[发明专利]基于石墨烯/纳米银-乳胶膜的电热相变执行器及其制作方法

说明书

本发明公开了基于石墨烯/纳米银‑乳胶膜的电热相变执行器及其制作方法，其是以石墨烯/纳米银/硅橡胶作为热反馈基底、以酒精作为相变材料、以可拉伸的弹性乳胶膜作为致动膜。本发明采用倒模‑粘连‑注射的方法制成反馈力可控的电热相变执行器，与现有的执行器相比，本发明的执行器具有制作简单、反馈力量程大、驱动电压低和反馈力可控的特性，可用于医学、水下探测、机械手以及可穿戴器件。

技术领域

本发明属于电热相变执行器领域，具体涉及一种基于石墨烯/纳米银-乳胶膜的反馈力可控的电热相变执行器及制作方法。

背景技术

执行器是通过控制信号将其他形式的能量(包括化学能、光能、电能和热能)转换为机械能的装置。反馈广泛应用于人机交互、假肢、医疗设备、仿生应用、触觉显示和货物运输等领域。

由P.Yuan等人研究的可编程软化学机械致动器使用化学反应将化学能转化为机械能。但是，这种执行器的明显缺点是响应时间长、重复性差。因此有必要更换化学溶液以保持执行器的性能。目前大多数研究都是基于电活性聚合物致动器。这类执行机构主要分为两大类：电子式和离子式，并且大部分采用片状结构。电子式执行器使用材料的热胀冷缩原理产生变形。通过将两种或多种具有不同热膨胀系数的材料粘合在一起，温度变化会导致材料收缩或膨胀，最终弯曲并产生反馈力。在早期的研究中，所使用的材料通常是金属、石墨烯或氧化石墨烯。在最近的研究中，研究人员发现超对齐的碳纳米管具有更好的性能。单壁碳纳米管/聚合物基驱动器具有透明特征，预计将在隐形机器人中发展。李庆伟等研究了低电压驱动(20-200V)的各向异性碳纳米管薄片致动器，可以仿生人手弯曲运动。开发这种执行器的研究人员努力降低驱动电压，缩短响应时间并增加反馈力。需要解决的关键科学问题表现出相互对立的关系，很难在一项研究中全部实现。经过长时间的研究，驱动电压一般降至50V以下，最近的研究成果中驱动电压已经低于20V。电活性聚合物致动器的反馈力很难进一步提高。因为为了保证灵活性和快速性，所以对厚度的要求非常高(通常不超过1mm)，这大大限制了反馈力的大小，一般情况下只能托起一块轻海绵。研究人员不仅限于电刺激执行器的研究。他们还研究了对光照、湿度和温度敏感的致动器。一些执行器可以同时响应多个刺激，这可以提高响应速度并且可以向两侧弯曲以满足更复杂的要求。氧化石墨烯和石墨烯由于其膨胀性质而经常用作湿敏材料。Mingcen Weng等人的研究是利用铅笔在纸上沉积制成双向弯曲响应执行器，可同时响应湿度和光照，使传感器处于不同的湿度环境中，可以通过纸张对湿气的敏感性来实现致动器的双向弯曲。

由于传统的执行机构只提供很小的反馈力，因此气动执行机构提供的大反馈力是研究人员所青睐的。现有的气动执行器通过给柔性气囊充气实现膨胀。然而，这种方法需要外接一个充气装置，所以它不灵活并且不容易控制。

因此，解决大反馈力、灵活性和可控性的问题是目前执行器发展的趋势。

发明内容

本发明基于倒模-粘连-注射的方法，提出一种基于石墨烯/纳米银-乳胶膜的电热相变执行器及制作方法，旨在解决现有执行器驱动电压大、反馈力较小、反馈力不可控的问题，使其适用于需精确控制反馈状态的场合。

本发明解决技术问题，采用如下技术方案：

本发明基于石墨烯/纳米银-乳胶膜的电热相变执行器，其特点在于：

所述电热相变执行器包括热反馈基底；所述热反馈基底是以石墨烯和纳米银作为导电填料，与硅橡胶混合并经成型获得；

在所述热反馈基底上设有凹槽，并在所述热反馈基底上表面封装有乳胶膜盖片，使所述凹槽成为存储有相变材料酒精的密闭腔体；

所述乳胶膜盖片是在一与所述热反馈基底上表面等大的铜片外包裹有一可拉伸柔性乳胶膜；所述乳胶膜盖片在位于所述热反馈基底凹槽的正上方区域的铜片裸露，且设置有若干通孔，使铜片上表面的乳胶膜与热反馈基底的凹槽连通。