一种太阳光驱动的柔性薄膜致动器制造技术

本发明专利技术涉及一种柔性薄膜致动器，特别涉及一种太阳光驱动的柔性薄膜致动器。通过两步法连续磁控溅射，将纳米晶金属薄膜与FEP塑料结合，制备出纳米晶金属薄膜/柔性全氟乙烯丙烯共聚物薄膜，制备的薄膜轻薄、薄膜层间结合力强，且制备方法简单、可大规模工业生产。利用两层薄膜之间的热膨胀系数差异以及金属薄膜的高热传导系数，制备出可实现大幅度形变的柔性薄膜致动器。制备的光驱动柔性薄膜致动器具有对太阳光的高灵敏性、环境中长期稳定性、可以任意裁剪拼接等特性。

A flexible thin film actuator driven by sunlight

【技术实现步骤摘要】
一种太阳光驱动的柔性薄膜致动器
本专利技术涉及一种柔性薄膜致动器，特别涉及一种基于纳米晶金属薄膜/柔性全氟乙烯丙烯共聚物基底的太阳光驱动的柔性仿生薄膜致动器。
技术介绍
飞行类动物的飞行动力来源于全身复杂肌肉群协同控制翅膀拍打空气，而人造飞行器的推动力主要通过化石燃料的燃烧喷射或驱动螺旋桨旋转获取。模仿飞行类动物，通过煽动“翅膀”实现持续运动一直是仿生机器人领域的重点研究领域。相对比于刚性结构，柔性薄膜致动器可以大幅降低类“煽动”驱动的机械和算法的复杂性。柔性致动器由柔性材料组合构造，能够将外部刺激，如光、热、湿度等，转化为复杂的机械形变，在仿生设备、微型机器人、智能设备等领域有着广泛的应用。光驱动因具有无线化、可控化等优点而广受关注。太阳光取之不尽用之不竭、安全清洁。太阳光驱动是目前光驱动柔性致动器领域中非常重要的研究方向，同时利于光驱动柔性致动器在自然环境中的应用。常见的光驱动柔性致动器的工作原理是利用高能光强刺激具有光敏性的液晶聚合物产生分子取向变化或者利用光热转换使层状柔性器件不同层之间形成热膨胀差异，从而实现可以对热、光等实现复杂的力学响应。光敏性液晶聚合物一般形变程度较小且需要高强度光源刺激，仅有的将外部光刺激转化为可持续连续运动的“毛毛虫”结构需要外部硬框架的协同约束，还需要高达540mW/cm2的光强刺激。利用光-热转换的光驱动柔性机器人同样需要高强度光源，目前利用可见光驱动的研究很少，结构通常为碳纳米管/柔性基底，光驱动时器件形变程度较小，且只能通过设定光源周期性开关实现持续运动。<br>
技术实现思路
针对
技术介绍
中的利用高能光源驱动且只能通过设定光源周期性开关实现持续运动的光驱动柔性致动器的局限性，本专利技术提出一种基于纳米晶金属薄膜/柔性全氟乙烯丙烯共聚物基底的类似蝴蝶翅膀的太阳光驱动的柔性仿生薄膜致动器的制备方法，该光驱动柔性薄膜致动器通过持续扑动，同鸟类煽动翅膀飞行相似，持续拍打空气产生反作用力，能够在太阳光的作用下持续产生驱动力，为未来光驱动轻量化设备或仿生飞行提供一定的参考与借鉴。本专利技术通过下述技术方案予以实现：(1)：柔性基底处理将柔性全氟乙烯丙烯共聚物薄膜(FEP)裁剪成7cm×7cm尺寸，依次用丙酮、无水乙醇清洗(超声清洗1h，去除表面灰尘、油污)，然后使用氧等离子体清洗机进行处理(对处理物表面改性，提高处理物表面能，增加吸附力及均匀性；同时等离子清洗机可以去除处理物表面的污染物)。其中，全氟乙烯丙烯共聚物薄膜具有135×10-6/K的热膨胀系数。(2)：制备第一层金属薄膜将处理过的FEP薄膜平铺在磁控溅射托盘上，两端通过高温胶带固定，首先在5.0-6.0Pa的腔压下，通过30-50W射频磁控溅射预溅射金属靶材10-20s，形成结合力较好的第一层超薄纳米晶金属薄膜，厚度约为几纳米。(3)制备第二层金属薄膜在3.0-5.0Pa的腔压下，通过30-40W直流磁控溅射金属靶材40-60min，沉积的纳米晶金属薄膜层总厚度为200-500nm，晶粒尺寸为30-50nm。使用的金属靶材包括Sn、Cu、Mo、Sb2Se3等，磁控溅射型号为SP-SS4-A00。纳米晶金属薄膜与柔性全氟乙烯丙烯共聚物薄膜的结合力为500-1000kPa。本专利技术方法先用射频溅射沉积一层超薄的致密的金属层，在不影响致动性能的基础上提高后续直流溅射的金属与柔性衬底的结合力；沉积条件为高气压低电压，保证溅射粒子到达薄膜表面后自由能较小，不会形成较大的晶粒。(4)：结构设计①通过简单的剪裁，将柔性薄膜制成旋转风车的驱动源，以在无风的环境中推动日光下的连续旋转。旋转风车由六个叶片，一个骨架和一个旋转轴组成。使用柔性薄膜制备的每个叶片均为15mm×20mm，短边沿顺时针方向粘附在通过3D打印制备的骨架上。3D打印设备由闪锐科技提供，原材料为聚乳酸，通过Solidworks构建三维模型，导入3D打印设备，自行打印出需要的骨架结构，打印成品照片见图13。骨架尺寸为3毫米×30毫米。旋转轴由直径为5毫米，深度为20毫米的玻璃盖(常州市裕华玻璃厂，5mm圆底直管)和一根细针(临沂双鹤制针厂)组成，该细针嵌入框架的中间，以确保设备的整体平衡。最后，将整个装置固定在橡胶基底上。在100mW/cm2模拟阳光下的转速为8转/分钟。②使用柔性薄膜和厚度为100μm的FEP薄膜制备了带有水上定向航行的阳光驱动透明帆船。厚度为100μm的FEP用作船体和桅杆，船体尺寸为25mm×80mm，桅杆高度为30mm。FEP膜具有足够的疏水性，可以直接漂浮在水上。用柔性薄膜致动器制成的轻帆的尺寸为25mm×30mm，短边粘附在桅杆上。设备的总重量为0.7330g，轻帆重量为0.0312g，帆船的重量约为柔性薄膜致动器的22.5倍。光驱动帆船在真实太阳光下进行水上航行测试，其实时光强度为67mW/cm2(水平放置光功率计)时，帆船的前进速度为5.4mm/s。以上的仿生应用表明，柔性薄膜致动器可以在阳光下为轻型设备提供足够的连续功率。这有可能为自然环境中的软机器人的设计和应用提供参考。③在100mW/cm2的连续模拟阳光下，置于均匀磁场中的柔性薄膜致动器可以连续切断磁力线并产生交流电(磁电效应)。将2cm×3cm柔性薄膜致动器的短边固定在基台上，使用常温导电银浆将两条直径为25微米的铂丝与柔性薄膜致动器的前端和后端连接，作为电流输出的导线；将两个强磁铁相对的放在固定基台的前后，保证磁感线与柔性薄膜致动器表面水平，最后将整个装置转移到阳光下，即可连续切断磁力线并产生交流电。输出的电流为1.0×10-5A，频率为2.7Hz。电路系统的电阻为60.4Ω，磁场强度为67.06mT。通过柔性薄膜致动器实现了太阳能到机械能到电能的转换，展示了一种收集阳光能量的新方法，该方法可以为光电转换和柔性执行器应用的进一步发展提供信息。④将柔性薄膜致动器的两个短边用普通胶水粘在一起，纳米晶金属层朝外，制成滚轮式光驱动马达。尺寸为52mm×20mm，重量为0.0364克。当马达受到来自右侧的水平光照时，马达的右侧趋向于伸直，而没有光照的左侧则保持不变。这种现象将器件重心推向左侧。关闭光源后，设备会快速恢复到其原始形状。滚轮式光驱动马达在被照亮时开始从光源连续滚动离开，并且在光源关闭时停止滚动。2s内前进距离在约为15cm，最大速度达到103mm/s。滚轮式光驱动马达的双向对称结构可以为光驱动运动的方向控制提供进一步的探索。⑤将柔性薄膜致动器裁剪成55mm×30mm的尺寸，并在模拟阳光下倒置，使纳米晶金属层朝下。在一边短边上每5mm剪切一个5mm深的垂直间隙，形成六个小“触角”。器件受到太阳光光照时，薄膜向上拱起，并缓慢的向完整的短边方向缓慢移动。本专利技术的有益效果：1.通过两步法连续磁控溅射，将“刚性”纳米晶金属薄膜与“柔性”FEP塑料结合，制备出纳米晶金属薄膜/柔性全氟乙烯丙烯共聚物薄膜。该方法制备的薄膜轻薄、薄膜层间结合力强，且制备方法简单、可大规模工业本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种太阳光驱动的柔性薄膜致动器，其特征在于，所述的柔性薄膜致动器由柔性基底，第一层金属薄膜和第二层金属薄膜组成，其中，第一层金属薄膜通过射频磁控溅射制备，第二层金属薄膜通过直流磁控溅射制备。/n

【技术特征摘要】
1.一种太阳光驱动的柔性薄膜致动器，其特征在于，所述的柔性薄膜致动器由柔性基底，第一层金属薄膜和第二层金属薄膜组成，其中，第一层金属薄膜通过射频磁控溅射制备，第二层金属薄膜通过直流磁控溅射制备。


2.如权利要求1所述的太阳光驱动的柔性薄膜致动器，其特征在于，所述的柔性薄膜致动器的制备方法具体步骤如下：
(1)柔性基底处理
将柔性基底依次用丙酮、无水乙醇清洗，然后使用氧等离子体清洗机进行处理；
(2)制备第一层金属薄膜
将处理过的基底薄膜平铺在磁控溅射托盘上，薄膜两端通过高温胶带固定；通过射频磁控溅射，在步骤(1)的基底薄膜上进行纳米晶金属预溅射，形成第一层超薄纳米晶金属层薄膜；
(3)制备第二层金属薄膜
通过直流磁控溅射，在步骤(2)的超薄纳米晶金属薄膜上沉积第二层亚微米厚度的纳米晶金属层，获得柔性薄膜；
(4)制备柔性薄膜致动器
将步骤(3)中所获得的柔性薄膜，制备成柔性致动器。


3.如权利要求2所述的太阳光驱动的柔性薄膜致动器，其特征在于，步骤(1)所述的柔性薄膜基底为全氟乙烯丙烯共聚物薄膜，具有135×10-6/K的热膨胀系数。


4.如权利要求2所述的太阳光驱动的柔性薄膜致动器，其特征在于，步骤(1)和步骤(2)所述形成纳米晶金属层的金属为锡、铜、钼或者半导体化合物硒化锑中的一种或多种。


5.如权利要求2所述的太阳光驱动的柔性薄膜致动器，其特征在于，步骤(2)所述射频磁控溅射的功率为30-50W，溅射时间为10-20s，溅射腔压为5.0-6.0Pa。


6.如权利要求2所述的太阳光驱动的柔性薄膜致动器，其特征在于，步骤(3)所述的直流磁控溅射的功率为30-40W，溅射时间为40-60min，溅射腔压为3.0-5.0Pa。


7.如权利要求2所述的太阳光驱动的柔性薄膜致动器，其特征在于，步骤(3)所述的柔性薄膜纳米晶金属层厚度为200-50...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁宁一，董旭，丁建宁，程广贵，江瑶瑶，许意达，
申请(专利权)人：常州大学，江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32