[发明专利]一种形状自适应的快速响应软加热器的制备方法及产品

说明书

本发明属于柔性电子器件领域，并具体公开了一种形状自适应的快速响应软加热器的制备方法及产品。所述方法包括：(1)将聚乙烯醇水溶液旋涂在硬质基底上，加热使其固化形成牺牲层；(2)利用丝网印刷将导电材料加工成导电层；(3)在牺牲层上旋涂柔性高聚物，加热使柔性高聚物固化；(4)溶解牺牲层，以剥离硬质基底；(6)在软加热器初体上粘贴铜箔和绝缘层。所述产品采用上述方法制备而成。本发明软加热器响应速度快，所需驱动电压小，形变大，具有良好的形状自适应性，可实现可靠抓取与加热复杂形面物体；同时，其高温下热稳定性良好，并能通过简单地控制电源的直流电压即可调节软加热器的性能。

技术领域

本发明属于柔性电子器件领域，更具体地，涉及一种形状自适应的快速响应软加热器的制备方法及产品。

背景技术

柔性致动器可以转换诸如热、光等外部刺激以实现自身的机械变形，在人工肌肉，仿生机器人等领域有很大的应用前景。在各种类型的致动器中，电动致动器结构相对简单并且易于控制。其中电活性聚合物致动器由于其重量轻，变形大，灵活性和低成本而得到了广泛的研究。但大多数电活性聚合物致动器需要高驱动电压或电解质环境，因此它们在不同领域的应用受到严格限制。

与电活性聚合物致动器不同，基于材料热膨胀差异的电热执行器可以在低的驱动电压下获得大变形，同时无电解器件的结构使得其在不同环境中能够实现灵活和复杂的运动。许多基于金属纳米线石墨烯的电热致动器在具有优良的性能，并且已经实现了部分应用，但由于碳纳米材料的相对高的电阻和复杂的制造工艺，它们仍然不能满足低致动电压，低成本和大变形的高性能致动器的要求。更重要的是，这些执行器只能执行简单的变形例如弯曲和扭曲等，因此它们的功能相当有限。同时，柔性和可拉伸加热器是可穿戴电子产品(如热疗)非常需要的，因此已经有不少学者致力于开发柔性加热器。然而，这些加热器不能进行大变形和加热三维曲面物体，因而难以实际应用。

综上所述，高级热疗、食品处理和加工等行业亟待开发具有低驱动电压，短响应时间，大变形，低成本和多种功能的柔性致动加热器。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种形状自适应的快速响应软加热器的制备方法及产品，其中结合软加热器自身的特征及其工艺特点，相应结合了牺牲层工艺、以及印刷工艺，使得印刷形成的表面比较粗糙的导电层能够更好的与柔性高聚物材料进行粘附，不易脱落。同时，本发明基于材料热膨胀差异，没有复杂的电解结构，且功能层的导电性优异，只需少量能量即可实现大的形变，其高温下热稳定性良好，并能通过简单地控制电源的直流电压即可调节软加热器的性能。因而尤其适用于高级热疗和食品加工等行业。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种形状自适应的快速响应软加热器的制备方法，包括以下步骤：

S1在硬质基底上制备一层由聚乙烯醇水溶液固化而成的牺牲层；

S2将指定形状的膏状的导电材料印刷至步骤S1制备的所述牺牲层表面，然后加热使得所述指定形状的膏状的导电材料固化，从而制备得到定形状的导电功能层；

S3在所述牺牲层和所述导电功能层的表面均旋涂柔性高聚物材料，使其均匀包覆所述导电功能层，然后加热所述柔性高聚物材料，使之固化，从而得到包覆所述导电功能层的柔性基底，此时，所述硬质基底、牺牲层、导电功能层以及柔性基底共同构成软加热器基体；

S4根据所述导电功能层的形状，对所述软加热器基体进行切割，然后将切割后的软加热器基体放入去离子水中并加热，使得所述牺牲层完全溶解，以剥离所述硬质基底，从而得到由所述导电功能层和柔性基底共同构成的软加热器初体；

S5将构成所述软加热器初体的导电功能层的两端与铜箔通过银膏连接到外部电源，并对该导电功能层远离所述柔性基底的一侧进行绝缘处理，从而制备得到形状自适应的软加热器。