[发明专利]用于制备多层介电聚氨酯膜体系的方法

说明书

本发明涉及用于由介电聚氨酯层和导电电极层制备具有交替构造的结构的多层电活性的聚合物膜体系(多层致动器（Aktor）)的方法，所述构造尤其适合用于电机换能器中。本发明进一步提供了通过根据本发明的方法可得的介电聚氨酯膜体系和通过此方法可得的电机换能器。

换能器—也称为电机换能器—将电能转化为机械能，反之亦然。它们可以用作传感器、致动器和/或发电机的组成。

该类换能器的基本构造由电活性聚合物(EPA)组成。构造原理和作用模式类似于电容器。介电体存在于对其施加电压的两个导电板之间。然而，EAP是在电场中变形的可伸长介电体。更具体地说，它们是介电弹性体，通常为膜的形式(DEAP；介电电活性聚合物)，其具有高的电阻率和两侧都用具有高电导率的可伸长电极涂敷(电极)，例如，如WO-A 01/006575中所述。此基本构造可以以各种不同的构型用于制备传感器、致动器或发电机。除了单层构造之外，多层构造也是已知的。

在换能器系统中作为弹性介电体的电活性聚合物根据应用在不同的组件（致动器/传感器或发电机）中必须具有不同的性能。

共同的电性能是：在所示应用的频率范围内所述介电体高的内电阻、高的耐电击穿性和高的介电常数。这些性能允许在用电活性聚合物填充的体积中长期储存大量电能。

共同的机械性能是足够高的断裂伸长率、低的永久伸长和足够高的压缩/拉伸强度。这些性能确保了在对所述能量换能器没有机械损害的情况下足够高的弹性变形性。对于“在张力下”操作（即：在操作中经受拉伸应力）的能量换能器，特别重要的是这些弹性体没有永久伸长(应当不发生“蠕变”，因为否则的话在特定的伸长循环次数之后将不再存在EAP效应)和在机械载荷下不显示任何应力松弛。

然而，取决于应用还有不同的要求：对于在张力模式下的致动器，要求具有高的断裂伸长率和低的拉伸弹性模量的高度可逆的伸长性的弹性体。相反，对于在伸长下操作的发电机，高拉伸弹性模量是可取的。对于内阻的要求也是不同的；对于发电机，对内阻的要求比致动器要高得多。

由对于致动器的文献已知，伸长性与介电常数和施加的电压的平方成正比，而与所述模量成反比：

通过相对电容率                                                、刚度和膜厚度与开断电压得出根据下面的方程的伸长性

 (为绝对电容率)。

电压进而取决于击穿场强，意味着如果所述击穿场强非常低，则不能施加高电压。因为此值的平方在所述方程中用于计算由电极的静电吸引造成的伸长，所以击穿场强必须相应较高。用于此的典型方程可以在Federico Carpi的书Dielectric Elastomers as Electromechanical Transducers, Elsevier，第314页，方程30.1中和类似地也可在R. Pelrine, Science 287, 5454, 2000，第837页，方程2中找到。上段的方程阐明了对于介电弹性体致动器的操作来说非常重要的性能：所述层厚度z₀越低，所述致动器可以进行的操作电压越小。然而，同时，变形幅度也随着所述层厚度下降。尤其在1997年的早期出版物中PELRINE已经显示了摆脱此困境的方法：类似于压电层叠式致动器，可以将单独的层依次叠放[R. E. PELRINE, R. KORNBLUH, J. P. JOSEPH和S. CHIBA, Electrostriction of polymer films for microactuators, Micro Electro Mechanical Systems, 1997. MEMS ’97, Proceedings, IEEE., Tenth Annual International Workshop on (1997)，第238–243页]。这些层并联电连接，意味着尽管是低的操作电压U但是在每个层上方存在相对高的场强E。相反，从机械上来说，所述致动器层是串联连接的；所述单独的变形是累加的。PELRINE等演示说明的层叠体具有四层介电体和电极且手工制造。重要的是所述电极层具有结构。这可以通过喷雾掩模、喷墨打印或者在丝网印刷的情况下通过丝网来实现。自此以后，此想法已经被多次采纳并进一步发展。