具有聚合物支撑薄膜的基于金属氢氧化物的致动器制造技术

公开了一种致动器，包括活性层，该活性层包含至少一种金属氢氧化物，活性层在无刺激下具有第一体积并在刺激下具有大于或小于第一体积的第二体积；以及包含多孔聚合物薄膜的钝化层，该钝化层的弹性模量至少是该活性层的弹性模量的一半。性模量的一半。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有聚合物支撑薄膜的基于金属氢氧化物的致动器

技术介绍

[0001]致动器是一种移动和/或控制机构或系统的装置。通常，致动器需要控制刺激和能量源。当致动器接收到控制刺激时，致动器通过将刺激转换为机械运动来做出响应。致动器用于多种目的。

技术实现思路

[0002]为了提供对本专利技术的一些方面的基本理解，以下给出了本专利技术的简化概述。该概述不是对本专利技术的广泛概述。它既不旨在识别本专利技术的关键或重要要素，也不旨在描绘本专利技术的范围。相反，该概述的唯一目的是以简化形式呈现本专利技术的一些概念，作为下文呈现的更详细描述的序言。
[0003]本专利技术的一个方面涉及一种致动器，包括：包含至少一种金属氢氧化物的活性层，活性层在无刺激下具有第一体积并在刺激下具有大于或小于第一体积的第二体积；以及包含多孔聚合物薄膜的钝化层，该钝化层的弹性模量至少是该活性层的弹性模量的一半。
[0004]本专利技术的另一方面涉及在附录A中描述并出现在本文件末尾出现的内容。
[0005]为了实现上述和相关的目的，本专利技术包括在下文中充分描述并且在权利要求中特别指出的特征。以下描述和附图详细阐述了本专利技术的某些说明性方面和实施方式。然而，这些仅指示可以采用本专利技术的原理的各种方式中的几种。当结合附图考虑时，从本专利技术的以下详细描述中，本专利技术的其他目的、优点和新颖特征将变得显而易见。
附图说明
[0006]图1.(a)双层致动器的照片。(b)双层致动器的致动测试设置的示意图。
[0007]图2.(a,b)电沉积Ni(OH)2/NiOOH的横截面和顶面的SEM图像。(c,d)0.5小时和2小时电沉积后的表面形态。(e)剥离Au溅射薄膜的表面，其孔充满互锁，(f)致动材料的下侧显示互锁。
[0008]图3.活性材料的表征。(a)致动材料的EDX结果。(b)新制备的样品(顶部)和裸基板(底部)的XRD结果。(c)使用包围的衍射图案的部分拍摄的新制备的样品的TEM暗场图像。(d)氧化和还原致动材料的FTIR结果。
[0009]图4.不同制造方法下的致动性能。(a)示出负电位和正电位扫描期间的弯曲角度和曲率的示意图(活性材料层被绘制为黑色，而基板为白色)。(b)0.5小时的电流密度对电沉积Ni(OH)2/NiOOH层的厚度和后续的致动弯曲的影响。(c)电沉积时间对典型最大曲率的影响，插图：曲率与厚度之间的关系。(d)电沉积时间范围从0.5小时到2.5小时期间的典型最大曲率。
[0010]图5.(a)从氧化态到还原态(半还原循环)的曲率变化趋势。(b)负扫描期间(半还原循环)的曲率变化：电位窗口为0.8V，扫描速率为25mV/s。
[0011]图6.不同扫描速率下的CV曲线。
[0012]图7.仿生运动的演示。(a)以3V/s电沉积2.5小时的“鱼尾”运动。(b)折叠折痕。(c)
可折叠致动器的示意图。(d)以25mV/s的扫描速率循环的1M NaOH溶液中的致动性能，电位窗口为0.8V(支持视频3)。
[0013]图8.沉积在PC基板(图4c)和Ni基板(图3a，Kwan等人，Sensors Actuators,B Chem.248(2017)657
‑
664)上的Ni(OH)2/NiOOH的弯曲曲率κ与6h
a
/E
s h
s2
。
[0014]图9.(a)300次循环中的装置弯曲角度的变化。致动测试在1M NaOH中以扫描速率500mV/s在
‑
1到2V下进行。(b
‑
d)PC基板中孔径对致动性能和结构完整性的影响。(b)通过在无孔PC薄膜基板上电沉积相同的活性材料2小时制成的致动器。仅在5次CV致动循环后，就发生了明显的分层。(c)通过在多孔PC薄膜上电沉积相同的活性材料制成的致动器，没有明显的分层。(d)电沉积0.5小时和2小时的基于无孔和多孔薄膜的致动器的致动性能。
[0015]图10.Co氧化物/氢氧化物和Ni(OH)2/NiOOH在相同光强度和照明时间下的光致动的比较。
[0016]图11.SEM图像示出了在40℃和室温下制造的Ni(OH)2/NiOOH(红色箭头所指)的横截面。
[0017]图12.在40℃和室温下制造的具有Ni(OH)2/NiOOH层的薄膜致动器的致动。
[0018]图13.预先设计的图案和输入电压连接(a)打印致动器的可折叠形状的比较(b)具有两个独立控制的肌肉群的一个致动器和(c)具有三个独立控制的肌肉群的一个致动器。
具体实施方式
[0019]本文所述的致动器包含金属氢氧化物组分，其中向该组分施加诸如电压、电流、光、热或湿度或它们的组合的刺激物生成金属氢氧化物组分的体积或尺寸变化。体积或尺寸变化产生机械功。致动器可用于各种应用，包括微致动器设置。
[0020]本文所述的致动器包括由聚合物薄膜支撑的金属氢氧化物制成的微致动器，其通过在电和/或光刺激下产生力和位移来起作用。在较小且独立的环境中，致动器可应用于传统致动器体积太大而无法使用的微型机器人或微型装置。广泛用于镍氢可充电电池的氢氧化镍可用于充电/放电导致氢氧化物由于氧化还原反应而发生体积变化的情况。这种效应发展成可以在刺激下弯曲的双层致动器，其中氢氧化物由金属薄膜支撑。本文的主题通过以下方式改进了致动器：(i)使用聚合物薄膜作为支撑层，由于薄膜的低弹性模量，这可以显著增加致动的曲率，(ii)使用可以增加致动的稳定性的其他金属的氢氧化物，和/或(iii)提高制造温度，从而可以加快制造过程。可替换地和/或另外地，本专利技术的主题涉及聚合物支撑薄膜的使用，聚合物支撑薄膜只能通过适当的材料选择来实现，以确保弹性模量差异很大的氢氧化物和聚合物之间的良好粘附。其他方面包括使用其他金属氢氧化物，例如钴和锰以使致动器具有更稳定的致动性，并通过提高温度来加快制造速度。
[0021]部分地，本文中描述的主题解决了关于Ni(OH)2/NiOOH材料系统的电化学致动行为的三个问题中的至少一个，即，
[0022](i)在致动器的双层悬臂结构中，是否可以通过更合适的材料工程产生更大的装置应变，和/或
[0023](ii)Ni(OH)2/NiOOH的电化学致动应力应变特性是什么，和/或
[0024](iii)是否可以通过更简单的方法实现复杂且可控的运动。
[0025]根据斯托尼(Stoney)的理论，在包括粘附在钝化基板层上的有源致动层的双层悬
臂致动器中，所产生的弯曲曲率κ由下式给出
[0026][0027]其中σ
a
是致动层的内在致动应力，h
a
是其厚度，E
s
和h
s
分别是钝化基板的杨氏模量和厚度。因此，通过选择具有低模量的基板材料来实现大的弯曲曲率。此外，基板材料具有较大的弹性极限和与活性材料的良好粘附，因此在致动期间基本不会屈服、破裂或分层。在该方面，聚合物在弹性柔度和极限方面优于金本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种致动器，包括：活性层，包含至少一种金属氢氧化物，所述活性层在无刺激下具有第一体积并在刺激下具有与所述第一体积不同的第二体积；以及钝化层，包含多孔聚合物薄膜，所述钝化层的弹性模量至少是所述活性层的弹性模量的一半。2.根据权利要求1所述的致动器，其中所述至少一种金属氢氧化物包括选自镍、钴、锰、铁、铝、铜和镁的组中的至少一种金属。3.根据权利要求1所述的致动器，其中所述多孔聚合物薄...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜庆云，关键铧，吴润霓，
申请(专利权)人：香港大学，
类型：发明
国别省市：