[发明专利]高性能电活性聚合物换能器

说明书

技术领域

本发明一般涉及电活性聚合物结构，其可将电能转换为机械能，反之亦然。特别地，本发明涉及预应变聚合物致动器和换能器的框架和网状构型。

背景技术

当前使用的大量各种装置依赖于一种或另一种致动器(actuator)，来将电能转换为机械能。此致动器给这些产品“赋予生命”，驱动它们运转起来。相反地，许多发电应用的操作是通过将机械运动转换为电能。以这种方式用来获取机械能的这种类型的致动器可被称为发电机。同样地，当这种结构被用来将诸如振动或压力的物理刺激转换为用于测量目的的电信号时，它可被称为换能器。然而，“换能器(transducer)”这一术语可被用来统称这些装置。无论采用什么名字，利用电活性聚合物(electroactivepolymer)的新一类元件能够经配置后提供这些功能。

特别是对于致动器和发电机的应用，许多设计考虑关注于选择和使用基于高级电活性聚合物技术的换能器。这些考虑包括有势力(potentialforce)、功率密度、能量转换/消耗、尺寸、重量、成本、响应时间、占空比、运行要求、环境影响等等。由SRI International and licensee ArtificialMuscle公司研发的电活性聚合物人造肌肉(Electroactive Polymer ArtificialMuscle，EPAM^TM)技术，在每一个范畴中相对于其它可用技术处于领先地位。在许多应用中，EPAMTM技术完美地替代了压电式的形状记忆合金(SMA)以及诸如电动机及螺线管等电磁装置。

作为一种致动器，EPAM^TM技术通过在由弹性电介质聚合物隔开的两个弹性薄膜电极上施加电压来操作。当向这些电极施加电压差时，反向充电的构件相互吸引，从而对彼此间聚合物产生压力。这个压力将电极拉到一起，导致电介质聚合物变得更薄(z轴分量收缩)，而沿平面方向延展(聚合物薄膜的x和y轴伸长)。另一个因素驱使聚合物薄膜变薄和延展。分布在各个弹性薄膜电极上的类似(同样)电荷导致嵌入至薄膜内的导电粒子相互排斥，从而使聚合物薄膜相连的弹性电极和电介质延展。

利用这种“形状记忆”技术，Artificial Muscle公司正在研发一系列的新型固态装置，以便用于各种各样的工业、医疗、消费者和电子应用。当前产品的体系包括：致动器、电动机、换能器/传感器、泵和发电机。致动器由上面讨论的操作来使能。当材料发生物理变形时，发电机和传感器依靠改变电容来使能。

Artificial Muscle公司现已引入了许多基本的“齐全即可使用(turnkey)”类型的装置，这些装置可用作构建部件以取代现有装置。每个装置都采用支架或框架结构来对电介质聚合物进行预应变(pre-strain)。据观察，预应变改善了聚合物的电介质强度，由此通过容许更高的场电势而改善电能和机械能之间的转换。

这些致动器中，“弹簧辊”类型的线性致动器是通过在螺旋状弹簧周围覆盖EPAM^TM材料层来制备的。将EPAM^TM材料连接至弹簧末端处的帽/罩以固定其位置。弹簧体支撑对EPAM^TM的径向或圆周方向的预应变，而弹簧长度方向的压缩提供了轴向预应变。所施加的电压使得薄膜在厚度上向下挤压而在长度方向上舒驰，从而容许弹簧(由此，整个装置)延展。通过形成电极以围绕圆周产生两个或多个单独处理的部分，电气激活一个这样的部分导致辊延伸以及整个结构远离那一侧弯曲。

弯曲梁(bending beam)致动器的形成是通过沿着梁的表面粘贴一层或多层伸展的EPAM^TM材料。当施加电压时，EPAM^TM材料在厚度方向上收缩，在长度方向上伸长。沿着梁的一侧上的长度增加导致梁远离活性层弯曲。

成对的电介质弹性体薄膜(或诸如上述“弹簧辊”的全套致动器组件)可布置为“推-拉(push-pull)”构造。从一个致动器到另一个致动器切换电压可来回地移动组件的位置。激活系统的相对两侧使得该组件固定在中性点。如此配置后，致动器就像控制人手臂运动的相对的二头肌和三头肌那样动作。无论推-拉式结构包括固定至平面框架的薄膜部分，还是包括一个或多个相对的弹簧辊等等，一个EPAM^TM结构都可用作另一个EPAM^TM结构的偏置构件，反之亦然。