TWI394303B - 電致伸縮複合材料及電致伸縮元件 - Google Patents

Description

電致伸縮複合材料及電致伸縮元件

本發明涉及一種電致伸縮複合材料及電致伸縮元件，尤其涉及一種具有可彎曲特性的人工肌肉複合材料及電致伸縮元件。

電致伸縮材料為在電場、電壓或電流的作用下發生形變產生伸縮運動，從而實現電能-機械能轉換的一種材料。電致伸縮材料由於類似肌肉的運動形式又被稱為人工肌肉材料。

傳統的電致伸縮材料包括形狀記憶合金、壓電陶瓷、鐵電聚合物等。然而，這些電致伸縮材料的電致伸縮率較低，且柔韌性較差，與生物肌肉特性相差較遠，不利於用作人工肌肉。

先前技術提供一種電介質彈性體材料。該電介質彈性體材料通常為一矽樹脂或聚丙酸樹脂橡膠。這種電介質彈性體材料可以提供較高的電致伸縮率，且具有較好的柔韌性，表現出與生物肌肉相似的特性。實際應用時，可將電介質彈性體材料構成的電介質彈性體膜設置於兩個平行的金屬電極之間。當在兩個金屬電極之間施加一上千伏特的高壓直流電壓時，兩電極之間產生的靜電引力在垂直電介質彈性體膜表面的方向上擠壓電介質彈性體膜，使其在平行電介質彈性體膜表面的平面內向各個方向擴張。關閉電壓，作用在所述電介質彈性體膜的靜電引力消失，電介質彈性體膜恢復原來形狀。然而，該電 介質彈性體膜通常需要較高的直流電壓(上千伏特)才能工作，提高了其使用成本，限制了其應用。

為了降低電致伸縮材料的工作電壓，范守善等人公開了一種電致伸縮材料，請參見“Electrothermal Actuation Based on Carbon Nanotube Network in Silicon Elastomer”Applied Physics Letters Vol,92,P 263104(2008)。該電致伸縮複合材料包括矽橡膠基體及分散在矽橡膠基體中的大量奈米碳管。所述奈米碳管的質量百分含量為0.5~5%，且奈米碳管互相搭接在矽橡膠基體中形成大量導電網路，從而使該電致伸縮複合材料導電。上述的電致伸縮複合材料可以通過將分散好的奈米碳管溶液與所述的矽橡膠的預聚物溶液混合，之後聚合固化形成。當通過兩個電極向所述電致伸縮複合材料施加一伏特的電壓時，該電致伸縮複合材料中的奈米碳管網路中有電流流過，並產生焦耳熱。該電致伸縮複合材料被電流產生的焦耳熱加熱並發生膨脹。然而，上述電致伸縮複合材料必須與其它熱膨脹係數不同的基材配合才能實現彎曲，使得其製作工藝較複雜。

有鑒於此，提供一種具有彎曲特性且結構簡單的電致伸縮複合材料及電致伸縮元件實為必要。

一種電致伸縮複合材料，包括一片狀柔性高分子基體以及一奈米碳管膜結構，其特徵在於，所述奈米碳管膜結構設置在所述柔性高分子基體一表面，並與所述柔性高 分子基體具有不同的熱膨脹係數，所述奈米碳管膜結構為複數個奈米碳管通過凡德瓦爾力結合而成。

一種電致伸縮元件，其包括：一電致伸縮複合材料，該電致伸縮複合材料為片材，該電致伸縮複合材料包括一柔性高分子基體，以及一奈米碳管膜結構，所述奈米碳管膜結構與所述柔性高分子基體具有不同的熱膨脹係數；以及一第一電極與一第二電極，所述第一電極與第二電極間隔設置於所述電致伸縮複合材料，並與所述電致伸縮複合材料電連接；其中，所述奈米碳管膜結構設置於柔性高分子基體的表面，所述奈米碳管膜結構為複數個奈米碳管通過凡德瓦爾力結合而成。

與先前技術相比較，本發明提供的電致伸縮複合材料及電致伸縮元件，其包括柔性高分子基體，以及設置於高分子基體表面的奈米碳管膜結構，。由於奈米碳管膜結構與柔性高分子基體具有不同的熱膨脹係數，且所述奈米碳管膜結構僅設置於柔性高分子基體的表面，使得所述電致伸縮複合材料及電致伸縮元件料具有非對稱的結構，從而使得該電致伸縮複合材料及電致伸縮元件在受熱時會向一面彎曲。並且，該電致伸縮複合材料及電致伸縮元件具有結構簡單，製備工藝簡單、成本低的優點，該電致伸縮複合材料及電致伸縮元件熱膨脹具有可彎曲性，從而可以應用於精確控制器件中。

以下將結合附圖詳細說明本發明提供的電致伸縮複合材料及電致伸縮元件。

請參考圖1及圖2，本發明實施例提供一種電致伸縮複合材料10，所述電致伸縮複合材料10為片材，其包括：一柔性高分子基體14，以及一奈米碳管膜結構12，所述奈米碳管膜結構12與所述柔性高分子基體14具有不同的熱膨脹係數，其中，所述奈米碳管膜結構12設置於柔性高分子基體14的表面，所述奈米碳管膜結構12為複數個奈米碳管122通過凡德瓦爾力結合而成。

所述柔性高分子基體14為具有一定厚度的片材，該片材的形狀不限，可以為長方形、圓形，或根據實際應用製成各種形狀。所述柔性高分子基體14為柔性材料構成，該柔性材料導電性不限，只要具有柔性即可。所述柔性高分子基體14的材料為矽橡膠、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨脂、環氧樹脂、聚丙烯酸乙酯、聚丙烯酸丁酯、聚苯乙烯、聚丁二烯、聚丙烯腈、聚苯胺、聚吡咯及聚噻吩中的一種或幾種的組合。本實施例中，所述柔性高分子基體14為一矽橡膠薄膜，該矽橡膠薄膜為厚度為0.7毫米厚的一長方形薄片，長為6釐米，寬為3釐米。

所述奈米碳管膜結構12為一平面結構，該奈米碳管膜結構12平行於所述柔性高分子基體14鋪設於柔性高分子基體14的表面。該奈米碳管膜結構12於柔性高分子基體14未完全固化呈液態時鋪設。由於該奈米碳管膜結構12為複數個奈米碳管122通過凡德瓦爾力結合構成，複數個奈米碳管122之間存在間隙，液態的柔性高分子基體材料可以滲透進入該奈米碳管膜結構12中的奈米碳管122之間的間隙當中，該柔性高分子基體14的材料與奈米碳管膜結 構12中的奈米碳管122緊密結合在一起。所述奈米碳管膜結構12與柔性高分子基體14接觸的表面部分包埋於柔性高分子基體14中。從而奈米碳管膜結構12可以很好地被固定在該柔性高分子基體14的表面，與該柔性高分子基體14具有很好的結合性能。該電致伸縮複合材料10不會因為多次使用，影響奈米碳管薄膜12與柔性高分子基體14之間介面的結合性。

所述奈米碳管膜結構12包括至少一個奈米碳管膜。當所述奈米碳管膜結構12包括複數個奈米碳管膜時，所述奈米碳管膜的層數不限，該複數個奈米碳管膜可並排設置或層疊設置於所述柔性高分子基體14的表面。當所述奈米碳管膜結構12包括複數個奈米碳管膜層疊設置時，所述奈米碳管膜結構12中相鄰的層疊的奈米碳管膜之間通過凡德瓦爾力緊密連接。該奈米碳管膜可以為奈米碳管拉膜、奈米碳管碾壓膜及奈米碳管絮化膜中的一種或多種的組合。

請參閱圖3，所述奈米碳管拉膜包括複數個奈米碳管，且該複數個奈米碳管基本相互平行且平行於奈米碳管拉膜的表面。具體地，該奈米碳管膜中的複數個奈米碳管通過凡德瓦爾力首尾相連，且所述複數個奈米碳管的軸向基本沿同一方向擇優取向排列。所述奈米碳管拉膜之中的奈米碳管之間存在間隙，當使用該奈米碳管拉膜與柔性高分子基體14結合時，柔性高分子基體14的材料滲透入奈米碳管拉膜中的奈米碳管之間的間隙之中，使得該奈米碳管拉膜與柔性高分子基體14能夠較好地結合。該 奈米碳管拉膜的厚度為0.01微米~100微米，其中的奈米碳管為單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管及多壁奈米碳管中的一種或幾種。當該奈米碳管膜中的奈米碳管為單壁奈米碳管時，該單壁奈米碳管的直徑為0.5奈米~10奈米。當該奈米碳管膜中的奈米碳管為雙壁奈米碳管時，該雙壁奈米碳管的直徑為1.0奈米~20奈米。當該奈米碳管膜中的奈米碳管為多壁奈米碳管時，該多壁奈米碳管的直徑為1.5奈米~50奈米。所述奈米碳管拉膜的面積不限，可根據實際需求製備。

請參閱圖4，所述奈米碳管碾壓膜包括均勻分佈的奈米碳管。所述奈米碳管無序排列，或者沿同一方向或不同方向擇優取向排列。所述奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管相互部分交疊，並通過凡德瓦爾力相互吸引，緊密結合，使得該奈米碳管結構具有很好的柔韌性，可以彎曲折疊成任意形狀而不破裂。且由於奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管之間通過凡德瓦爾力相互吸引，緊密結合，使奈米碳管碾壓膜為一自支撐的結構。所述奈米碳管碾壓膜可通過碾壓一奈米碳管陣列獲得。所述奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管與形成奈米碳管陣列的生長基底的表面形成一夾角β，其中，β大於等於0度且小於等於15度(0 β 15°)，該夾角β與施加在奈米碳管陣列上的壓力有關，壓力越大，該夾角越小，優選地，該奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管平行於該生長基底排列。該奈米碳管碾壓膜為通過碾壓一奈米碳管陣列獲得，依據碾壓的方式不同，該奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管具有不同的排列形 式。當沿不同方向碾壓時，奈米碳管沿不同方向擇優取向排列。當沿同一方向碾壓時，奈米碳管沿一固定方向擇優取向排列。另外，當碾壓方向為垂直該奈米碳管陣列表面時，該奈米碳管可以無序排列。該奈米碳管碾壓膜中奈米碳管的長度大於50微米。

該奈米碳管碾壓膜的面積和厚度不限，可根據實際需要選擇。該奈米碳管碾壓膜的面積與奈米碳管陣列的尺寸基本相同。該奈米碳管碾壓膜厚度與奈米碳管陣列的高度以及碾壓的壓力有關，可為1微米~1毫米。可以理解，奈米碳管陣列的高度越大而施加的壓力越小，則製備的奈米碳管碾壓膜的厚度越大；反之，奈米碳管陣列的高度越小而施加的壓力越大，則製備的奈米碳管碾壓膜的厚度越小。所述奈米碳管碾壓膜之中的相鄰的奈米碳管之間具有一定間隙，從而在奈米碳管碾壓膜中形成複數個孔隙，孔隙的孔徑約小於10微米。

請參閱圖5，所述奈米碳管絮化膜包括複數個相互纏繞且均勻分佈的奈米碳管。奈米碳管的長度大於10微米，優選為200微米~900微米，從而使所述奈米碳管相互纏繞在一起。所述奈米碳管之間通過凡德瓦爾力相互吸引、纏繞，形成網路狀結構，以形成一自支撐的奈米碳管絮化膜。所述奈米碳管絮化膜各向同性。所述奈米碳管絮化膜中的奈米碳管為均勻分佈，無規則排列，形成大量的孔隙結構，孔隙孔徑約小於10微米。所述奈米碳管絮化膜的長度和寬度不限。由於在奈米碳管絮化膜中，奈米碳管相互纏繞，因此該奈米碳管絮化膜具有很好的柔韌 性，且為一自支撐結構，可以彎曲折疊成任意形狀而不破裂。所述奈米碳管絮化膜的面積及厚度均不限，厚度為1微米~1毫米，優選為100微米。

本實施例中，所述奈米碳管膜結構12包括複數個奈米碳管拉膜，該複數個奈米碳管拉膜平行重疊鋪設於所述柔性高分子基體14的表面，所述複數個奈米碳管拉膜中的奈米碳管的軸向排列方向基本相同，基本沿著柔性高分子基體14的長邊排列。從而形成一具有非對稱結構的電致伸縮材料10。

所述電致伸縮複合材料10在應用時，將電壓施加於該電致伸縮複合材料10的奈米碳管膜結構12的兩端，電流可通過上述奈米碳管122所形成的導電網路進行傳輸。由於奈米碳管122的熱導率很高，從而使得所述電致伸縮複合材料10的溫度快速升高，熱量從所述電致伸縮複合材料10中奈米碳管122的周圍快速地向整個電致伸縮複合材料10擴散，即奈米碳管膜結構12可迅速加熱柔性高分子基體14。由於熱膨脹量與材料的體積及熱膨脹係數成正比，且本實施例的電致伸縮複合材料10由兩層具有不同熱膨脹係數的奈米碳管膜結構12和柔性高分子基體14複合而成，從而使得加熱後的電致伸縮複合材料10將向熱膨脹係數小的奈米碳管膜結構12彎曲。此外，由於奈米碳管122具有導電性好、熱容小的特點，所以使該電致伸縮複合材料10的熱響應速率快。

請參閱圖6，另外，本實施例中通過導線將電源電壓施加於所述電致伸縮複合材料10的兩端的電極16，並對所述 的電致伸縮複合材料10進行伸縮特性測量。本實施例中的電致伸縮複合材料10為長34毫米，寬5毫米，厚度0.7毫米的長方體片材。施加一40伏特的電壓2分鐘後，在垂直於電流延伸的方向上，所述電致伸縮複合材料10的位移△S為16毫米左右。

可以理解，本發明實施例所提供的電致伸縮複合材料的制動方式不僅僅局限於通電加熱後膨脹，只要能夠使該電致伸縮複合材料受熱升溫的方法均可以應用於該電致伸縮複合材料。如，將該電致伸縮複合材料直接放置於溫控平臺，通過熱傳遞使之升溫，從而實現其彎曲膨脹。另外，還可以採用近紅外鐳射照射，進行光致加熱使其升溫，從而實現其彎曲膨脹。

請參閱圖7及圖8，本發明實施例提供一種採用所述電致伸縮複合材料10的電致伸縮元件20，其包括：一電致伸縮複合材料10、一第一電極22以及一第二電極24。所述第一電極22與第二電極24間隔設置，並與所述電致伸縮複合材料10電連接。所述電致伸縮複合材料10為具有一定厚度的片材。

所述第一電極22及第二電極24間隔設置，並與所述電致伸縮複合材料10中的奈米碳管膜結構12電連接。所述第一電極22及第二電極24為長條形金屬，其可以間隔設置於電致伸縮複合材料10中，也可以間隔設置於所述電致伸縮複合材料10兩端。本實施例中，所述電致伸縮複合材料10為長34毫米，寬5毫米，厚度0.7毫米的長方體片材，所述第一電極22及第二電極24為銅片，所述銅片設 置於所述電致伸縮複合材料10兩端。

具體應用時，將電壓施加於該電致伸縮元件20中的奈米碳管膜結構12的兩端的第一電極22及第二電極24，電流可通過奈米碳管膜結構12所形成的導電網路進行傳輸。由於奈米碳管122的熱導率很高，從而使得所述電致伸縮複合材料10的溫度快速升高，熱量從所述電致伸縮複合材料10中奈米碳管122的周圍快速地向整個電致伸縮複合材料10擴散，即奈米碳管膜結構12可迅速加熱柔性高分子基體14。由於熱膨脹量與材料的體積及熱膨脹係數成正比，且本實施例的電致伸縮複合材料10由兩層具有不同熱膨脹係數的奈米碳管膜結構12和柔性高分子基體14複合而成，從而使得加熱後的電致伸縮元件20將向熱膨脹係數小的奈米碳管膜結構12彎曲。此外，由於奈米碳管122具有導電性好、熱容小的特點，所以使該電致伸縮元件20的熱響應速率快。

本發明實施例所述的電致伸縮複合材料及電致伸縮元件具有以下優點：本發明提供的電致伸縮複合材料及電致伸縮元件，其包括柔性高分子基體，以及設置於高分子基體表面的奈米碳管膜結構，其結構簡單，製備工藝簡單、成本低。由於奈米碳管膜結構包括複數個間隙，柔性高分子基體材料浸潤入間隙當中，使得奈米碳管膜結構與柔性高分子基體之間具有較好的結合性，增加了該電致伸縮複合材料及電致伸縮元件使用壽命。由於奈米碳管膜結構與柔性高分子基體具有不同的熱膨脹係數，且所述奈米碳管膜結構僅設置於柔性高分子基體的表面 ，使得所述電致伸縮複合材料具有非對稱的結構，從而使得該電致伸縮複合材料及電致伸縮元件在受熱時會向一面彎曲。該電致伸縮複合材料及電致伸縮元件熱膨脹具有可彎曲性，從而可以應用於精確控制器件中。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

10‧‧‧電致伸縮複合材料

122‧‧‧奈米碳管

12‧‧‧奈米碳管膜結構

14‧‧‧柔性高分子基體

16‧‧‧電極

20‧‧‧電致伸縮元件

22‧‧‧第一電極

24‧‧‧第二電極

圖1為本發明實施例提供的電致伸縮複合材料的立體結構示意圖。

圖2為圖1所示的電致伸縮複合材料沿II-II線的剖視圖。

圖3為本發明實施例提供的電致伸縮複合材料中採用的奈米碳管拉膜的掃描電鏡照片。

圖4為本發明實施例提供的電致伸縮複合材料中採用的奈米碳管碾壓膜的掃描電鏡照片。

圖5為本發明實施例提供的電致伸縮複合材料中採用的奈米碳管絮化膜的掃描電鏡照片。

圖6為本發明實施例提供的電致伸縮複合材料伸縮前與通電伸縮後的對比示意圖。

圖7為本發明實施例提供的電致伸縮元件的立體結構示意圖。

圖8為圖7所示的電致伸縮複合材料沿III-III線的剖視圖。

10‧‧‧電致伸縮複合材料

122‧‧‧奈米碳管

14‧‧‧柔性高分子基體

12‧‧‧奈米碳管膜結構

Claims (25)

1. 一種電致伸縮複合材料，由一片狀柔性高分子基體以及一奈米碳管膜結構組成，其改良在於，所述奈米碳管膜結構設置在所述柔性高分子基體一表面，並與所述柔性高分子基體具有不同的熱膨脹係數，所述奈米碳管膜結構為複數個奈米碳管通過凡德瓦爾力結合而成。
2. 如申請專利範圍第項1所述的電致伸縮複合材料，其中，所述奈米碳管膜結構包括至少一個奈米碳管膜。
3. 如申請專利範圍第2項所述的電致伸縮複合材料，其中，所述奈米碳管膜結構包括複數個奈米碳管膜層疊鋪設於所述柔性高分子基體的表面。
4. 如申請專利範圍第2項所述的電致伸縮複合材料，其中，所述奈米碳管膜包括複數個奈米碳管，該奈米碳管膜中的複數個奈米碳管通過凡德瓦爾力首尾相連，所述複數個奈米碳管的軸向基本沿同一方向擇優取向排列。
5. 如申請專利範圍第2項所述的電致伸縮複合材料，其中，所述奈米碳管膜包括均勻分佈的奈米碳管，所述奈米碳管無序，沿不同方向排列。
6. 如申請專利範圍第2項所述的電致伸縮複合材料，其中，所述奈米碳管膜包括複數個奈米碳管，該複數個奈米碳管之間通過凡德瓦爾力相互吸引、纏繞，形成網路狀結構。
7. 如申請專利範圍第2項所述的電致伸縮複合材料，其中，所述奈米碳管膜的厚度為0.01微米至100微米。
8. 如申請專利範圍第1項所述的電致伸縮複合材料，其中，所述奈米碳管膜結構的熱膨脹率小於所述柔性高分子基體 的熱膨脹率。
9. 如申請專利範圍第8項所述的電致伸縮複合材料，其中，所述電致伸縮複合材料在受熱膨脹時，向奈米碳管膜結構的一側彎曲。
10. 如申請專利範圍第1項所述的電致伸縮複合材料，其中，所述奈米碳管膜結構中的複數個奈米碳管之間存在間隙，所述柔性高分子基體的材料滲透進入所述間隙當中，使得柔性高分子基體與奈米碳管膜結構緊密結合。
11. 如申請專利範圍第1項所述的電致伸縮複合材料，其中，所述奈米碳管膜結構與柔性高分子基體接觸的表面部分包埋於柔性高分子基體中。
12. 如申請專利範圍第1項所述的電致伸縮複合材料，其中，所述奈米碳管為單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管及多壁奈米碳管中的一種或幾種。
13. 如申請專利範圍第1項所述的電致伸縮複合材料，其中，所述柔性高分子基體的材料為矽橡膠、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨脂、環氧樹脂、聚丙烯酸乙酯、聚丙烯酸丁酯、聚苯乙烯、聚丁二烯、聚丙烯腈、聚苯胺、聚吡咯及聚噻吩中的一種或幾種的組合。
14. 一種電致伸縮複合材料，由一片狀柔性高分子基體以及一奈米碳管膜結構組成，其改良在於，所述奈米碳管膜結構為複數個奈米碳管通過凡德瓦爾力結合而成，所述柔性高分子基體部分地滲透進入該奈米碳管膜結構中的奈米碳管之間的間隙而令所述奈米碳管膜結構設置於所述柔性高分子基體一表面。
15. 如申請專利範圍第項14所述的電致伸縮複合材料，其中， 所述奈米碳管膜結構包括至少一個奈米碳管膜。
16. 如申請專利範圍第15項所述的電致伸縮複合材料，其中，所述奈米碳管膜結構包括複數個奈米碳管膜層疊鋪設於所述柔性高分子基體的表面。
17. 如申請專利範圍第16項所述的電致伸縮複合材料，其中，所述奈米碳管膜包括複數個奈米碳管，該奈米碳管膜中的複數個奈米碳管通過凡德瓦爾力首尾相連，所述複數個奈米碳管的軸向基本沿同一方向擇優取向排列。
18. 如申請專利範圍第16項所述的電致伸縮複合材料，其中，所述奈米碳管膜包括均勻分佈的奈米碳管，所述奈米碳管無序，沿不同方向排列。
19. 如申請專利範圍第16項所述的電致伸縮複合材料，其中，所述奈米碳管膜包括複數個奈米碳管，該複數個奈米碳管之間通過凡德瓦爾力相互吸引、纏繞，形成網路狀結構。
20. 如申請專利範圍第15項所述的電致伸縮複合材料，其中，所述奈米碳管膜的厚度為0.01微米至100微米。
21. 如申請專利範圍第14項所述的電致伸縮複合材料，其中，所述柔性高分子基體的材料為矽橡膠、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨脂、環氧樹脂、聚丙烯酸乙酯、聚丙烯酸丁酯、聚苯乙烯、聚丁二烯、聚丙烯腈、聚苯胺、聚吡咯及聚噻吩中的一種或幾種的組合。
22. 如申請專利範圍第14項所述的電致伸縮複合材料，其中，所述奈米碳管膜結構的熱膨脹率小於所述柔性高分子基體的熱膨脹率。
23. 如申請專利範圍第22項所述的電致伸縮複合材料，其中，所述電致伸縮複合材料在受熱膨脹時，向奈米碳管膜結構 的一側彎曲。
24. 一種電致伸縮元件，其包括：一電致伸縮複合材料；以及一第一電極與一第二電極，所述第一電極與第二電極間隔設置於所述電致伸縮複合材料，並與所述電致伸縮複合材料電連接；其中，所述電致伸縮複合材料為申請專利範圍第1至23項中任意一項所述的電致伸縮複合材料。
25. 如申請專利範圍第24項所述的電致伸縮元件，其中，所述第一電極及第二電極分別與所述奈米碳管膜結構電連接。