[发明专利]一种纤维状介电弹性体驱动器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种纤维状介电弹性体驱动器及其制备方法，该驱动器是三层同心或偏心纤维结构，内外两层为柔性电极，中间层为介电弹性体。该方法通过设计制备嵌段共聚物作为介电弹性体材料、聚丙烯酸钠导电水凝胶作为电极材料，采用溶液纺丝共挤出技术，可以实现连续化、规模化制造，有利于推进低成本介电弹性体驱动器的实际应用，通过设计不同形状的挤出头，制备得到不同纤维状结构的驱动器，实现不同的运动形式，本发明的纤维状介电弹性体驱动器具有轻质、全柔性、高透明度特点，无需硬质框架，无预拉伸时可在较低电压下实现大变形(＞10％)，弯曲程度大于90度，在软体机器人、可穿戴电子设备、智能织物、智能光学器件等领域具有巨大的应用前景。

技术领域

本发明涉及介电弹性体驱动器领域，尤其涉及一种纤维状介电弹性体驱动器及其制备方法。

背景技术

目前机器人与工业自动化领域传统的驱动形式是电机驱动，以刚性结构为主，存在笨重、安全系数低、环境适应性差、传动效率低、噪声大等问题。

为解决这些问题，人们开发了各种柔性驱动器，根据驱动机理可分为物质驱动、热驱动、气压驱动和电驱动。物质驱动的水凝胶和导电聚合物驱动器，响应速度慢，需要液相介质，这限制了其应用；热驱动的液晶弹性体和形状记忆聚合物驱动器，存在热量难以控制的问题；气动人工肌肉体积大、受辅助系统的限制；而电驱动的介电弹性体是一类能在外电场作用下产生大变形的智能软材料，具有柔性、响应速度快、不需要液相介质、易于控制集成、体积小、质量轻、能量密度高、能量转化效率高、噪声低等特点，被视为新一代人工肌肉，在软体机器人、智能可穿戴设备、康复医疗器材、人机交互产品、微流体控制等领域具有巨大的应用潜力。

在介电弹性体薄膜的上下表面涂覆柔性电极，即可组成介电弹性体驱动器。其驱动机理是：向电极表面施加电压时，上下表面的异种电荷相互吸引，同一表面的同种电荷相互排斥，产生麦克斯韦应力(Maxwell Stress)，使得介电弹性体在厚度方向被压缩，在平面方向上发生扩张，从而产生驱动变形，将电能转化为机械能。施加在介电弹性体薄膜上的麦克斯韦应力(P)为：

P＝ε₀ε_rE²

式中ε₀为真空介电常数(8.85×10^-12F/m)，ε_r为介电弹性体的相对介电常数，E为外加电场的电场强度(等于外加电压U与薄膜厚度d的比值，)。在小变形时，薄膜厚度收缩应变(S_Z)为：

式中Y为介电弹性体的弹性模量。由此可见，介电弹性体驱动器的驱动应变与模量、厚度的平方成反比，与介电常数、电压的平方成正比。

相比于产生双向驱动不利于实际应用的平面构型驱动器，能实现线性驱动的纤维状驱动器具有诸多优点：纤维是一种具有柔性和各向异性的结构，可利用传统的纺织技术进行编织得到可穿戴的智能织物，而且，自然界中最完美的柔性驱动器——生物肌肉，也具有多级纤维结构，其运动单元是能产生线性驱动的肌纤维，通过组合便可实现复杂的运动形式。

现有制备纤维状介电弹性体驱动器的方法主要有手工涂覆导电电极到管状介电弹性体法、浸渍涂覆法、介电弹性体薄膜卷绕弹簧芯法等。Arora等人将市售硅橡胶弹性体中空管预拉伸后用硬质框架固定，再手工涂覆导电电极，制备得到的纤维驱动器在高达14kV的电压下产生7％的应变；Kofod等人利用多次浸渍涂覆工艺，将橡皮筋预拉伸后固定，分别在电极溶液和介电弹性体溶液中浸涂上电极层和介电弹性体层，该驱动器在大约10kV的电压下应变为6.9％；Rajamani等人将VHB膜预拉伸、涂覆碳膏电极后，在弹簧表面卷绕，形成矮胖型卷绕驱动器，在3.64kV电压下驱动应变为12.77％。