[发明专利]一种电热驱动薄膜及基于该薄膜的频率开关

说明书

本发明提供了一种在不同电压频率下快速形变的电热驱动薄膜，该薄膜是以超顺磁碳纳米管(SACNT)薄膜和油墨分别复合在pet膜两侧制备而成，由于薄膜之间的热膨胀系数严重不匹配，当向其施加电压时，利用SACNT良好的导电性和油墨的导热性驱动薄膜弯曲制动，该薄膜能够在不同频率电压下完成驱动，且性能稳定，反复驱动上万次性能几乎没有衰减，其性能优于目前报道的多数电热驱动器。

技术领域

本发明属于智能驱动材料领域，具体涉及一种电热驱动薄膜及基于该薄膜的频率开关。

背景技术

电热驱动是基于热膨胀原理的，通过施加电压产生热量使材料温度升高，实现驱动。它具有驱动电压低、驱动力大的优点，基于这一原理，研究人员设计了双层膜电热式驱动器、U型电热式驱动器、V型电热式驱动器等，如清华大学杨岳等人利用双金属驱动方式研制了热致动微型泵，其工作原理是依靠驱动薄膜的弹性变形，使泵腔的体积发生变化，从而导致泵腔内的压力变化，实现流体由入口阀进入泵腔并由出口阀留出的周期性变化，但该驱动方式的一般工作频率较低。如D.Girbau和A.Laizaro等设计的V型梁热驱动器以及JinQiu等采用多晶硅作为驱动材料研制的一种预变形的U型梁双稳态热驱动器，存在功耗较大、稳定性差、使用寿命短的问题。

碳纳米管(CNT)具有显著的电学，热学和机械性能，结合其独特的负的热膨胀系数(CTE)，可用于构造双晶片致动器，其表现出优异的驱动性能。如CNT/聚氨酯-CNT/硅橡胶驱动器在7V电压下显示出0.58的位移长度比(D/L)。超级排列的碳纳米管(SACNT)薄膜是用化学气相沉积法生长的CNT薄膜中提取的，与CNT相比，SACNT具有更加优秀的机械和电热性能，是构建电热或光热驱动器的有效材料。本发明以热吸收系数较高的油墨作为膨胀层，再结合电热性能较好的SACNT，制备的油墨/PET/SACNT复合膜(IPS)，能够在不同频率电压下快速响应，且性能稳定，上万次反复驱动后性能几乎没有衰减，基于该薄膜制备的频率开关，可以通过激活第二电路的光电传感器，用来控制高压电路，以保证高压设备的安全性。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种在不同电压频率下快速形变的电热驱动薄膜，该薄膜是以超顺磁碳纳米管(SACNT)薄膜和油墨分别复合在pet膜两侧制备而成，由于薄膜之间的热膨胀系数严重不匹配，当向其施加电压时，利用SACNT良好的导电性和油墨的导热性驱动薄膜弯曲制动，该薄膜能够在不同频率电压下完成驱动，且性能稳定，反复驱动上万次性能几乎没有衰减，其性能优于目前报道的多数电热驱动器。

此外，基于电热驱动薄膜在电刺激下的高驱动频率，我们在此制造了一个基于该薄膜的电控开关。该开关可以通过施加或关闭电压形成弯曲/不弯曲致动，激活第二电路的光电传感器，在低压下控制第二电路，以保证高压电路的安全性。

所述电热驱动薄膜1包括三层：pet膜11、油墨层12和SACNT薄膜13，如图1所示，其中，PET膜用作钝化层，主要起到支撑作用。油墨层是由炭黑，聚氨酯溶解在乙酸乙酯和丙酮的混合溶剂中制备而成，因其高的CTE系数可作为热膨胀层。附着在PET膜另一侧的柔性SACNT膜具有良好的导电性，并能提高电热薄膜的整体拉伸强度。在10V直流(DC)电压下测电热驱动薄膜的电流-电压(I-V)特性，如图2所示，其电流-电压变化线性较好，显示SACNT薄膜良好的导电性。如图3所示，电热驱动薄膜在特定弯曲半径5.0mm处保持高的电阻稳定性，测得电阻变化小于0.1％，是非常有前景的电热执行器的候选者。