[发明专利]具有驱动和传感能力的聚合物器件及其制备和应用

说明书

一、技术领域

本发明的具有驱动和传感能力的聚合物器件可广泛应用于航空航天、仿生工程、生物医药以及能量收集等领域。

二、背景技术

长期以来，研究人员一直致力于在工程和机械领域广泛应用的硬材料研究，然而，自然界中动、植物生物体的机械结构通常是软材料。与传统的金属、陶瓷等“硬质材料”相比，高分子聚合物是“软质材料”的典型代表。软质材料针对外界的刺激(如机械应力、温度、电磁场等等)能够产生不同程度的形变而体现出活性。智能软材料是一种能感知外部刺激、进行判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料，相比传统硬质智能材料具有可承受大变形、具备良好生物亲和性、密度低等特点。智能材料及智能器件有着巨大的潜在的应用前景，从大到石油开采密封，小到药物输送，在机械，医疗，军工都有广泛的应用，由于其变形能力和驱动力都接近于生物肌肉，在机器人领域也有非常好的发展前景。智能软材料在模拟生物特征方面展现出了无与伦比的特性，因此它也被称为“活”性软材料。作为新型智能软活性聚合物材料的代表，电致活性聚合物(Electro-active polymer EAP)主动软材料日益显示出其巨大的优越性。

离子型EAP如离子聚合物基金属复合材料(IPMC)等。IPMC材料可以在较低电压下(1～2V)产生诱导弯曲位移，但是需要保持一定的湿润度，而且在直流电场激励下很难保持稳定的诱导位移。聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物是最常见的铁电智能软聚合物。由于它们具有良好的柔韧性并易制成大面积的薄膜，因而在音频和超声传感器、生物医学传感器、机电换能器以及热释电和光学器件中具有重要的应用前景。但其致动能力低下，在150MV/m电场下，其电致伸缩应变为7％。

常规IPMC及PVDF属性及优、缺点：

表一两种功能材料的基本特征

三、发明内容

为了解决现有技术存在的PVDF的致动能力低下的缺点，本发明提供了一种具有驱动和传感能力的聚合物器件及其制备和应用。

本发明的技术方案为：一种具有驱动和传感能力的聚合物器件，包括PVDF膜构成的压电层，所述的功能材料为多层复合材料，以离子交换层为中心，上下两面由内向外对称的设有过渡电极层、弹性导电黏结层、压电层和电极层；

所述的离子交换层为Nafion溶液固化成型得到；所述的过渡电极层为金属Pt或Ag构成的内外两层，其中内层为渗入离子交换层内部的3～7微米的内层过渡电极，外层为6～12微米厚的外层过渡电极；所述的弹性导电黏结层为Nafion溶液中均匀添加纳米级导电材料固化成型得到；所述的压电层为PVDF膜；所述的电极层为金属Ag或Al构成的呈网格状的若干相互独立的微电极，各微电极之间相互绝缘，根据设计需要与驱动源或是传感源进行电连接。

所述的纳米级导电材料为碳纳米管或纳米级金属粉末。

制备所述的具有驱动和传感能力的聚合物器件的方法，步骤为：

第一步，制备离子交换层(1)：Nafion溶液按照设计的厚度常规方法固化成型为离子交换膜；

第二步，制备过渡电极层(2)：对离子交换膜的表面进行粗化，使表面呈磨砂状；再进行活化；最后采用常规的化学镀方法镀上Pt或者Ag形成内层过渡电极和外层过渡电极；

第三步，制备弹性黏结层(3)：Nafion溶液中加入纳米级导电材料，分散均匀后，将溶液均匀涂敷于过渡电极层(2)的表面然后覆盖上压电层(4)，压电层设置为正负极对应即，相对于离子交换层(1)一侧以正极粘结，另一面以负极粘结。最后常规方法固化成型；

第四步，在压电层(4)的表面按设计要求采用涂敷或加防护罩的方法，使用常规的溅射或是蒸镀的方式镀上金属Ag或Al形成网格状的相互绝缘的微电极；

第五步，将材料置于70～100℃恒温场中，以600～1000KV/cm的极化电压，极化0.5～1小时，缓慢冷却至室温后撤去电场。

化学镀方法镀上Pt形成内层过渡电极的化学反应为：

4Pt⁺+NaBH₄+4OH^-→4Pt+2H₂+B(OH)₄^-+Na⁺；

以化学镀方法镀上Pt形成外层过渡电极的化学反应为：

Pt⁺+2N₂H₄→Pt+2NH₄⁺+4NH₃+N₂↑。