[发明专利]一种可电控表面形貌的装置及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种可电控表面形貌的装置，包括连续电极、穿孔电极和液晶弹性体；所述液晶弹性体分布在连续电极和穿孔电极之间；穿孔电极为具有网状或穿孔结构的导电电极。本发明实现控制表面形貌的原理是：在施加电场下，液晶弹性体产生形变，使得穿孔电极的网状或空隙中存在的突起突出，从而实现表面调控。本发明提供的装置最大垂直形变高度高达1μm，对应于垂直排列的装置约11％的厚度调制，同时通过导电网络内的穿孔作为平台突出的垂直变形，不受特定的导电电极网络间距决定，在电压或外力作用下与液晶弹性体产生形变，不需要特定的排列实现形变，本发明提供的装置能够超过麦克斯韦效应的极限，具备极大的应用前景。

技术领域

本发明属于液晶弹性体器件技术领域，更具体地，涉及一种可电控表面形貌的装置及其制备方法和应用。

背景技术

可按需求进行拓扑变化，并可产生刺激响应结构的表面，同时能够利用其表面粗糙度进行调控的器件具备多方面的潜在应用，例如响应弹性体就是具备这一潜在应用的材料，而液晶聚合物作为一种特殊的响应弹性体，需要通过刺激来引起表面形貌变化（例如，通过降低分子排列的序参量实现）。针对不同的刺激，目前有诸多的研究，例如，温度，光照，化学刺激等，以上刺激方式通过不同的工作机制来降低单畴液晶膜的序参量。近期有研究显示，电位也可以刺激液晶膜以及畴的形貌变化。例如，电场可引起液晶单元中序参量的减少，引发自由体积的产生，同时伴随发生相对于材料阵列方向的收缩和膨胀形式的形变。例如已有研究表示在液晶薄膜的面内/侧面排列的电极上施加的产生AC电压以产生电场。当交变电场与液晶网络本征频率匹配时，会导致谐振效应，并促进自由体积和形变的产生。

此外，由于机电效应的发生，各向同性聚多畴向列型弹性体可以表现出与施加的电相平行方向上很大的收缩应变。事实上，在执行器研究领域中，已经有对非液晶介电弹性体作为电响应材料系统的研究，其中最重要的目标是诱导出大的斑点而不是形貌变化。在这些系统中，将介电弹性体夹在两个电极中间，然后对其施加电压时候会发生收缩。电势U导致的静电压力F/A可由公式（1）得到：

F/A =ε₀ε_rU²/d² (1)

电常数ε₀e₀，介电常数e_r，弹性体的厚度d。施加应力导致的形变可由胡克定律给出，见公式（2）

(2)

杨氏模量E，调制度Dd/d₀。因此材料本身的性质E，ε_r和击穿电压U/d决定了这种麦克斯韦效应。这种系统也被用于制备可开关控制的表面结构。然而，对于各向同性起源的多畴向列型弹性体，会对麦克斯韦效应产生更大的响应，这是因为多畴LC膜的各向同性有着特殊的旋转方向而产生的柔软性。

对于施加诸如，改变温度，光照以及化学刺激来实现LC器件形貌变化的目的是不切实际的。尤其是，温度和化学刺激不能利用这种可切换器件的机制来以快速交替的顺序传递。虽然紫外光刺激可以以快速交替的顺序提供，从而引起快速的形貌变化，但是刺激的性质会限制器件的实际使用。例如，这样的装置将需要紫外光源，并且不能利用这种可切换器件的机制来以快速交替的顺序传递。虽然紫外光刺激可以以快速交替的顺序提供，从而引起快速的形貌变化，但是刺激的性质会限制器件的实际使用。例如，这样的装置将需要紫外光源，并且不能在存在大量紫外辐射的地方使用，例如来自太阳的辐射。现代技术在很大程度上依赖于电路技术，它不仅为器件提供工作电源，而且还是切换状态的最重要的媒介。因此，通过电刺激来切换LC表面形貌最具代表性的一种方法。它可以轻松实现设备集成并进一步开发成更复杂的产品。这个领域现有唯一有竞争力的技术采用了侧向电极设计，并已实现了LC的可切换表面形貌以及相关的垂直LC膜的形变。