[发明专利]一种太阳光驱动的柔性薄膜致动器

说明书

本发明涉及一种柔性薄膜致动器，特别涉及一种太阳光驱动的柔性薄膜致动器。通过两步法连续磁控溅射，将纳米晶金属薄膜与FEP塑料结合，制备出纳米晶金属薄膜/柔性全氟乙烯丙烯共聚物薄膜，制备的薄膜轻薄、薄膜层间结合力强，且制备方法简单、可大规模工业生产。利用两层薄膜之间的热膨胀系数差异以及金属薄膜的高热传导系数，制备出可实现大幅度形变的柔性薄膜致动器。制备的光驱动柔性薄膜致动器具有对太阳光的高灵敏性、环境中长期稳定性、可以任意裁剪拼接等特性。

技术领域

本发明涉及一种柔性薄膜致动器，特别涉及一种基于纳米晶金属薄膜/柔性全氟乙烯丙烯共聚物基底的太阳光驱动的柔性仿生薄膜致动器。

背景技术

飞行类动物的飞行动力来源于全身复杂肌肉群协同控制翅膀拍打空气，而人造飞行器的推动力主要通过化石燃料的燃烧喷射或驱动螺旋桨旋转获取。模仿飞行类动物，通过煽动“翅膀”实现持续运动一直是仿生机器人领域的重点研究领域。相对比于刚性结构，柔性薄膜致动器可以大幅降低类“煽动”驱动的机械和算法的复杂性。柔性致动器由柔性材料组合构造，能够将外部刺激，如光、热、湿度等，转化为复杂的机械形变，在仿生设备、微型机器人、智能设备等领域有着广泛的应用。光驱动因具有无线化、可控化等优点而广受关注。太阳光取之不尽用之不竭、安全清洁。太阳光驱动是目前光驱动柔性致动器领域中非常重要的研究方向，同时利于光驱动柔性致动器在自然环境中的应用。

常见的光驱动柔性致动器的工作原理是利用高能光强刺激具有光敏性的液晶聚合物产生分子取向变化或者利用光热转换使层状柔性器件不同层之间形成热膨胀差异，从而实现可以对热、光等实现复杂的力学响应。光敏性液晶聚合物一般形变程度较小且需要高强度光源刺激，仅有的将外部光刺激转化为可持续连续运动的“毛毛虫”结构需要外部硬框架的协同约束，还需要高达540mW/cm²的光强刺激。利用光-热转换的光驱动柔性机器人同样需要高强度光源，目前利用可见光驱动的研究很少，结构通常为碳纳米管/柔性基底，光驱动时器件形变程度较小，且只能通过设定光源周期性开关实现持续运动。

发明内容

针对背景技术中的利用高能光源驱动且只能通过设定光源周期性开关实现持续运动的光驱动柔性致动器的局限性，本发明提出一种基于纳米晶金属薄膜/柔性全氟乙烯丙烯共聚物基底的类似蝴蝶翅膀的太阳光驱动的柔性仿生薄膜致动器的制备方法，该光驱动柔性薄膜致动器通过持续扑动，同鸟类煽动翅膀飞行相似，持续拍打空气产生反作用力，能够在太阳光的作用下持续产生驱动力，为未来光驱动轻量化设备或仿生飞行提供一定的参考与借鉴。

本发明通过下述技术方案予以实现：

(1)：柔性基底处理

将柔性全氟乙烯丙烯共聚物薄膜(FEP)裁剪成7cm×7cm尺寸，依次用丙酮、无水乙醇清洗(超声清洗1h，去除表面灰尘、油污)，然后使用氧等离子体清洗机进行处理(对处理物表面改性，提高处理物表面能，增加吸附力及均匀性；同时等离子清洗机可以去除处理物表面的污染物)。

其中，全氟乙烯丙烯共聚物薄膜具有135×10^-6/K的热膨胀系数。

(2)：制备第一层金属薄膜

将处理过的FEP薄膜平铺在磁控溅射托盘上，两端通过高温胶带固定，首先在5.0-6.0Pa的腔压下，通过30-50W射频磁控溅射预溅射金属靶材10-20s，形成结合力较好的第一层超薄纳米晶金属薄膜，厚度约为几纳米。

(3)制备第二层金属薄膜

在3.0-5.0Pa的腔压下，通过30-40W直流磁控溅射金属靶材40-60min，沉积的纳米晶金属薄膜层总厚度为200-500nm，晶粒尺寸为30-50nm。

使用的金属靶材包括Sn、Cu、Mo、Sb₂Se₃等，磁控溅射型号为SP-SS4-A00。