₄ as a function of time. 0.8 V / 5 mA was applied to bucky paper and after reaching the maximum force after 5 min. Cut. Voltage was then applied again after 10 minutes. The graph shows that the actuation is reproducible (two waves). A 0.1 mm thick bucky paper is required to reach the maximum force 5 Minutes. The maximum force of 0.12 N is reached without overshoot.

11 zeigt ein Anwendungsbeispiel des Aktuators in der Medizintechnik (Implantattechnik). Der Multilayer-Aktuator 21 (anstelle des Multilagen-Aktuators kann in Abhängigkeit der erforderlichen Kraft auch ein Einschicht-Bucky-Paper eingesetzt werden) befindet sich beidseitig der künstlichen Linse 22 eines Auges und ist mit der Linse durch Klemmen verbunden. Mittels eines elektrischen Steuergeräts 23 erfolgt eine Längenveränderung der Bucky-Papers, die die Linse – wie in der rechten Abbildung dargestellt – gegenüber dem Zustand in der linken Abbildung verändert und somit eine Fokussierung des Lichtes auf den Sehnerv ermöglicht. 11 shows an application example of the actuator in medical technology (implant technology). The multilayer actuator 21 (Instead of the multi-layer actuator, a single-layer bucky paper can be used depending on the required force) is located on both sides of the artificial lens 22 of an eye and is connected to the lens by clamping. Using an electrical control unit 23 There is a change in the length of the bucky papers, which changes the lens - as shown in the right illustration - compared to the state in the left illustration and thus enables the light to be focused on the optic nerve.

Die 12 – 14 zeigen Gegenüberstellungen verschiedener Aktuatoren in Bezug auf die Ausdehnung, zulässige Höchsttemperatur und Versorgungsspannung. (IPMC und IPM sind Polymeraktuatoren, Shape Memory Alloys sind Formerinnerungsmetalle). Die Nanotube-Aktuatoren zeichnen sich durch extreme Temperaturbeständigkeit und die geringste Versorgungsspannung aller bislang bekannten Systeme aus. Die Ausdehnung des Nanotubes ist im Vergleich zu anderen Systemen zwar gering. Allerdings bewirkt die vergleichsweise geringe Ausdehnung des Nanotube-Systems aufgrund der Hebelgesetze eine weitaus größere Kraft als die, die in Systemen in hoher Ausdehnung, wie beispielsweise Polymere, beobachtet wird.The 12 - 14 show comparisons of different actuators in relation to the expansion, permissible maximum temperature and supply voltage. (IPMC and IPM are polymer actuators, shape memory alloys are shape memory metals). The Nanotube actuators are characterized by extreme temperature resistance and the lowest supply voltage of all previously known systems. The expansion of the nanotube is small compared to other systems. However, due to the lever laws, the comparatively small expansion of the nanotube system causes a far greater force than that which is observed in systems with high expansion, such as polymers.

Claims

Electromechanical actuator, which actuator comprises at least one layer comprising nanotubes ( 11 ), characterized in that the nanotubes in the layer averaged over the nanotube arrangements have a preferred direction.

Actuator according to claim 1, characterized in that the nanotubes in the layer are at least partially related on their longitudinal axis, are arranged in a preferred direction, the nanotubes related to the preferred direction, essentially at an angle smaller than 90 °, preferably less than 60 °, particularly preferably less than 45 °, up to the parallel arrangement are aligned.

Actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the nanotubes are single- or multi-wall carbon nanotubes or nanotubes made of inorganic components, such as BN, MoS ₂ or V ₂ O ₅ .

Actuator according to claim 3, characterized in that the layer consisting of carbon nanotubes (bucky paper layer) ( 11 ) is essentially free of fullerenes, graphite particles and catalyst additives.

Electromechanical actuator, which actuator comprises at least one layer comprising nanotubes ( 11 ), in particular according to one of claims 1 to 4, characterized in that the actuator comprises an electrolyte which from the group of the alkali and alkaline earth metal, aluminum and metal salts of the halides, nitrates, sulfates, phosphates, dihydrogen phosphates, hydrogen phosphates, Halogenates, perhalogenates, hydroxides, acetates, oxalates or their acids or mixtures thereof is selected.

Actuator according to claim 5, characterized in that the electrolyte from LiCl, KCl, LiF, NaF, KF, NaNO ₃ , Na ₂ SO ₄ , Na ₂ PO ₄ , Na ₃ PO ₄ , NaClO ₃ , NaClO ₄ or the corresponding Lithium, potassium or alkaline earth salts and the corresponding acids existing group is selected.

Actuator according to claim 6, characterized in that the solvent of the electrolyte is water or a polar solvent.

Actuator according to one of claims 5 to 7, characterized in that that the concentration of the electrolyte in the solvent is between 0.1 and 5 mol / l, in particular between 0.2 and 2 mol / l.

Actuator according to one of claims 5 to 8, characterized in that the electrolyte is a 0.5 to 2 molar, in particular about 1 molar, aqueous Na ₂ SO ₄ solution.

Actuator according to one of claims 5 to 9, characterized in that that the electrolyte is additional Gelling agents and / or highly viscous electrolytes, such as polyelectrolytes, Ionomers or hydrogels swollen with electrolytes.

Electromechanical actuator, which actuator comprises at least one layer comprising nanotubes ( 11 ), in particular according to one of claims 1 to 10, characterized in that at least two, preferably more than 5 and particularly preferably more than 10 nanotubes layers ( 11 ) are stacked into at least one multilayer.

Actuator according to claim 11, characterized in that the layers comprising nanotubes ( 11 ) very. thin layers of at least one monolayer, preferably several monolayers and particularly preferably thicknesses in the range between 100 nm and 100 μm.

Actuator according to one of claims 11 or 12, characterized in that between the layers comprising the nanotubes ( 11 ), preferably the bucky paper layers, at least one contacting layer ( 12 ), preferably a contacting layer made of an electrically conductive material is provided in each case between two layers comprising nanotubes.

Actuator according to claim 13, characterized in that the contacting layer ( 12 ) is porous and / or comprises a metal, in particular a noble metal or aluminum or a conductive polymer.

Actuator according to one of claims 5 to 14, characterized in that it has at least one multilayer ( 11 . 12 ) and a liquid electrolyte ( 13 ), which in a shell that can be changed in at least one dimension 14 ) are integrated, the layers of nanotubes ( 11 ) and contact layers ( 12 ) are connected in series and the layers of nanotubes are preferably contacted using bonding technology.

Electromechanical actuator, which actuator comprises at least one layer comprising nanotubes ( 11 ), in particular according to one of the preceding claims, characterized in that a targeted change of polarities is provided by a hardware and / or software circuit, in particular a flip-flop circuit, for controlling the actuator.

Electromechanical actuator, which actuator comprises at least one layer comprising nanotubes ( 11 ), in particular according to one of the preceding claims, characterized in that the nanotubes comprising (n) layers) have essentially round geometries.

Electromechanical actuator, which actuator comprises at least one layer comprising nanotubes ( 11 ), in particular according to one of claims 11 to 16, characterized in that a shear force decoupling is additionally provided.

Electromechanical actuator, which actuator comprises at least one layer comprising nanotubes ( 11 ), in particular according to one of the preceding claims, characterized in that, in addition to increasing the macroscopic deflections, a special kinematics such as additional levers or a folded or spiral arrangement of the nanotube layers is provided.

Electromechanical actuator, which actuator comprises at least one layer comprising nanotubes ( 11 ), in particular according to one of claims 11 to 16, characterized in that an additional relaxation electrode ( 19 ) is provided.

Electromechanical actuator, which actuator comprises at least one layer comprising nanotubes ( 11 ), in particular according to one of the preceding claims, characterized in that a geometrically close arrangement of the electrodes and insulation is selected to increase the ion velocity and / or the electrolyte pools are designed in the form of Venturi tubes and / or additional electric fields for Acceleration of the ions are provided.

Use of an actuator according to one of claims 1 to 21 as an actuator for small distances, as a load cell, in medical technology, the Automotive industry, robotics, micropositioning technology, Aerospace engineering, precision engineering, measurement technology or production technology.

Method for producing an actuator, the layer comprising at least one nanotube ( 11 ) according to one of claims 1 to 21, characterized in that the nanotubes are aligned either by an electrical, magnetic or electromagnetic field or under the influence of ultrasound in a surfactant suspension or the nanotubes are aligned in a suspension by a rotation process, so that the nanotubes in the layer essentially have a preferred direction.

Process for producing a layer comprising carbon nanotubes ( 11 ) for an actuator according to claim 3, characterized in that the impurities are removed by hydrothermal oxidizing processes and subsequent treatment in acids.

Method for producing actuators according to one of Claims 13 to 15, the multilayer ( 11 . 12 ) from layers comprising nanotubes ( 11 ) and contact layers ( 12 ), characterized in that the contacting layers ( 12 ) on the layers comprising nanotubes ( 11 ) are applied by sputtering, vapor deposition, CVD or PVD processes or spin coating or the layer comprising nanotubes grows on a metal layer.