[发明专利]基于电热材料和介电弹性聚合物的复合柔性致动器及方法

权利要求书

1.一种基于电热材料/介电弹性聚合物的复合柔性致动器，其特征在于：包括上保护层、下保护层、电热致动结构和介电弹性致动结构，所述电热致动结构、介电弹性致动结构叠加设置于上保护层和下保护层之间；

所述电热致动结构由热膨胀材料层、定向致热电阻丝层和偏置层依次叠加而成；

所述介电弹性致动结构由上引线电极层、介电弹性聚合物薄膜层和下引线电极层依次叠加而成，构成电极-聚合物-电极的三明治介电致动结构；

需要较大作用力及驱动位移时，对电热致动结构的定向致热电阻丝层加热的同时，给介电弹性致动结构以正向偏置电压，使电热致动结构和介电弹性致动结构沿同一方向偏转；反之，需要较小作用力及驱动位移时，使电热致动结构和介电弹性致动结构沿相反方向作用，能够提高整个系统的可控性。

2.根据权利要求1所述基于电热材料/介电弹性聚合物的复合柔性致动器，其特征在于：所述电热致动结构和介电弹性致动结构之间通过嵌套结构连接，所述电热致动结构的热膨胀材料层、定向致热电阻丝层和偏置层之间均通过嵌套结构连接。

3.根据权利要求2所述基于电热材料/介电弹性聚合物的复合柔性致动器，其特征在于：所述热膨胀材料层上开有阵列孔，定向致热电阻丝层、偏置层、上引线电极层的上表面均设置有阵列凸起，所述定向致热电阻丝层、偏置层的下表面均设置有阵列凹槽；成阵列式排布的孔、凸起、凹槽的位置均一一对应设置，用于实现热膨胀材料层、定向致热电阻丝层和偏置层之间，以及电热致动结构和介电弹性致动结构之间的嵌套连接。

4.根据权利要求3所述基于电热材料/介电弹性聚合物的复合柔性致动器，其特征在于：所述阵列凸起是成矩形阵列的矩形凸台或圆台结构，所述阵列孔是成矩形阵列的矩形孔或圆形孔，阵列凹槽是成矩形阵列的矩形凹槽或圆形凹槽。

5.根据权利要求3所述基于电热材料/介电弹性聚合物的复合柔性致动器，其特征在于：所述定向致热电阻丝层为纵向分布蜿蜒S形，同时其表面有阵列凸起嵌入热膨胀材料层内，以增加电阻丝的产热能力和与热膨胀材料层的接触面积，能够充分利用致热电阻丝产生的热量；

所述定向致热电阻丝层采用杨氏模量较大的金属Ni，其热膨胀系数为13.1×10^-6/K^-1,电阻率为0.0693/Ω·μm；电阻丝厚度为30～80μm，通过增加电阻丝的电阻，产生热量，从而增加驱动力。

6.根据权利要求1所述基于电热材料/介电弹性聚合物的复合柔性致动器，其特征在于：所述热膨胀材料层采用SU-8作为膨胀材料，其热膨胀系数为151×10^-6/K^-1。

7.根据权利要求1所述基于电热材料/介电弹性聚合物的复合柔性致动器，其特征在于：所述偏置层采用聚酰亚胺材料，其热膨胀系数为20×10^-6/K^-1，能够增加器件结合力的同时增加致动器整体刚度，产生更大的位移和驱动力。

8.根据权利要求1所述基于电热材料/介电弹性聚合物的复合柔性致动器，其特征在于：所述介电弹性聚合物薄膜层材料选择Silicone或Acrylic介电弹性体膜，经过涂覆、浸渍和喷涂的工艺手段制备弹性薄膜；

所述上、下引线电极层为过渡元素金属Ni；引线电极层由溅射、气相沉积或涂覆的工艺手段完成与介电弹性薄膜层表面的物理结合，形成纹理化的电极。

9.根据权利要求1所述基于电热材料/介电弹性聚合物的复合柔性致动器，其特征在于：两个所述介电弹性致动结构对称设置于电热致动结构的两侧，位于上保护层侧的介电弹性致动结构与电热致动结构的热膨胀材料层嵌套连接，位于下保护层侧的介电弹性致动结构与电热致动结构的偏置层嵌套连接，组成双三层膜结构。

10.一种权利要求3-9任一项所述基于电热材料/介电弹性聚合物的复合柔性致动器的制作方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤一：首先采用3D打印的方式打印出下引线电极Ni金属层，即下引线电极层；然后采用旋涂制备的方式，在下引线电极层上完成介电弹性聚合物薄膜层silicone的制备；

步骤二：采用3D打印的方式在介电弹性聚合物薄膜层的上表面打印上引线电极Ni金属层，即上引线电极层，并在上引线电极层的上表面打印出阵列凸起；

步骤三：采用聚酰亚胺旋涂工艺法，在上引线电极层表面旋涂出偏置层，待聚酰亚胺溶剂挥发完成后，利用微型模具，在偏置层表面利用同样的方式制备出聚酰亚胺的阵列凸起；

步骤四：同样采用3D打印的方式，完成定向致热电阻丝及其上表面阵列凸起的打印成型；

步骤五：采用旋涂工艺，在定向致热电阻丝层表面涂敷一层SU-8热膨胀材料层；

步骤六：采用聚酰亚胺材料作为上、下保护层，将整个柔性致动器多层结构完成包覆保护。