[发明专利]一种在热激发下自动定向折叠的薄膜结构

说明书

一种在热激发下自动定向折叠的薄膜结构，本发明涉及各向同性热变形材料领域。本发明要解决目前热激发下自动折叠变形材料的弯曲方向不可控制，精确度低的技术问题。一种在热激发下自动定向折叠的薄膜结构，包括基底、柔性胶粘剂、热变形膜和若干开缝；其中，柔性胶粘剂沿折痕设置在基底上，热变形膜覆盖在柔性胶粘剂上；若干开缝垂直于折痕，在深度方向完全贯穿热变形膜和柔性胶粘剂。本发明采用独创性的方法，利用常见的各向同性热变形材料，借助现有的自动化生产工艺实现可变形薄膜折痕位置和折叠方向的精确控制，极大地简化了了可变形薄膜的制备。本发明用于制备一种在热激发下自动定向折叠的薄膜结构。

技术领域

本发明涉及各向同性热变形材料领域。

背景技术

折纸型蜂窝状结构以及薄膜超材料的低成本连续制备急需一种能够利用各向同性热变形材料以及现有的自动化生产工艺实现折痕位置和折叠方向的精确控制的新型可变形薄膜。

近年来，研究者提出了有多种能在热激发下自动折叠变形的智能材料，其变形往往利用材料的形状记忆效应、热胀冷缩或应力松弛。其基本原理类似于双金属片，即当一层热变形材料与一层尺寸相对稳定的基底材料固结时，热变形，如热致收缩将使材料弯曲。这种方法的问题在于：当运用于弯曲刚度为各向同性的基底，如均质薄膜基底时，若热变形材料的热致收缩也为各向同性，则材料的弯曲方向不可控制，无法实现可控折叠；若采用各向异性的热变形材料，如单向收缩的热缩膜，则能够实现精确折叠，但需要控制材料在每一折痕处的取向，使制备过程繁琐，不适合折痕复杂、数量多的情况。

迄今为止，出现了若干能够克服该问题的技术方案。如Timothy G.Leong等人于2008年提出一种采用气相沉积、电镀以及光刻法在硅基板表面制备多层金属、树脂结构。与硅基板脱离后，对结构加热软化树脂，可使金属层由于气相沉积过程中产生的各向同性内应力而弯折。折痕的位置受控于电镀层金属所导致的弯曲刚度的各向异性。该方法成本高，且仅适用于制备毫米-微米级的小尺寸器件。Jennie Ryu等人于2012年提出在有预应力的树脂薄板上涂覆深色条纹，并用光照加热使条纹处温度升高，使树脂薄板与条纹接触的一面发生应力松弛从而驱动弯折。升温所致的局部软化带来弯曲刚度的各向异性使结构沿条纹弯折。该方法的问题在于树脂薄板的弯折依赖于厚度方向上的温度梯度，因而不适用于薄膜材料和长时间加热的情况。Jun-Hee Na等人于2015年提出将一层热收缩树脂薄膜粘于两层高刚度树脂薄膜之间，并在一侧的高刚度薄膜上开出缝隙。温度升高时，中间层的收缩应变在缝隙处释放从而驱动弯折，由于开槽使薄膜弯曲刚度呈现局部各向异性，因而薄膜沿开槽弯折。该方法的问题在于，整个结构需要2-3层薄膜，因此结构质量大，并且加热后整张热收缩薄膜各处均形成内应力，在无折痕的位置将产生无法释放的内应力，对材料的寿命和可靠性带来影响。

以上技术方案均通过在折痕以外的广大的基底部分实现弯曲刚度的各向异性来约束变形、控制折痕位置。而折痕的总面积远小于基底，因此若能从折痕本身入手，用各向同性热变形材料实现各向异性的热变形，从而不依赖于基底的各向异性，将有利于实现更加简洁、轻质的设计。

发明内容

本发明要解决目前热激发下自动折叠变形材料的弯曲方向不可控制，精确度低的技术问题，而提供一种在热激发下自动定向折叠的薄膜结构。

一种在热激发下自动定向折叠的薄膜结构，包括基底、柔性胶粘剂、热变形膜和若干开缝；其中，柔性胶粘剂沿折痕设置在基底上，热变形膜覆盖在柔性胶粘剂上；若干开缝垂直于折痕，在深度方向完全贯穿热变形膜和柔性胶粘剂。

沿折痕布置的热变形膜在高温下收缩并通过胶粘剂驱使基底弯曲。胶粘剂的柔性使热变形膜与基底之间能够发生局部小幅度错动，进而使热变形膜在沿折痕方向的热致收缩于开缝处被充分释放，因此该方向的热致收缩不影响基底形状。同时，由于热变形膜的宽度大于开缝间距(如为开缝间距的三倍)，热变形膜垂直于折痕方向的热致收缩虽然在边缘处有小幅度释放，但不影响其驱使基底沿折痕弯曲并进而形成折痕。