[发明专利]致动材料和双向弯曲型致动器及其制备方法

说明书

本发明公开了致动材料和双向弯曲型致动器及其制备方法，所述致动材料包括层叠设置的第一材料层和第二材料层，所述第一材料层和第二材料层之间设有粘结剂层，所述第一材料层的湿度膨胀系数大于第二材料层的湿度膨胀系数，并且第一材料层的热膨胀系数小于第二材料层的热膨胀系数，所述第一材料层为碳基纤维素复合材料层，所述第二材料层为聚合物材料层。所述致动器包括所述致动材料以及至少两个电极，两个电极间隔设置并与所述致动材料电连接，两个电极间隔固定于致动材料第一材料层的表面上，该致动器能对多种刺激做出响应，可通过光、电、湿度驱动，并且可实现双向弯曲形变。

技术领域

本发明涉及致动材料领域，具体涉及一种致动材料、能对多种刺激产生响应的双向弯曲型致动器及其制备方法。

背景技术

致动器的工作原理为将其它能量转换为机械能，实现这一转换经常采用的途径有三种：通过静电场转化为静电力，即静电驱动；通过电磁场转化为磁力，即磁驱动；利用材料的热膨胀或其它热特性实现能量的转换，即热驱动。

利用热驱动的致动器克服了静电驱动和磁驱动致动器形变量小的缺点，该致动器结构只要能够保证获得一定的热能就可以产生相应的形变。另外，相对于静电力和磁场力，热驱动力较大。电热式致动器采用两片热膨胀系数不同的金属结合成双层结构作为电致伸缩元件，当通入电流受热时，由于一片金属的热膨胀量大于另一片，双金属片将向热膨胀量小的一方弯曲。然而，由于上述致动材料采用金属结构，其柔性较差，形变量较小，致动器热响应速度较慢；此外形变只能向一个方向弯曲，形变模式单一，不利于实际生产生活中的应用。

湿度致动器，是一种能感受气体中水蒸气含量，并利用材料的干缩湿胀效应的致动器，主要应用于机械工程、传感器、气体及湿度致动器等方面。湿度致动器的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，膜的体积发生变化，利用这一特性即可制成弯曲型致动器。

传统的热致动器与湿度致动器有结构复杂，制备繁琐，价格昂贵，且运动形式单一等缺点，急需改进。

碳基材料包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯及其衍生物，是近几年来倍受关注的材料。以碳纳米管为例，其具有许多优异的性能，可应用于许多领域。碳纳米管是由石墨片卷成的无缝中空管体，由于在碳纳米管内电子的量子限域作用，电子只能在石墨片中沿着碳纳米管的轴向运动，因此碳纳米管表现出独特的电学性能和热学性能。研究测试结果表明，碳纳米管的平均电导率可达到1000~2000S/m（西门子/米）。此外，碳纳米管还具有优良的力学性能，如较高的强度和模量。

现有基于碳基材料的致动器在性能上有了较大的提升，整体柔性较好，形变量增大。然而，还是存在一些局限性，例如致动器的结构比较单一，大多是采用双层材料叠层设置的结构，因而致动器仅能向热膨胀量小的一侧弯曲，弯曲方向单一，难以满足目前对致动器多样化的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于结合热致动器及湿度致动器的优势，提供一种能对多种刺激做出响应的双向弯曲型致动器及其制备方法以及该致动器采用的致动材料。本发明的致动器成本低，结构简单，可快速制备且灵敏度高。

一种致动材料，其包括第一材料层、第二材料层以及位于第一材料层和第二材料层之间的粘结剂层，所述第一材料层、粘结剂层、第二材料层层叠设置，所述第一材料层的湿度膨胀系数大于第二材料层的湿度膨胀系数，并且第一材料层的热膨胀系数小于第二材料层的热膨胀系数，所述第一材料层为碳基纤维素复合材料层，所述第二材料层为聚合物材料层。

所述碳基纤维素复合材料层中的纤维素材料与碳基材料的重量比为500:1~1:1，纤维素材料为纤维素、半纤维素或木质素，碳基材料为碳纳米管、石墨、碳黑及其衍生物。

所述聚合物材料层中的聚合物为聚丙烯，聚乙烯，硅橡胶、氟硅橡胶、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨脂、环氧树脂、聚丙烯酸乙酯、聚丙烯酸丁酯、聚苯乙烯、聚丁二烯、聚丙烯腈中的一种或几种的组合。