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可拉伸复合单层电极用于低压电介质执行器——摘要、介绍

来源:上海谓载 浏览 235 次 发布时间:2021-12-17

摘要


在这项工作中,使用Langmuir-Schaefer(LS)方法开发了多壁碳纳米管/聚烷基噻吩(MWCNT/PT)复合材料作为介电弹性体致动器(DEA)的电极。这些复合材料在空气-水界面形成稳定的单分子膜,然后将其转移到聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性体膜上。单层电极在100%单轴应变下保持导电。我们提出了一种利用LS转移电极制备DEA的方法。通过在转移步骤中使用掩膜,可以在1.4μm厚的预拉伸PDMS膜的两侧以超过200μm的分辨率对电极进行图案化,以产生超低电压DEA。DEA在100V的驱动电压下产生4.0%的线性应变,比典型的DEA工作电压低一个数量级。


1.介绍


当人们希望将主动运动或变形控制集成到柔顺或可伸缩对象中时,需要软执行器。因此,软执行器被广泛应用于系统必须既软又能主动改变形状的领域,如软机器人[1,2]、可调谐光学[3,4]和柔顺夹持器[5,6]。介电弹性体致动器(DEA)由于其高能量密度[7]、大变形应变[8]和快速响应[3],是一种很有前途的软致动器技术。DEA由介电弹性体(DE)(通常为硅树脂[9]或丙烯酸树脂[7,10])组成,夹在两个兼容电极之间。当在这些电极之间施加电位差时,DE在厚度上受到挤压,在平面上膨胀[7]。对于小于约10%的变形(取决于材料和预拉伸),平面内应变Sx由[11]给出:

式中,ε是DE膜的介电常数,Ym是DE膜的杨氏模量,E是两个电极之间的电场,V是施加的电压,tm是DE膜的厚度。


通常假设DEA使用的电极不会对装置的刚度产生影响。对于许多在厚度为几十μm的丙烯酸薄膜上使用碳脂电极制造的DEA而言,情况就是如此。只有在遵守以下不等式时,才能忽略电极刚度[12]:

式中,Ye是电极的杨氏模量,te是电极厚度,Ym是DE的杨氏模量,tm是DE膜厚度。


如果不满足式(2)(例如,对于非常薄的弹性体膜或刚性金属电极),则必须修正式(1),以考虑电极的硬化影响。这突出了电极机械性能对DEAs性能的作用。


DEA的最大应变受到DE击穿场的限制(更准确地说,DEA的失效模式是机电不稳定性[13],但击穿场是小应变致动器配置的关键限制因素)。对于厚度为10μm至100μm的典型弹性体,以及在100–150V/μm的典型弹性体击穿场附近工作,DEA需要1kV至15kV以达到最大应变。由于高压电子设备的成本、尺寸和效率,这些高工作电压限制了DEA的一些可能应用。因此,为了降低DEA的工作电压,同时保持相同的驱动性能,进行了大量的研究。从式(1)中可以看出,为了在降低电压的同时保持给定的驱动应变,ε必须增加[9,14],或者Ym和tm必须减少[15,16]。应变电压平方比(Sx/V2)指标已用于比较不同工作电压下DEA的性能[16]。对于厚度为3μm的DEA,降低膜厚度tm导致先前报告的最高Sx/V2值为125%/kV2,在245V下产生7.5%的线性应变[16]。考虑到电极通常比弹性体更硬(对于DEAs中使用的几乎所有材料,Ye>Ym),当膜变薄时,电极厚度te或电极刚度Ye也必须进一步减小,以保持驱动应变,如式(2)所示。


参考文献[12,17]综述了用于DEA的可拉伸电极的技术,包括金属离子注入[18],SWCNT层的转移[19]。,离子凝胶和水凝胶[20,21],或通过移印[3,16]、喷涂[10]、刀片铸造[22]或丝网印刷[23]涂覆的掺杂有炭黑的硅酮或硅油。这些电极制造方法不适用于膜厚度为1μm的DEA,这将允许DEA在100V下工作,因为相对于去膜的电极厚度而言,电极厚度不可忽略,或者对于离子注入方法,对于50 nm厚的电极,电极刚度太高。通过开发具有低Ye*te值的纳米厚度和可拉伸电极,低压DEA技术可以取得重大突破。这将允许使用1μm厚的膜制造DEA,在100V下应变超过10%。迄今为止,在100V电压下,使DEA具有超过1%线性驱动应变的电极尚未报道[16,19,22]。


朗缪尔技术是一种有吸引力的替代常用电极制造方法,因为它可以形成纳米厚的薄膜。它是将分子单分子膜从空气-水界面转移到固体基底的有力工具。通过首先在空气-水界面扩散然后压缩两亲性分子,可以制备称为Langmuir单分子膜的单分子膜,其在数百cm2的面积上高度有序[24]。除了生产单分子厚度的薄膜外,这种技术还具有控制单分子层中分子密度的优点。然后,可以使用垂直Langmuir-Blodgett(LB)或水平Langmuir-Schaefer(LS)方法将这些Langmuir单分子膜转移到选定的基质上[25]。已经使用Langmuir技术制造了一些器件,包括分子传感器[26]、光电化学器件[27]、有机半导体器件[28]和场效应晶体管[29]。基于Langmuir技术制造的可拉伸单层导体的DEA电极尚未见报道。


在这篇文章中,Langmuir技术用于制造DEA的可拉伸单层电极(图1)。疏水性聚烷基噻吩(PT)和亲水性多壁碳纳米管(MWCNT)在溶剂中混合以形成稳定的两亲性复合分散体。该分散液可分散在水面上以形成复合电极,其中MWCNT网络嵌入在PT单层中(图1a)。铂作为导电聚合物,应能提高导电性,并在空气-水界面稳定非功能化亲水性MWCNT。研究了两种具有不同直链烷基侧链的铂-聚(3-己基噻吩)(P3HT)和聚(3-癸基噻吩)(P3DT)),因为侧链长度对铂材料性能有显着影响。链越长(高达12℃),杨氏模量和导电率越小[30]。然后使用LS方法将MWCNT/PT复合单层从空气-水界面转移到聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)弹性体膜(图1b)。这种粘附性是由PDMS基质和复合单层中的铂之间的疏水亲和性提供的。将1.4μm厚的预拉伸PDMS膜夹在两个LS转移复合电极之间,以形成100V工作DEA(图1c)。根据DEA应用的形态、电气和机械性能对电极进行评估。

图1。使用Langmuir-Schaefer转移单层电极制作低压DEA(a)在空气-水界面形成的单层复合电极:嵌入聚(烷基噻吩)(PT)单层内的互连MWCNT网络。(b)Langmuir-Schaefer(LS)将复合单分子膜从空气-水界面转移到PDMS介电膜上,制成DEA的一个电极。(c)DEA由一层1.4μm厚的硅酮膜组成,硅酮膜夹在两个亚100 nm厚的复合单层电极之间。