[发明专利]一种基于喷涂非金属电极的柔性电致动器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于喷涂非金属电极的柔性电致动器及其制备方法；所述离子聚合物中间层由TPU胶粒在DMF溶液中溶解并与离子液体以一定比例混合均匀后，滴于特定玻璃容器表面经特定温度程序烘干制成；离子聚合物中间层的上表面、下表面均通过超声喷涂工艺覆盖一层非金属电极层；非金属电极层前驱体溶液由非金属导电高分子材料、碳纳米管、二甲基亚砜、乙醇和离子液体按一定比例均匀混合而成，电极层前驱体溶液通过超声喷涂工艺附着到离子聚合物中间层上下两面，喷涂过程有热台持续加热。本发明不但可以低成本便捷进行大规模制备以及自定义图案化，而且器件的致动速度也会有较好的保证。

技术领域

本发明涉及一种基于喷涂非金属电极的柔性电致动器及其制备方法，属于柔性电子器件领域。

背景技术

随着人体交互式柔性电子器件的不断演化，包括触感生物心理系统、触觉渲染系统和触控界面等在内的柔性触觉感应系统逐渐吸引研究者的关注。起到效应器作用的“人造肌肉”便是柔性触觉感应系统的一个重要组成部分，这是一个重叠了材料科学、化学工程、机械工程、电气工程和化学等多个学科的领域。作为一类材料和装置的总称，人造肌肉器件可以在一个组件内由于各种外部刺激(如电压、电流、压力、温度、光强等)而可逆地收缩、膨胀或旋转，从而起到各类致动效果。

特别地，在柔性电子系统中，为了使人造肌肉“效应器”和前端“感受器”(传感模块)相衔接，电信号致动的人造肌肉即柔性电致动器有着较广的应用。和刚性器件相比，柔性电致动器具有弹性，用作机器人手时可以对所夹持物体(尤其是易碎物体)起到较好的保护作用，同时其柔性特性也可以帮助其灵活适应变化的环境，可无限切割特性也使其在微系统中得到广泛应用。如果在器件中集成药物递送、多模传感、生物相容和生物降解、颜色变化等多重功能，柔性电致动器将在航空航天、生物医学工程、军事、太空探险和深海探查等诸多领域发挥重大作用。

柔性电致动器通常包括聚合物中间层和电极层两个部分。按照聚合物类型划分，有导电聚合物型和离子聚合物型两种。导电聚合物型柔性电致动器是利用电场来驱动，相比离子聚合物型柔性电致动器来说需要施加很高的电压，因此通常不应用在人体交互式柔性电子系统中。离子聚合物型柔性电致动器通过在电极层两端施加一个小直流电压，即可导致聚合物中间层内的离子向两极移动，阴阳离子的尺寸差进一步导致器件产生和电压极性相对应的可逆弯曲。然而，对于柔性电致动器的电极层，现有研究通常采用蒸镀贵金属(如金、铂等)或物理气相沉积氧化铟锡(ITO)类薄膜的方法。前者工艺复杂，成本昂贵，且囿于微加工工艺设备真空等要求限制，无法进行大规模工程制造；后者由于ITO等同类薄膜较脆的属性，在器件工作过程中容易发生龟裂，从而影响器件循环寿命。

为了让柔性电致动器应用于机器人手等场景时能有较快的响应速度，器件需要有适宜的尺寸，电极层需要有良好的导电性，离子聚合物层的离子需要有较好的迁移性，且离子聚合物层与电极层各组分都需要有良好的机械性能。金属材料如Pt等作电极材料时可以有极强的导电性，但其成本昂贵，且大规模制造受阻于相关微加工工艺设备，同时由于金属与离子聚合物中间层的巨大机械特性差异，器件的驱动可靠性会受到较大影响。因此，采用非金属材料做电极层有着非常重要的意义，不但可以低成本便捷进行大规模制备以及自定义图案化，而且器件的致动速度(带宽)也会有较好的保证。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的问题，提供一种基于喷涂非金属电极的柔性电致动器及其制备方法，本发明采用热塑性聚氨酯弹性体(TPU)胶粒和离子液体1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲磺酰)亚胺([EMIM]+[TFSI]-)混合制成离子聚合物中间层，

使用超声喷涂设备与XY两轴移动装置在两侧大规模喷涂非金属导电高分子材料PEDOT:PSS和碳纳米管(CNT)以及相关添加剂组成的电极层。所制得柔性电致动器可在±3V直流电压下，于数秒内产生对应方向的2mm左右位移，并且在断电后回复到初始位置。所制得柔性电致动器性能与采用金属电极层的柔性电致动器相当，但工艺简单，制备快捷，稳定性好，且可大规模图案化。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：