基于几何各向异性纳米粒子的执行器制造技术

本发明专利技术涉及一种执行器，其在一种电解质中具有至少一个有效的电极和至少一个配对电极，其中有源电极包括至少两个由一种能导电的材料制成的隔板（３），所述隔板只有许多正交地设于其上的并在优选方向上单向取向的纳米管（２），其中在纳米管和隔板之间存在一种能导电的连接，而且电极和配对电极可以通过电压源或电流源加上电位差。本发明专利技术的任务是改善执行器的较高的执行力和振动频率。该任务通过纳米管两边与各自一个隔板连接并且该连接是材料配合的来解决。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种按照第一项权利要求所述的执行器，尤其是一种移动-或弯曲执行器，它基于电接通和机械接触的几何各相异性纳米粒子，尤其是直径为纳米级范围的小管或纤维，例如炭纳米管。执行器用于将电能直接转变成机械的调整运动并因此构成主要的元器件用于许多技术系统，尤其在机器人技术或配电技术中。开头所述类式的执行器基于所谓机电功能材料。在这种材料中构造状或机械性能的改变直接交替作用地引起电流、电场或者电压。这种执行器的典型代表以压电材料或者电致伸缩材料为基础。一种新的特别有意义的方案是具有纳米管的执行器。在该执行器中使用了由炭制成的具有纳米级直径的小管(空心圆柱体)(炭纳米管＝CNTs)，在一种电解质中作为有效的元件用以产生执行器的运动。CNTs的热和化学性能特别稳定。CNTs的长度约为100nm至远超过100μm。如果通过电压源或电流源将电荷注入CNTs里，那么与电解质就形成一个电化学的双涂层。由于这种双涂层使炭原子之间共价化合物的长度并因此CNT的长度和直径都发生了变化。金属的和半导体的CNTs的比电阻(取决于石墨晶格的六方结构与小管轴线的取向＝螺旋性)相互很不相同。金属的CNTs在理想情况下实际上没有比电阻，因为电子在纳米管中几乎是弹道地，也就是说没有散射损失地移动。但如果一种这样的CNT与金属接点接通的话，那么在每个接触点上就产生一个KΩ范围的过滤电阻。对于半导体的CNTs来说该比电阻取决于所加的电压，其中该比电阻在从大约-0.5V至0.5V的范围里根据接通的情况达到若干MΩ。在大约-1V至1V范围里的电流-/电压特性曲线是非线性的。通过由第三电极在一个半导体CNT上加上栅压，类似于在一个场效应晶体管里那样，就可以缩小特性曲线的这种非线性并减小比电阻。CNTs的抗拉强度为30,000N/mm2(比较高强度钢大约1,900N/mm2，高强度炭纤维大约4,900N/mm2)，其中延伸率(在拉伸试验中)超过5％。原则上常用的CNTs有两种结构形式，也就是单壁的(单壁炭纳米管，SWCNTs)和多壁的(多壁炭纳米管，MWCNTs)。在至中所述的单壁CNTs(SWCNTs)是无缝的空心圆柱体，它们由一个围绕小管轴线卷绕的石墨层。它们根据石墨晶格的六方结构与小管轴线的取向的不同(螺旋性)分为金属导通或半导通的。SWCNTs优选形成为具有一个优选取向的管组，其中单个SWCNTs通过范-德-瓦勒力结合在一起。目前对于SWCNT组的电性能不可能有一种可靠的说法，因为单个SWCNTs并没有一致的螺旋性并因此电性能也不同。CNT组的电性能也取决于使管组的哪一个SWCNTs(金属的或半导体的)电接通。SWCNTs的直径为0.4至5nm。多壁CNTs(MWCNTs)，例如在中所述，则相反地由多个相互同轴布置的不同直径的单壁CNTs组成。这里所述电性能也是有问题的，因为一个MWSNT的单个SWCNTs原则上具有不同的螺旋性并因此有不同的电性能。此外可以不受阻碍地使电解质实际上只接近外边的CNT。正如在SWCNT组时那样它在这里也起到作用，即MWCNT的哪个CNTs(金属的或半导体的)电接通了。MWCNTs的通常外径为1.4至200nm。单个SWCNTs(金属的或半导的)弹性-模量大约为1,000,000N/mm2(比较钢约为210,000N/mm2)。原则上它大于SWCNT组的弹性模量，因为在一个组中的单个CNTs只是通过范-德-瓦勒力连接在一起。与之相反，MWCNTs的弹性模量则受传入MWCNT里的力的影响并且达到单个SWCNT的最大值。如果力理想化地通过同一个MWCNT的小管传入和传出的话，那么弹性模量就可以与一个SWCNT的弹性模量相比较。如果力通过不同的SWCNTs传入和传出的话，那么就形成一种伸缩式的系统，其弹性模量就不能合理地求出。由于这种性能，执行器的CNTs尤其对于应用于显微系统、制药或纳米技术以及生物制药(例如作为人造肌肉)都是有意义的。这种执行器尤其具有以下有趣的性能·在小的电压时(约1V)和小的控制电流时就使电控非受载执行器的有效元件有大的可逆的变形范围(直到大约1.6％)，也就是说高的效率；·可实现高的动态性能；·输入和输出参数之间为线性关系；·有效元件可实现高的弹性模量，因而获得高的执行力；·在固态和液态电解质中能起作用；·可集成在材料里(智能材料)；·可通过适合的AVT(构成和连接技术)实现；·高的使用寿命·即使在较高温度(直到约1000℃)时也能使用；·高容积和高重量的工作能力。例如描述了一种相应的执行器方案，其中有许多CNTs组合、也就是说集束成一种肉眼可见的层，所谓“巴克纸(Bucky-Paper)”层作为执行器的有源电极。CNTs在这里具有一种明确的优选方向。在这种基础上建议了移动-和弯曲执行器。在中为了CNTs的优选方向的引入还对纳米管的对准建议了已知的物理的或化学的方法，例如通过电场、磁场和/或电磁场和/或在一种沉积的表面活性剂悬浮液里超声波的影响之下。这种执行器由于应用了巴克纸具有与单个CNTs相比极高的可缩性(系数大约增高2200)。一种这样的执行器也绝对不能这样机械加载。因此也可预见到执行器变形与作用于执行器上的力有强烈的关系，而且受原理限制在电压和变形之间为非线性关系，而且变形特性出现有滞迟。此外电解质在巴克纸内部输入至CNTs，与位于外面的CNTs相比首先滞后，这即使与巴克纸小的导电能力相结合也限制住了执行器的最大可能的振动频率，但也导致较高的损失热量和小的执行器变形。另外也要考虑到在相对松动的巴克纸构造里的构造转变过程和设置过程并因此加强地考虑到执行器的与循环有关的降解效应。因而本专利技术的任务是建议一种经改善的，基于几何各向异性的纳米粒子，尤其是如CNTs的纳米管的执行器方案。尤其应该改善执行器的较高的执行力、可加载性、刚性、变形和振动频率。该任务通过一种按第一项权利要求所述的执行器来实现。从属权利要求说明了有利的设计方案。本专利技术的主要的基本构思在于理想情况下所有的，优选至少80％或者更好地90％的纳米粒子或纳米管，尤其是CNTs，在执行器里在一个优选方向上，优选为相互平行地以最大角度偏差为±20°与粒子列或粒子束对准，并通过最好是垂直于所述的对准方向延伸的隔板电气和机械地相互固定连接起来(执行器层)。在拉应力或者压应力的方向上还可以依次地设置多个这样的执行器层。原则上所有材料都适合作为纳米粒子，在所述材料表面上在一种电解质中形成一个双层。一种这样的双层的作用是改变晶格间距并因此改变纳米粒子的形状。原则上在所有连接型式中都可以观察到影响。CNTs或其它纳米管的特别优点在于表面(具有双层)与体积有最大可能的比例并且在于最佳地充分利用了以前提到的效应。本专利技术的另一重要的细节是指在纳米粒子和隔板之间的材料配合连接。这种连接由一种反应产物形成，该反应产物由隔板侧的和粒子侧的材料组成，其中这种连接以及反应产物具有导电能力。此外每个纳米粒子与至少两个隔板相连，因此可以显著地提高执行器的刚性。为了制造有效的电极例如将一些隔板设置于一个基片上并被具有纳米粒子的弥散作用环绕冲洗。通过将一个高频交流电压加在隔板之间就使纳米粒子通过介电电泳(dielektrophoretisch)力对本文档来自技高网...

【技术保护点】
在电介质（１１）中具有至少一个有源电极（９）的执行器，它包括至少两个由一种导电材料制成的隔板（３），所述隔板具有许多设于其上的并在一个优选方向上单向取向的几何各向异性的纳米粒子（２），其中在纳米粒子和隔板之间有一种能导电的连接并且可以通过电压源或电流源（１２）给电极加上一个相对于地的电位差，其特征在于，所述纳米粒子（２）分别与至少两个隔板相连接而且该连接是材料配合的。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：T科克，U根根巴赫，
申请(专利权)人：卡尔斯鲁厄研究中心股份有限公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]