基于石墨烯/纳米银-乳胶膜的电热相变执行器及其制作方法技术

本发明专利技术公开了基于石墨烯/纳米银‑乳胶膜的电热相变执行器及其制作方法，其是以石墨烯/纳米银/硅橡胶作为热反馈基底、以酒精作为相变材料、以可拉伸的弹性乳胶膜作为致动膜。本发明专利技术采用倒模‑粘连‑注射的方法制成反馈力可控的电热相变执行器，与现有的执行器相比，本发明专利技术的执行器具有制作简单、反馈力量程大、驱动电压低和反馈力可控的特性，可用于医学、水下探测、机械手以及可穿戴器件。

Electrothermal phase change actuator based on graphene/nano-silver-latex film and its fabrication method

The present invention discloses an electrothermal phase change actuator based on graphene/nano-silver latex film and its fabrication method, which uses graphene/nano-silver/silicone rubber as thermal feedback substrate, alcohol as phase change material, and stretchable elastic latex film as actuating film. The electrothermal phase change actuator with controllable feedback force is manufactured by means of inverted mode, adhesion and injection. Compared with the existing actuators, the actuator has the characteristics of simple fabrication, large feedback force range, low driving voltage and controllable feedback force, and can be used in medicine, underwater detection, manipulator and wearable devices.

【技术实现步骤摘要】
基于石墨烯/纳米银-乳胶膜的电热相变执行器及其制作方法
本专利技术属于电热相变执行器领域，具体涉及一种基于石墨烯/纳米银-乳胶膜的反馈力可控的电热相变执行器及制作方法。
技术介绍
执行器是通过控制信号将其他形式的能量(包括化学能、光能、电能和热能)转换为机械能的装置。反馈广泛应用于人机交互、假肢、医疗设备、仿生应用、触觉显示和货物运输等领域。由P.Yuan等人研究的可编程软化学机械致动器使用化学反应将化学能转化为机械能。但是，这种执行器的明显缺点是响应时间长、重复性差。因此有必要更换化学溶液以保持执行器的性能。目前大多数研究都是基于电活性聚合物致动器。这类执行机构主要分为两大类：电子式和离子式，并且大部分采用片状结构。电子式执行器使用材料的热胀冷缩原理产生变形。通过将两种或多种具有不同热膨胀系数的材料粘合在一起，温度变化会导致材料收缩或膨胀，最终弯曲并产生反馈力。在早期的研究中，所使用的材料通常是金属、石墨烯或氧化石墨烯。在最近的研究中，研究人员发现超对齐的碳纳米管具有更好的性能。单壁碳纳米管/聚合物基驱动器具有透明特征，预计将在隐形机器人中发展。李庆伟等研究了低电压驱动(20-200V)的各向异性碳纳米管薄片致动器，可以仿生人手弯曲运动。开发这种执行器的研究人员努力降低驱动电压，缩短响应时间并增加反馈力。需要解决的关键科学问题表现出相互对立的关系，很难在一项研究中全部实现。经过长时间的研究，驱动电压一般降至50V以下，最近的研究成果中驱动电压已经低于20V。电活性聚合物致动器的反馈力很难进一步提高。因为为了保证灵活性和快速性，所以对厚度的要求非常高(通常不超过1mm)，这大大限制了反馈力的大小，一般情况下只能托起一块轻海绵。研究人员不仅限于电刺激执行器的研究。他们还研究了对光照、湿度和温度敏感的致动器。一些执行器可以同时响应多个刺激，这可以提高响应速度并且可以向两侧弯曲以满足更复杂的要求。氧化石墨烯和石墨烯由于其膨胀性质而经常用作湿敏材料。MingcenWeng等人的研究是利用铅笔在纸上沉积制成双向弯曲响应执行器，可同时响应湿度和光照，使传感器处于不同的湿度环境中，可以通过纸张对湿气的敏感性来实现致动器的双向弯曲。由于传统的执行机构只提供很小的反馈力，因此气动执行机构提供的大反馈力是研究人员所青睐的。现有的气动执行器通过给柔性气囊充气实现膨胀。然而，这种方法需要外接一个充气装置，所以它不灵活并且不容易控制。因此，解决大反馈力、灵活性和可控性的问题是目前执行器发展的趋势。
技术实现思路
本专利技术基于倒模-粘连-注射的方法，提出一种基于石墨烯/纳米银-乳胶膜的电热相变执行器及制作方法，旨在解决现有执行器驱动电压大、反馈力较小、反馈力不可控的问题，使其适用于需精确控制反馈状态的场合。本专利技术解决技术问题，采用如下技术方案：本专利技术基于石墨烯/纳米银-乳胶膜的电热相变执行器，其特点在于：所述电热相变执行器包括热反馈基底；所述热反馈基底是以石墨烯和纳米银作为导电填料，与硅橡胶混合并经成型获得；在所述热反馈基底上设有凹槽，并在所述热反馈基底上表面封装有乳胶膜盖片，使所述凹槽成为存储有相变材料酒精的密闭腔体；所述乳胶膜盖片是在一与所述热反馈基底上表面等大的铜片外包裹有一可拉伸柔性乳胶膜；所述乳胶膜盖片在位于所述热反馈基底凹槽的正上方区域的铜片裸露，且设置有若干通孔，使铜片上表面的乳胶膜与热反馈基底的凹槽连通。本专利技术反馈力可控的电热相变执行器以石墨烯/纳米银/硅橡胶作为热反馈基底，以酒精作为执行器的相变材料，以可拉伸的弹性乳胶膜作为执行器的致动膜。进一步地，在所述导电填料中，石墨烯和纳米银的质量比为1：4.5；所述导电填料的质量占所述导电填料与所述硅橡胶总质量的45％～55％。进一步地，通过用占空比可调的方波信号给所述电热相变执行器供电，使所述电热相变执行器在不同占空比下达到不同的吸热和散热平衡的稳定状态，从而获得不同的反馈力。更进一步地，所述电热相变执行器实现了乳胶膜的位移和反馈力的可控，且实现了反馈力0.02N的阶梯差控制，最大反馈力超过1N。用占空比可调的方波信号驱动执行器，执行器通过乳胶膜的膨胀和收缩达到吸热和散热的平衡，以实现反馈状态或反馈力可控的功能。占空比越大，酒精的气化速率越快，乳胶膜膨胀的越高，反馈力越大，反之亦然。进一步地，所述热反馈基底为长方体形，方便储存酒精，且多面加热，速度快。上述基于石墨烯/纳米银-乳胶膜的电热相变执行器的制作方法，包括如下步骤：步骤1、称取石墨烯和纳米银溶于溶剂石脑油中，搅拌均匀后，依次进行30分钟超声分散和2小时磁力搅拌，再加入硅橡胶并继续磁力搅拌，直到混合溶液呈现半固态，获得复合导电胶体；将所述复合导电胶体倒入模具中，在室温下风干，得到设有凹槽的热反馈基底；步骤2、取与所述热反馈基底上表面等大的铜片，在铜片与所述热反馈基底的凹槽所对应的区域内开设若干通孔；用乳胶膜包裹铜片上除与热反馈基底的凹槽所对应的位置之外的所有区域，并通过环氧树脂AB胶粘连，获得乳胶膜盖片；步骤3、将所述乳胶膜盖片与所述热反馈基底通过环氧树脂AB胶粘连，使凹槽成为密闭腔体；步骤4、用注射器从所述热反馈基底的一侧向所述密闭腔体内注入酒精，使酒精充满密闭腔体，然后在热反馈基底的两侧通过导电银浆连接电极，再在室温下固化后，即获得反馈力可控的基于石墨烯/纳米银-乳胶膜的反馈力可控的电热相变执行器。为使乳胶膜和热反馈基底黏附的更牢固，本专利技术先用乳胶膜包覆住带通孔的铜片制成方形的顶盖，然后再和热反馈基底粘接，可保证当乳胶膜膨胀后，粘结部分的乳胶膜受到的是水平的拉力，而不是纵向的拉力，保证黏附的更牢固。根据功率计算公式：P＝U2/R得到，在驱动电压不变的情况下，功率和电阻呈反比关系，所以为了加快热反馈基底的加热速率，就需要使热反馈基底电阻率较低。纳米银颗粒吸附在石墨烯表面，两者的协同作用可以有效的降低电阻率。本专利技术中石墨烯和纳米银的质量比是1：4.5，占所制备热反馈基底总质量的45％～55％。当石墨烯和纳米银的质量比过大时，只有较少的纳米银颗粒分布在石墨烯表面，协同作用较差，导致电阻率较高；当石墨烯和纳米银的质量比较小时，纳米银出现团聚现象，影响石墨烯的导电性能，导致电阻率较高。与已有技术相比，本专利技术的有益效果体现在：1、本专利技术采用倒模-粘连-注射的方法制成反馈力可控的电热相变执行器，与现有的执行器相比，本专利技术的执行器具有制作简单、反馈力量程大、驱动电压低和反馈力可控的特性，可用于医学、水下探测、机械手以及可穿戴器件。2、本专利技术选用石墨烯和纳米银作为复合导电填料，石墨烯纳米片的法向电导率比面内电导率小两个数量级。填充的纳米银附着在石墨烯的表面，可促进石墨烯表面的电子交换，明显降低复合材料的电阻率，可提高热反馈基底的热响应速率，并且纳米银作为一种金属材料，可以进一步提高其热响应速率。3、本专利技术选用酒精作为电热相变执行器腔体的填充物，因为酒精的沸点低、易挥发，所以酒精作为电热相变执行器腔体的填充物使电热相变执行器更容易启动，即大大降低了驱动电压。4、本专利技术的执行器在工作时，酒精蒸发使电热相变执行器腔内气压增大，促使乳胶膜膨胀，乳胶膜向上位移提供反馈力，这种由气压提供的反馈力明显高于现有的其他类型的执行器所提供反馈本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于石墨烯/纳米银‑乳胶膜的电热相变执行器，其特征在于：所述电热相变执行器包括热反馈基底；所述热反馈基底是以石墨烯和纳米银作为导电填料，与硅橡胶混合后成型获得；在所述热反馈基底上设有凹槽，并在所述热反馈基底上表面封装有乳胶膜盖片，使所述凹槽成为存储有相变材料酒精的密闭腔体；所述乳胶膜盖片是在一与所述热反馈基底上表面等大的铜片外包裹有一可拉伸柔性乳胶膜；所述乳胶膜盖片在位于所述热反馈基底凹槽的正上方区域的铜片裸露，且设置有若干通孔，使铜片上表面的乳胶膜与热反馈基底的凹槽连通。

【技术特征摘要】
1.基于石墨烯/纳米银-乳胶膜的电热相变执行器，其特征在于：所述电热相变执行器包括热反馈基底；所述热反馈基底是以石墨烯和纳米银作为导电填料，与硅橡胶混合后成型获得；在所述热反馈基底上设有凹槽，并在所述热反馈基底上表面封装有乳胶膜盖片，使所述凹槽成为存储有相变材料酒精的密闭腔体；所述乳胶膜盖片是在一与所述热反馈基底上表面等大的铜片外包裹有一可拉伸柔性乳胶膜；所述乳胶膜盖片在位于所述热反馈基底凹槽的正上方区域的铜片裸露，且设置有若干通孔，使铜片上表面的乳胶膜与热反馈基底的凹槽连通。2.根据权利要求1所述的电热相变执行器，其特征在于：在所述导电填料中，石墨烯和纳米银的质量比为1：4.5；所述导电填料的质量占所述导电填料与所述硅橡胶总质量的45％～55％。3.根据权利要求1所述的电热相变执行器，其特征在于：通过用占空比可调的方波信号给所述电热相变执行器供电，使所述电热相变执行器在不同占空比下达到不同的吸热和散热平衡的稳定状态，从而获得不同的反馈力。4.根据权利要求3所述的电热相变执行器，其特征在于：所述电热相变执行器实现了乳胶膜的位移和反馈力的可控，且实现了反馈力0...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄英，胡伟，刘平，郭小辉，郝超，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34