电致动材料及其制备方法和采用该电致动材料的致动器的制造方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及电致动材料领域，尤其涉及电致动材料及其制备方法和采用该电致动材料的致动器。
【背景技术】
[0002]致动器的工作原理为将其它能量转换为机械能，实现这一转换经常采用的途径有三种:通过静电场转化为静电力，即静电驱动；通过电磁场转化为磁力，即磁驱动；利用材料的热膨胀或其它热特性实现能量的转换，即热驱动。
[0003]静电驱动的致动器一般包括两个电极及设置在两个电极之间的电致动元件，其工作过程为在两个电极上分别注入电荷，利用电荷间的相互吸引和排斥，通过控制电荷数量和电负性来控制电极间电致动元件的相对运动。但是由于静电力反比于电容板之间距离的平方，因此一般只有在电极间距很小时静电力才比较显著，该距离的要求使该致动器的结构设计较为复杂。
[0004]磁驱动的致动器一般包括两个磁极及设置在两个磁极之间的电致动元件，其工作是通过磁场的相互吸引和排斥作用使两磁极之间的电致动元件产生相对的运动，但是磁驱动的缺点和静电驱动相同，即由于磁场作用范围有限，导致电致动元件的上下两个表面必须保持较小的距离，该结构的设计要求严格且也限制了该致动器的应用范围。
[0005]而利用热驱动的致动器克服了上述静电驱动和磁驱动致动器的缺点，该致动器结构只要能够保证获得一定的热能就能产生相应的形变，另外，相对于静电力和磁场力，热驱动力较大。现有技术公开一种电热式致动器，请参见“基于热膨胀效应的微电热式致动器进展”，匡一宁等，电子器件，V0122，pl62 (1999)。该电热式致动器采用两片热膨胀系数不同的金属结合成双层结构作为电致伸缩元件，当通入电流受热时，由于一片金属的热膨胀量大于另一片，双金属片将向热膨胀量小的一方弯曲。然而，由于上述电致动材料采用金属结构，其柔性较差，导致整个电热式致动器热响应速度较慢。
[0006]碳基材料是近几年倍受关注的材料，尤其是碳纳米管。碳纳米管具有许多优异的性能，可应用于诸多领域。碳纳米管是由石墨片卷成的无缝中空管体，由于在碳纳米管内电子的量子限域作用，电子只能在石墨片中沿着碳纳米管的轴向运动，因此碳纳米管表现出独特的电学性能和热学性能。研究测试结果表明，碳纳米管的平均电导率可达到100?2000S/m (西门子/米)。此外，碳纳米管还具有优良的力学性能，如，较高的强度和模量。
[0007]碳纳米管纸，顾名思义，是将碳纳米管通过若干步骤制备为薄膜、纸张状的宏观材料。目前，碳纳米管纸的制备方法主要包括碳纳米管的选择、溶液系分散、抽滤及烘干成型等基本步骤。由于需要先将碳纳米管分散在溶液中，该制备方法所制得的碳纳米管纸中碳纳米管的取向无法确定，碳纳米管纸中碳纳米管的密度较低，从而大大影响了碳纳米管纸的性能，而且不利于大规模生产。现有一种新型碳纳米管纸的制备方法是可从碳纳米管阵列中用干法抽拉出碳纳米管薄膜，而后将薄膜层层堆叠起来，即形成具有择优取向排列的碳纳米管纸。
[0008]现有基于碳纳米管的电致动器仍存在以下几个缺点:
1、所需驱动电压较高，仍需要几十伏的电压进行驱动；
2、响应时间较长，需要大几十秒甚至是分钟数量级；
3、通常采用原位聚合的方式制备或需要溶液进行辅助，所需时间较长，不利于工业化生产；
4、致动器的形变量仍然有待进一步提高。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种柔性的电致动材料及快速制备方法，以及一种低电压驱动、热响应速度极快、大形变的电致动器。
[0010]本发明采用的技术方案是:
一种电致动材料，包括第一材料层、第二材料层以及位于第一材料层和第二材料层之间的粘结剂层，所述第一材料层、粘结剂层和第二材料层层叠设置，且第一材料层与第二材料层的热膨胀系数不同，所述第一材料层为碳纳米管纸，所述第二材料层为聚合物薄膜。
[0011]所述第一材料层和第二材料层通过粘结剂层采用粘结、压合的方式层叠设置。
[0012]所述第一材料层的厚度为0.1 μπι?1mm，所述第二材料层的厚度为I μπι?5mm，所述粘结剂层14的厚度为I μπι?0.5_。
[0013]所述碳纳米管纸包括至少一层的碳纳米管薄膜。所述碳纳米管薄膜包括多个碳纳米管，所述多个碳纳米管通过范德华力首尾相连，所述多个碳纳米管的轴向基本沿同一方向择优取向排列。
[0014]所述粘结剂层的粘结剂采用光固化胶、热固化胶、非导电性固化胶中的一种或两种以上的组合。
[0015]所述粘结剂层的粘结剂为聚乙烯醇、α -氰基丙烯酸乙酯、亚克力胶、光固化胶和热固化胶中的一种或几种的组合。
[0016]所述第二材料层为双向拉伸聚丙烯，聚丙烯，聚乙烯，硅橡胶、氟硅橡胶、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨脂、环氧树脂、聚丙烯酸乙酯、聚丙烯酸丁酯、聚苯乙烯、聚丁二烯和聚丙烯腈中的一种或几种的组合。
[0017]所述碳纳米管纸的热膨胀系数小于所述聚合物薄膜的热膨胀系数本发明公开一种电致动材料的制备方法，其包括以下步骤:
步骤一:形成一由碳纳米管纸构成第一材料层；
步骤二:形成一由已聚合完成的聚合物薄膜构成的第二材料层；
步骤三:将作为粘结剂层的粘结剂均匀覆盖在聚合物薄膜构成的第二材料层上；步骤四:通过粘结剂层采用粘结、压合的方式将碳纳米管纸构成第一材料层与聚合物薄膜构成的第二材料层层叠组合在一起。
[0018]形成所述聚合物薄膜的方法包括缩聚反应、聚加反应、自由基聚合反应、阴离子聚合反应和阳离子聚合反应，根据第二材料层聚合物单体种类的不同选取相应的方法形成所述聚合物薄膜。
[0019]将粘结剂层均匀分布在第二材料层上的方法包括旋涂法、提拉法和涂抹法。
[0020]本发明还公开一种卷曲型电致动器，其包括一采用所述的电致动材料，至少一第一电极与至少一第二电极，所述至少一第一电极与至少一第二电极间隔设置于所述电致动材料上，并与所述电致动材料电连接；
在所述第一电极及第二电极通电时，所述的卷曲型电致动器向碳纳米管纸的表面方向弯曲。
[0021]所述的卷曲型电致动器实现弯曲角度大于360°的卷曲式形变。
[0022]本发明采用以上技术方案，本申请的有益效果在于:与现有技术相比较，所述的电致动材料具有以下优点:其一，制备流程简单，生产时间短，可以短时间大规模制备；其二，采用柔性聚合物与碳纳米管纸作为主要材料，使得所述电致动器具有柔性，且兼具碳纳米管良好的电学与力学性能；其三，所述电致动器响应迅速，形变幅度大，可实现弯曲角度大于360°的卷曲形变，性能远优于目前所报道的同类型致动器。
【附图说明】
[0023]以下结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步详细说明；
图1为本发明的电致动材料的结构示意图；
图2为本发明的卷曲型电致动器的结构示意图；
图3为本发明的卷曲型电致动器的通电后的致动效果示意图。
【具体实施方式】
[0024]实施例1:
如图1至图3之一所示，本发明提供一种电致动材料10，所述电致动材料10包括第一材料层13、粘结剂层14和第二材料层15。第一材料层13、粘结剂层14、第二材料层15具有相同的长度和宽度，且它们层叠设置，第一材料层与第二材料层的热膨胀系数不同。
[0025]所述第一材料层13为碳纳米管纸。该碳纳米管纸包括至少一层碳纳米管薄膜，当所属碳纳米管纸13包括多层碳纳米管薄膜时，所述碳纳米管膜的层数不限，该多个碳纳米管薄膜可并排设置或层叠设置，且薄膜包含多个碳纳米管，该多个碳纳米管基本互相平行且平行于碳纳米管纸的表面。具体地，该碳纳米管纸中的多个碳纳米管通过范德华力首尾相连，且所述多个碳纳米管的轴向基本沿同一方向择优取向排列。
[0026]在本实施例中，所述第一材料层13的厚度可以为0.1 μπι?1mm。
[0027]优选地，所述碳纳米管纸的厚度为7 μm，包含碳纳米管薄膜层数为400层。
[0028]所述粘结剂层14的粘结剂可以为聚乙烯醇，α -氰基丙烯酸乙酯，亚克力胶，光固化胶，热固化胶，非导电性固化胶等中的一种或几种的组合，但不局限于这些材料。
[0029]在本实施例中，所述粘结剂层14的厚度可以为I μ m?0.5mm。
[0030]优选地，粘结剂为亚克力胶，厚度为5 μ m0
[0031]所述第二材料层15为聚合物，可以为双向拉伸聚丙稀，聚丙稀，聚乙稀，娃橡胶、氟硅橡胶、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨脂、环氧树脂、聚丙烯酸乙酯、聚丙烯酸丁酯、聚苯乙烯、聚丁二烯、聚丙烯腈等中的一种或几种的组合，但不局限于这些材料。
[0032]在本实施例中，所述第二材料层的厚度可以为I μπι?5mm。
[0033]优选地，聚合物为双向拉伸聚丙烯，厚度为35 μ m。
[0034]第一材料层13碳纳米管纸与第二材料层15聚合物薄膜的厚度比可为1:2?1:200，优选地，该