一种基于纳米碳材料薄膜的电热式泵型致动器及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于纳米碳材料薄膜的电热式泵型致动器及其制备方法，所述致动器的致动材料由纳米碳材料薄膜组成；所述的纳米碳材料薄膜可以通过真空抽滤法、干燥成膜法、逐层沉积法或化学气相沉积法等制备获得。本发明以纳米碳材料薄膜为致动材料的电热式泵型致动器通过电致热原理加热密封气体，使气体受热膨胀继而引起致动薄膜的变形，具有低电压响应、温度变化小、输出应力大、响应迅速及稳定性好等特点，而且致动器的制备过程简单。
【专利说明】一种基于纳米碳材料薄膜的电热式泵型致动器及其制备方 法
【技术领域】
[0001] 本发明属于微型致动器【技术领域】，具体涉及一种电热式泵型致动器及其制备方 法，尤其涉及一种基于纳米碳材料薄膜的电热式泵型致动器及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 电热式致动器可以实现电能向机械能的转变，其工作原理是首先将电能转换为热 能，在热的作用下引起材料变形，产生致动现象。该类致动器主要有两种类型：桥型和泵 型。桥型致动器的致动材料主要为导电材料与聚合物的复合材料，加电压后，材料温度升高 引起自身体积膨胀，实现致动。比如Chen等（L.Z. Chen, C.H. Liu et al. Electrothermal actuation based on carbon nanotubes network in silicone elastomer[J]. Apl. Phys.Lett.，2008,92,263104)以及 Hu 等（Y.Hu，G.Wang et al.Low-voltage-driven sustainable weightlifting actuator based on polymer-nanotube composite[J]. Macromol. Chem. Phys.，2011，212, 1671)利用碳纳米管与娃橡胶的复合材料制备了该类致 动器。这类致动器存在几个问题，包括所需驱动电压较高（高达几十伏），致动过程中材料 的温度变化较大（?200°C )，容易引起高温下材料的老化失效，材料受热膨胀所需的响应 时间长（几秒甚至几十秒）等，限制了其应用。
[0003] 现有的泵型致动器大多采用在一密闭腔室上覆盖一层聚合物薄膜，并在腔室内附 加电热材料组装而成。加电压后，电热材料温度升高并加热密封气体使其膨胀，在气体作用 下薄膜产生变形，实现致动。与桥型致动器相比，这类致动器的致动材料温度变化相对较 小，响应速度也较快，但是由于所用致动薄膜不导电，不能直接产生电致热效果，所以需要 附加电热材料产生热效应，从而使得制备过程和致动器结构复杂。
[0004] 因此，寻找一种实现致热材料与致动材料的一体化，简化致动器制备工艺，并能获 得好的致动效果的电热式泵型致动器是目前亟待解决的问题。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种电热式泵型致动器及其制备方法，特别是一种基于纳 米碳材料薄膜的电热式泵型致动器及其制备方法。
[0006] 为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
[0007] 第一方面，本发明提供了一种基于纳米碳材料薄膜的电热式泵型致动器，所述致 动器的致动材料由纳米碳材料组成。
[0008] 优选地，所述的纳米碳材料为碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯中的任意一种或至少 两种的混合物。
[0009] 进一步优选地，所述的纳米碳材料为碳纳米管与氧化石墨烯的混合物或碳纳米管 与石墨烯的混合物。
[0010] 优选地，所述的纳米碳材料采用真空抽滤法、干燥成膜法、逐层沉积法或化学气相 沉积法制得。
[0011] 进一步优选地，所述的纳米碳材料采用真空抽滤法制得。
[0012] 第二方面，本发明还提供了一种如第一方面所述的电热式泵型致动器的制备方 法，该方法包括以下步骤：
[0013] (1)将纳米碳材料的分散液制备成纳米碳材料薄膜；
[0014] (2)将纳米碳材料薄膜覆盖在聚四氟乙烯盒子上，并外接两片铜胶带作为电极，得 到纳米碳材料薄膜泵型致动器。
[0015] 优选地，步骤（1)所述的纳米碳材料为碳纳米管、石墨烯或氧化石墨烯中的任意 一种或至少两种的混合物。
[0016] 优选地，步骤（2)所述的制备采用真空抽滤法、干燥成膜法、逐层沉积法或化学气 相沉积法制备。
[0017] 与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
[0018] (1)本发明所述纳米碳材料薄膜的制备简单，且能够实现致热和致动的一体化，从 而简化了致动器的结构；
[0019] (2)本发明所述的纳米碳材料薄膜具有高的导电性，能够实现低电压下致动器的 驱动，并且致动过程中材料的温度变化小，能够获得优异的长期致动稳定性；
[0020] (3)本发明所述的纳米碳材料薄膜具有优异的力学性能，利用该薄膜制成的致动 器能获得大的输出应力；
[0021] (4)本发明所述的纳米碳材料薄膜具有高的热导率，使得致动器能够实现快速响 应；所述致动器在交流电压下可以实现周期性的致动及回复。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 图1为本发明电热式泵型致动器的致动原理示意图；
[0023] 图2为本发明制备的碳纳米管薄膜、石墨烯薄膜以及碳纳米管与氧化石墨烯杂化 薄膜的实物图；
[0024] 图3为本发明以碳纳米管薄膜、石墨烯薄膜以及碳纳米管与氧化石墨烯杂化薄膜 为致动材料并组装得到的泵型致动器的实物图；
[0025] 图4为10V，0. OlHz方波交流电驱动下各致动器的致动位移随时间的变化图。
【具体实施方式】
[0026] 下面通过【具体实施方式】来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明 了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
[0027] 本发明提供了一种基于纳米碳材料薄膜的电热式泵型致动器，所述致动器的致动 材料全部由纳米碳材料组成。
[0028] 纳米碳材料具有优异的性能，包括：（1)力学性能：碳纳米管和石墨烯均具有高达 ITPa的模量和几十甚至上百GPa的强度，是目前强度最高的材料之一；（2)电学性质：金属 型单臂碳纳米管和石墨烯表现出高于金属材料的导电性；纳米碳材料还具有良好的热稳定 性和化学稳定性等其它优异的性能。本发明采用纳米碳材料作为电热式泵型致动器的致 动材料，可以实现泵型致动器致热和致动的一体化，简化致动器制备，并能获得好的致动效 果。
[0029] 本发明中所述的纳米碳材料可以选自本领域常见的纳米碳材料，例如可以是碳纳 米管薄膜、石墨烯薄膜、碳纳米管与氧化石墨烯杂化薄膜以及碳纳米管与石墨烯杂化薄膜。 所述的纳米碳材料薄膜可以通过本领域常规的方法进行制备，例如通过真空抽滤法、干燥 成膜法、逐层沉积法或化学气相沉积法等进行制备。
[0030] 本发明还提供了一种电热式泵型致动器的制备方法，作为优选的实施方式，该方 法包括以下步骤：
[0031] (1)将30mg碳纳米管，600mg表面活性剂聚乙二醇辛基苯基醚（Triton X-100)加 入到IOOmL去离子水中，用细胞超声粉碎机在400w功率下超声30min，离心去掉沉降，得到 均匀分散的碳纳米管分散液；
[0032] (2)量取20mL碳纳米管分散液用真空抽滤的方法制备碳纳米管薄膜；
[0033] (3)将碳纳米管薄膜覆盖在聚四氟乙烯盒子上，并外接两片铜胶带作为电极，得到 碳纳米管薄膜泵型致动器。
[0034] 作为进一步优选的【具体实施方式】，本发明的电热式泵型致动器的制备方法包括以 下步骤：
[0035] (1)利用Hummer' s方法制备氧化石墨烯；
[0036] (2)将氧化石墨烯稀释为0. 2mg/mL，然后量取20mL氧化石墨烯分散液用真空抽滤 的方法制备氧化石墨烯薄膜；
[0037] (3)利用氢碘酸蒸汽对氧化石墨烯薄膜进行还原，得到石墨烯薄膜；
[0038] (4)将石墨烯薄膜覆盖在聚四氟乙烯盒子上，并外接两片铜胶带作为电极，得到石 墨烯薄膜泵型致动器。
[0039] 作为更进一步优选的【具体实施方式】，本发明的电热式泵型致动器的制备方法包括 以下步骤：
[0040] (1)利用Hummer' s方法制备氧化石墨烯并将其稀释为0· 2mg/mL ;
[0041] (2)将5mg碳纳米管，IOOmg表面活性剂聚乙二醇辛基苯基醚（Triton X-100)加 入到IOOmL浓度为0. 2mg/mL的氧化石墨烯水分散液中，用细胞超声粉碎机在400w功率下 超声30min，离心去掉沉降，得到均匀分散的碳纳米管和氧化石墨烯的杂化分散液；
[0042] (3)量取20mL上述分散液用真空抽滤的方法制备碳纳米管与氧化石墨烯的杂化 薄膜；
[0043] (4)将碳纳米管与氧化石墨烯杂化薄膜覆盖在聚四氟乙烯盒子上，并外接两片铜 胶带作为电极，得到碳纳米管与氧化石墨烯杂化薄膜泵型致动器。
[0044] 本发明所采用的电热式泵型致动器的组装方法为：致动器的底部部分为绝缘绝热 的聚四氟乙烯盒子，盒子一端开口；在盒子开口端的四个边缘粘一层双面胶；所述的盒子 尺寸取决于不同的应用场合；将本发明制备的纳米碳材料薄膜通过双面胶粘到聚四氟乙烯 盒子开口端，密封住盒子内的气体；最后在纳米碳材料薄膜上外加两片铜导电胶带作为电 极，对致动器施加电压后实现致动。
[0045] 本发明的电热式泵型致动器的工作原理如图1所示，具体原理为：通过外加电极 对纳米碳材料薄膜施加电压后，由于焦耳效应，纳米碳材料薄膜的温度升高，纳米碳材料薄 膜密封住的气体被加热然后膨胀，由于气体膨胀使得纳米碳材料薄膜产生鼓起变形。
[0046] 以下将结合附图和具体实施例详细阐述和理解本发明。
[0047] 实施例1
[0048] 利用真空抽滤法制备碳纳米管薄膜并组装致动器，具体步骤如下：
[0049] (1)将30mg碳纳米管，600mg表面活性剂聚乙二醇辛基苯基醚（Triton X-100)加 入到IOOmL去离子水中，用细胞超声粉碎机在400w功率下超声30min，离心去掉沉降，得到 均匀分散的碳纳米管分散液；
[0050] (2)量取20mL碳纳米管分散液用真空抽滤的方法制备碳纳米管薄膜，其外观如图 2所示；
[0051] (3)将碳纳米管薄膜覆盖在聚四氟乙烯盒子上，并外接两片铜胶带作为电极，得到 碳纳米管薄膜泵型致动器，其外观如图3所示。
[0052] 实施例2
[0053] 利用真空抽滤法制备氧化石墨烯薄膜，然后对其进行还原得到石墨烯薄膜并组装 致动器，具体步骤如下：
[0054] (1)利用Hummer' s方法制备氧化石墨烯；
[0055] (2)将氧化石墨烯稀释为0. 2mg/mL，然后量取20mL氧化石墨烯分散液用真空抽滤 的方法制备氧化石墨烯薄膜；
[0056] (3)利用氢碘酸蒸汽对氧化石墨烯薄膜进行还原，得到石墨烯薄膜，其外观如图2 所示；
[0057] (4)将石墨烯薄膜覆盖在聚四氟乙烯盒子上，并外接两片铜胶带作为电极，得到石 墨烯薄膜泵型致动器，其外观如图3所示。
[0058] 实施例3
[0059] 利用真空抽滤法制备碳纳米管/氧化石墨烯杂化薄膜并组装致动器，具体步骤如 下：
[0060] (1)利用Hummer' s方法制备氧化石墨烯并将其稀释为0. 2mg/mL ;
[0061] (2)将5mg碳纳米管，IOOmg表面活性剂聚乙二醇辛基苯基醚（Triton X-100)加 入到IOOmL浓度为0. 2mg/mL的氧化石墨烯水分散液中，用细胞超声粉碎机在400w功率下 超声30min，离心去掉沉降，得到均匀分散的碳纳米管和氧化石墨烯的杂化分散液；
[0062] (3)量取20mL上述分散液用真空抽滤的方法制备碳纳米管与氧化石墨烯的杂化 薄膜，其外观如图2所示；
[0063] (4)将碳纳米管与氧化石墨烯杂化薄膜覆盖在聚四氟乙烯盒子上，并外接两片铜 胶带作为电极，得到碳纳米管与氧化石墨烯杂化薄膜泵型致动器，其外观如图3所示。
[0064] 实施例4 :
[0065] 对实施例1-3中得到的基于纳米碳材料的电热式泵型致动器进行致动测试。通 过外接电极向致动器施加幅度为10V，频率为0. IHz的方波交流电，得到各致动器位移的变 化，结果如图4所示，各致动器的输出应力和响应时间如表1所示。
[0066] 表 1
[0067]
【权利要求】
1. 一种基于纳米碳材料薄膜的电热式泵型致动器，其特征在于：所述致动器的致动材 料由纳米碳材料组成。
2. 如权利要求1所述的电热式泵型致动器，其特征在于，所述的纳米碳材料为碳纳米 管、石墨烯、氧化石墨烯中的任意一种或至少两种的混合物。
3. 如权利要求1或2所述的电热式泵型致动器，其特征在于，所述的纳米碳材料为碳纳 米管与氧化石墨烯的混合物或碳纳米管与石墨烯的混合物。
4. 如权利要求1-3任一项所述的电热式泵型致动器，其特征在于，所述的纳米碳材料 采用真空抽滤法、干燥成膜法、逐层沉积法或化学气相沉积法制得。
5. 如权利要求1-4任一项所述的电热式泵型致动器，其特征在于，所述的纳米碳材料 采用真空抽滤法制得。
6. 如权利要求1-5任一项所述的电热式泵型致动器的制备方法，其特征在于，包括以 下步骤： (1) 将纳米碳材料的分散液制备成纳米碳材料薄膜； (2) 将纳米碳材料薄膜覆盖在聚四氟乙烯盒子上，并外接两片铜胶带作为电极，得到纳 米碳材料薄膜泵型致动器。
7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤（1)所述的纳米碳材料为碳纳米管、石 墨烯或氧化石墨烯中的任意一种或至少两种的混合物。
8. 如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，步骤⑵所述的制备采用真空抽滤法、 干燥成膜法、逐层沉积法或化学气相沉积法制备。
【文档编号】H01L41/22GK104393165SQ201410662624
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月19日 优先权日:2014年11月19日
【发明者】柳青, 刘璐琪, 张忠 申请人:国家纳米科学中心