CN101604727B - 电致伸缩复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种电致伸缩复合材料，其包括：一柔性高分子基底，分散在所述柔性高分子基底中的多个碳纳米管。其中，所述电致伸缩复合材料还进一步包括分散在所述柔性高分子基底中的多个陶瓷颗粒。另外，本发明还涉及一种电致伸缩复合材料的制备方法。

Description

电致伸缩复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种电致伸缩复合材料及其制备方法，尤其涉及一种包含有碳纳米管的电致伸缩复合材料及其制备方法。

背景技术

电致伸缩复合材料是在电场的作用下能产生伸缩运动，从而实现电能-机械能转换的一种材料。电致伸缩复合材料由于其电能-机械能转换中类似肌肉的运动形式又被称为人工肌肉材料。现有技术中的基于电致伸缩复合材料的电能-机械能转化的材料和器件中，所述的电致伸缩复合材料主要是以单组分的材料形成，其驱动电压较高、输出应力较小，使得其性能与肌肉相比还有较大的差距。

碳纳米管纸(请参见“Carbon Nanotube Actuators”，Ray H.Baughman，etal.，Science，vol 284，p1340(1999))或含有碳纳米管的复合材料等经常被用来制备所述电致伸缩复合材料。请参阅图1，为现有技术的纳米柔性电热材料10。所述纳米柔性电热材料包括柔性高分子基底材料14及分散在柔性高分子基底材料14中的大量碳纳米管12。碳纳米管12互相搭接在柔性高分子基底材料14中形成大量导电网络，从而纳米柔性电热材料10可以导电，通电以后可发热，发热后，所述的纳米柔性电热材料10体积发生膨胀。尤其是，在沿纳米柔性电热材料10的电流流过的方向上，会产生一较大的形变。但上述的纳米柔性电热材料10通常采用将分散好的碳纳米管溶液与所述的高分子材料的预聚物溶液混合，之后通过聚合固化形成。然而，由于在所述纳米柔性电热材料10中的碳纳米管12易发生团聚，从而使得碳纳米管12在所述纳米柔性电热材料10中分散不够均匀。故，使得所述的纳米柔性电热材料10在响应速率、导电性以及应力等方面还有待进一步地提高。

有鉴于此，确有必要提供一种响应速率快及能提供较大应力的电致伸缩复合材料及其制备方法。

发明内容

一种电致伸缩复合材料，其包括：一柔性高分子基底，分散在所述柔性高分子基底中的多个碳纳米管。其中，所述电致伸缩复合材料还进一步包括分散在所述柔性高分子基底中的多个陶瓷颗粒。

一种电致伸缩复合材料的制备方法，其包括以下步骤：混合一定量的碳纳米管、陶瓷颗粒及柔性高分子的第一组分形成一混合物，并用一可挥发性溶剂溶解上述的混合物，从而形成一含有碳纳米管和陶瓷颗粒的溶液；超声破碎处理上述的碳纳米管和陶瓷颗粒的溶液，并超声清洗处理上述含有碳纳米管和陶瓷颗粒的溶液；加热上述超声处理后的溶液，挥发掉溶液中的溶剂；将柔性高分子的第二组分加入到上述经加热处理过的溶液中，搅拌混合反应后，形成一复合物，并将该复合物涂覆至一支撑体的表面；及脱泡处理所述涂覆有复合物的支撑体，除去支撑体后形成所述的电致伸缩复合材料。

与现有技术相比较，所述电致伸缩复合材料及其制备方法具有以下优点：其一，由于所述电致伸缩复合材料中除包括分散的碳纳米管，还包括大量的均匀分布的陶瓷颗粒。所述陶瓷颗粒具有较高的热导率和耐高温特性，因而可提高所述的电致伸缩复合材料的传热效率，加快响应速率。其二，由于陶瓷颗粒的机械性能好和高弹性模量的优点，故，陶瓷颗粒的引入可提高所述电致伸缩复合材料的弹性模量，在同样的应变下获得更大的应力。其三，由于陶瓷颗粒具有高电阻率、低介电常数以及低介电损耗等电学性能，因而在所述电致伸缩复合材料中掺入一定量的陶瓷颗粒，可调节所述的电致伸缩复合材料的导电性能，只需施加较小的电压即可获得理想的形变，因而降低了所述电致伸缩复合材料的使用电压。其四，在形成所述的电致伸缩复合材料的过程中，通过采用超声破碎处理从而使得所述碳纳米管和陶瓷颗粒在所述电致伸缩复合材料中得到很好的分散。

附图说明

图1是现有技术中的纳米柔性电热材料的结构示意图。

图2是本技术方案实施例的电致伸缩复合材料结构示意图和发生伸缩后的结构示意图。

图3是本技术方案实施例制备的电致伸缩复合材料的制备方法的流程图。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本技术方案的电致伸缩复合材料及其制备方法。

请参阅图2，本技术方案实施例所提供一种电致伸缩复合材料20，其包括一柔性高分子基底22，均匀分散在所述柔性高分子基底中的多个碳纳米管24，及均匀分散在所述柔性高分子基底22中的多个陶瓷颗粒26。所述碳纳米管24在所述硅橡胶基底中均匀分布，碳纳米管24互相搭接在柔性高分子基底22中形成大量导电网络。柔性高分子基底20可选自硅橡胶弹性体、聚氨脂、环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种及其任意组合。所述陶瓷颗粒26可选自氮化铝、氧化铝、氮化硼中的一种及其任意组合。

所述柔性高分子基底22在所述电致伸缩复合材料20中的质量百分比含量为大于等于90％；碳纳米管与陶瓷颗粒在所述电致伸缩复合材料20中的质量百分比含量为小于等于10％。为确保碳纳米管24在所述电致伸缩复合材料20中能形成多个导电网络，故碳纳米管24与陶瓷颗粒26的质量比大于等于1∶1。优选地，所述陶瓷颗粒的重量百分比含量为整个电致伸缩复合材料20的1％～5％。碳纳米管24可为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管及多壁碳纳米管中的一种及其任意组合，单壁碳纳米管的直径为0.5纳米～50纳米，双壁碳纳米管的直径为1.0纳米～50纳米，多壁碳纳米管的直径为1.5纳米～50纳米。

本实施例中，所述柔性高分子基底材料10为硅橡胶，碳纳米管为多壁碳纳米管，所述碳纳米管的长度为1～10微米。所述陶瓷颗粒26为氮化铝陶瓷颗粒，陶瓷颗粒的直径为1～100纳米。陶瓷颗粒26的重量百分比含量为整个电致伸缩材料20的4％，碳纳米管24的质量百分比含量为整个电致伸缩材料20的5％。

所述陶瓷颗粒26的作用为：其一，由于所述氮化铝等陶瓷颗粒26具有极高的热导率和耐高温等特性，因而可提高所述电致伸缩复合材料20的传热效率，并加快所述电致伸缩复合材料的相应速率。其二，氮化铝等陶瓷颗粒26具有高电阻率、低介电常数及介电损耗等良好的电学性能，故，掺入上述的陶瓷颗粒26后，可对所述电致伸缩复合材料20的导电性进行调解。其三，由于氮化铝等陶瓷颗粒26具有机械性能好和高弹性模量等优点，故，掺入上述的陶瓷颗粒26后，可提高所述电致伸缩复合材料20的弹性模量，在同样的应变下获得更大的应力。

将两电极设置于所述电致伸缩复合材料20相对的两端时，可将电压通过电极施加于所述电致伸缩复合材料20上，此时，电流可通过上述的导电网络进行传输。由于碳纳米管24和陶瓷颗粒26的热导率很高，从而使得所述电致伸缩复合材料20的温度快速升高，进而，使得所述碳纳米管24之间的硅橡胶处于熔融状态，而所述电致伸缩复合材料20的电流随着其温度的升高而增大，即形成了一个正回馈的过程。由于热量从所述电致伸缩复合材料20的微观局部快速地向整个电致伸缩复合材料20扩散，这样，由于热膨胀，会引起所述电致伸缩复合材料20的伸展现象。由于本实施例中的碳纳米管24和陶瓷颗粒26在电致伸缩复合材料20中分布较为均匀，因此所述电致伸缩复合材料20的响应速度较快且具有较大的伸缩率。具体地，本实施例中，所述电致伸缩复合材料20的伸缩率为1％～8％。

可以理解，当所述电致伸缩复合材料20制备成具有一定形状的样品时，当在所述样品上施加一定电压时，由于电荷在所述电致伸缩复合材料20中的电流延伸的方向上不断积累，从而使得所述电致伸缩复合材料20延所述电流延伸的方向上产生一明显的形变。而在与所述电流延伸方向垂直的方面上所述的形变不明显，从而所述电致伸缩复合材料20进行收缩时，可看作为一线性收缩。因而当需要制一线性收缩的电致伸缩复合材料20时，可直接使用本实施例提供的电致伸缩复合材料20，无需其他复杂设计便可实现线性收缩和弯曲，降低了制作工艺的难度和制作成本。

对本实施例所述的电致伸缩复合材料20进行伸缩特性测量。通过导线将电源(未标示)电压施加于所述电致伸缩复合材料20的两端。

在未通电时，测得所述长方体电致伸缩复合材料20的原始长度L1为4厘米；施加一40伏特的电压2分钟后，测得所述长方体电致伸缩复合材料20的长度L2为4.2厘米。通过计算可知，在通电后，所述长方体电致伸缩复合材料20的长度变化ΔL为0.2厘米。故，所述电致伸缩复合材料20的伸缩率为通电前后所述电致伸缩复合材料20的长度变化ΔL与所述电致伸缩复合材料的原始长度L1的比值，即5％。

进一步地，还可在本实施例所述的电致伸缩复合材料20的上下表面分别设置一硅橡胶薄层，从而形成一三明治结构，即将本实施例所述的电致伸缩复合材料20夹在两个硅橡胶薄层之间。其中，所述硅橡胶薄层的厚度为所述电致伸缩复合材料20的1～10％。由于硅橡胶薄层和所述电致伸缩复合材料20中的高分子基底22成分相同，因此硅橡胶薄层和电致伸缩复合材料20的接触面上会形成很好的结合。在形成相同厚度的电致伸缩复合材料时，本实施例所述的三明治结构的电致伸缩复合材料在保持较好的电致伸缩特性，节省了碳纳米管和陶瓷颗粒的用量，节约了成本。另外，由于所述的硅橡胶薄层具有较好的绝缘性，故可在需要绝缘的电致伸缩复合材料情况下使用。可以理解，本实施例所述的电致伸缩复合材料20，还可根据上述的原理，设置成一具有多层结构的电致伸缩复合材料，且各层的设置方式及厚度可以根据实际需要进行调整。

请参阅图3，本实施例所述的电致伸缩复合材料20的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：混合碳纳米管24、陶瓷颗粒26及硅橡胶的第一组分(A组分)形成一混合物，并用一可挥发性溶剂溶解上述的混合物，从而形成一含有碳纳米管24和陶瓷颗粒26的溶液。

本实施例中，首先将硅橡胶的A组分与碳纳米管22和陶瓷颗粒24进行混合，之后，加入适量的乙酸乙酯，使得硅橡胶A组分完全溶解，并形成一含有的碳纳米管24和陶瓷颗粒26的溶液。所述的硅橡胶是由GF-T2A弹性电子灌封胶A、B两组分按A∶B的质量比为100∶6混合反应生成。本实施例中，硅橡胶22在电致伸缩复合材料20中的质量比为91％，碳纳米管在电致伸缩复合材料20中的质量比为5％，陶瓷颗粒在电致伸缩复合材料20中的质量比为4％。

步骤二：超声破碎处理上述的碳纳米管24和陶瓷颗粒26的溶液，并超声清洗处理上述含有碳纳米管24和陶瓷颗粒26的溶液。

具体地，用超声波细胞破碎仪超声处理上述的碳纳米管24和陶瓷颗粒26的溶液10分钟；之后，用保鲜膜将上述的碳纳米管24和陶瓷颗粒26的溶液密封起来，并将密封后的碳纳米管24和陶瓷颗粒26的溶液放入超声波清洗机中超声处理3小时，从而使得上述的碳纳米管24和陶瓷颗粒26可在上述的溶液中得到较好的分散。其中，超声波破碎处理可使得碳纳米管24和陶瓷颗粒26的受到一定程度的破碎，从而减小尺寸。超声清洗处理可进一步将碳纳米管24和陶瓷颗粒26分散到溶液中。

步骤三：加热上述超声处理后的溶液，挥发掉溶液中的溶剂，形成一碳纳米管24、陶瓷颗粒26以及硅橡胶的第一组分均匀分散的混合物。

具体地，上述经超声处理后的溶液冷却至室温时，将上述的溶液放入一80摄氏度恒温的烘箱中进行加热，一直加热至溶液中的乙酸乙酯完全挥发，形成一碳纳米管24、陶瓷颗粒26以及硅橡胶的第一组分均匀分散的混合物。

步骤四：将硅橡胶的第二组分(B组分)加入到上述经加热处理过的混合物中，搅拌混合反应后，形成一复合物，并将该复合物涂覆至一支撑体的表面。

具体地，冷却上述经加热处理后的混合物至室温后，将硅橡胶的B组分加入到上述的溶液中，并用玻璃棒进行搅拌，从而使得硅橡胶B组分和硅橡胶A组分混合均匀，以便于进行充分反应。之后，将上述反应后形成的复合物用一玻璃棒涂覆至一支撑体的表面，轻轻震荡上述的支撑体，从而使得所述混合物均匀分布于所述支撑体的表面。其中，所述支撑体可为硅基片、玻璃基板等，只需具有一定的支撑作用即可，可根据实际需要进行相应的选择。

步骤五：脱泡处理所述涂覆有复合物的支撑体，除去支撑体后形成所述的电致伸缩复合材料20。

具体地，将涂覆有所述复合物的支撑体放置于一真空装置中进行抽真空，从而除去所述复合物中的气泡。为了使得本实施例所制备的电致伸缩复合材料具有光滑的表面，本实施例采用一具有光滑表面的微孔滤膜对上述的电致伸缩复合材料进行挤压，通过挤压可将复合物均匀地且平整地涂覆于所述支撑体的表面。静置12～18个小时后，用一刀片对上述的微孔滤膜的边缘进行切割，从而确保最终得到的电致伸缩复合材料的边缘连续无破损和无缺口，之后，将整个电致伸缩复合材料从支撑体的表面缓慢地揭起来。

另外，本实施例可进一步在所述电致伸缩复合材料20的上下表面分别形成一硅橡胶薄层，从而形成一三明治结构。所述三明治结构的制备方法为：将硅橡胶的第一组分溶于一挥发性溶剂中，形成一溶液；将硅橡胶的第二组分溶于所述溶液中，形成一硅橡胶预聚物溶液；将所述电致伸缩复合材料20浸入到所述硅橡胶预聚物溶液中，静置固化所述的硅橡胶预聚物溶液，即可在电致伸缩复合材料20的上下表面形成所述硅橡胶薄层。由于硅橡胶薄层与电致伸缩复合材料20中的硅橡胶基底22材料相同，因而，可将上述的电致伸缩复合材料20直接放入到硅橡胶预聚物溶液中形成所述的三明治结构，故，方法简单、易于应用。

本技术方案实施例所述的电致伸缩复合材料20及其制备方法具有以下优点：其一，由于所述电致伸缩复合材料20中除包括分散的碳纳米管24，还包括大量的均匀分布的陶瓷颗粒26。所述陶瓷颗粒26具有较高的热导率和耐高温特性，因而可提高所述的电致伸缩复合材料20的传热效率，加快响应速率。其二，由于陶瓷颗粒26的机械性能好和高弹性模量的优点，故，陶瓷颗粒的引入可提高所述电致伸缩复合材料20的弹性模量，在同样的应变下获得更大的应力。其三，由于陶瓷颗粒26具有高电阻率、低介电常数以及低介电损耗等电学性能，因而在所述电致伸缩复合材料20中掺入一定量的陶瓷颗粒，可调节所述的电致伸缩复合材料20的导电性能，只需施加较小的电压即可获得理想的形变，因而降低了所述电致伸缩复合材料20的使用电压。其四，在形成所述的电致伸缩复合材料20的过程中，通过采用超声破碎处理从而使得所述碳纳米管和陶瓷颗粒在所述电致伸缩复合材料中得到很好的分散。其五，在所述电致伸缩复合材料20的上下表面分别形成一硅橡胶薄层，从而形成一三明治结构。由于硅橡胶薄层和所述电致伸缩复合材料20中的高分子基底22成分相同，因此硅橡胶薄层和电致伸缩复合材料20的接触面上会形成很好的结合。在形成相同厚度的电致伸缩复合材料时，所述的三明治结构的电致伸缩复合材料在保持较好的电致伸缩特性，节省了碳纳米管和陶瓷颗粒的用量，节约了成本。另外，由于所述的硅橡胶薄层具有较好的绝缘性，故可在需要绝缘的电致伸缩复合材料情况下使用。

另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (17)

1.一种电致伸缩复合材料，其包括：一柔性高分子基底，分散在所述柔性高分子基底中的多个碳纳米管，其特征在于，所述电致伸缩复合材料还进一步包括分散在所述柔性高分子基底中的多个陶瓷颗粒，所述多个碳纳米管互相搭接在柔性高分子基底中形成大量导电网络。

2.如权利要求1所述的电致伸缩复合材料，其特征在于，所述柔性高分子基底材料为硅橡胶弹性体、聚氨脂、环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种及其任意组合。

3.如权利要求1所述的电致伸缩复合材料，其特征在于，所述碳纳米管在所述柔性高分子基底材料中均匀分布，且多个碳纳米管相互搭接形成多个导电网络。

4.如权利要求3所述的电致伸缩复合材料，其特征在于，所述碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管中的一种及其任意组合，单壁碳纳米管的直径为0.5纳米～50纳米，双壁碳纳米管的直径为1.0纳米～50纳米，多壁碳纳米管的直径为1.5纳米～50纳米，其长度为1～10微米。

5.如权利要求1所述的电致伸缩复合材料，其特征在于，所述陶瓷颗粒材料为氮化铝或/和氧化铝。

6.如权利要求1所述的电致伸缩复合材料，其特征在于，所述碳纳米管和陶瓷颗粒在所述电致伸缩复合材料的质量比小于等于10％，且碳纳米管和陶瓷颗粒的质量比大于等于1∶1。

7.如权利要求1所述的电致伸缩复合材料，其特征在于，所述陶瓷颗粒在所述电致伸缩复合材料中的质量比为1％～5％。

8.如权利要求1所述的电致伸缩复合材料，其特征在于，该电致伸缩复合材料进一步包括两个高分子材料薄层，该高分子材料薄层设置于所述电致伸缩复合材料的两个相对的表面。

9.如权利要求1所述的电致伸缩复合材料，其特征在于，所述电致伸缩复合材料的伸缩率为1％～8％。

10.一种电致伸缩复合材料的制备方法，其包括以下步骤：混合碳纳米管、陶瓷颗粒及柔性高分子材料的第一组分形成一混合物，并用一可挥发性溶剂溶解上述的混合物，从而形成一含有碳纳米管和陶瓷颗粒的溶液；

超声破碎处理上述含有碳纳米管和陶瓷颗粒的溶液，并超声清洗处理上述含有碳纳米管和陶瓷颗粒的溶液；

加热上述超声处理后的溶液，挥发掉溶液中的溶剂，形成一碳纳米管、陶瓷颗粒以及柔性高分子的第一组分均匀分散的混合物；

将柔性高分子材料的第二组分加入到上述经加热处理过的混合物中，搅拌混合反应后，形成一复合物，并将该复合物涂覆至一支撑体的表面；及

脱泡处理所述涂覆有复合物的支撑体，除去支撑体后形成所述的电致伸缩复合材料。

11.如权利要求10所述的电致伸缩复合材料的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管和陶瓷颗粒在所述电致伸缩复合材料的质量比小于等于10％，且碳纳米管和陶瓷颗粒的质量比大于等于1∶1，所述陶瓷颗粒在所述电致伸缩复合材料中的质量比为1％～5％。

12.如权利要求10所述的电致伸缩复合材料的制备方法，其特征在于，所述挥发性溶剂包括乙酸乙酯。

13.如权利要求10所述的电致伸缩复合材料的制备方法，其特征在于，所述柔性高分子材料为硅橡胶，且硅橡胶的第一组分与硅橡胶的第二组分的质量比为100∶6。

14.如权利要求10所述的电致伸缩复合材料的制备方法，其特征在于，在除去所述支撑体之前，还进一步包括采用微孔滤膜对所述复合物进行挤压的步骤。

15.如权利要求10所述的电致伸缩复合材料的制备方法，其特征在于，该电致伸缩复合材料的制备方法进一步包括一切割电致伸缩复合材料边缘的步骤。

16.如权利要求10所述的电致伸缩复合材料的制备方法，其特征在于，可进一步在所述电致伸缩复合材料的上下表面分别形成一硅橡胶薄层，从而形成一三明治结构。

17.如权利要求16所述的电致伸缩复合材料的制备方法，其特征在于，所述三明治结构的制备方法包括以下步骤：将硅橡胶的第一组分溶于一挥发性溶剂中，形成一溶液；将硅橡胶的第二组分溶于所述溶液中，形成一硅橡胶预聚物溶液；将所述电致伸缩复合材料浸入到所述硅橡胶预聚物溶液中，静置固化所述硅橡胶预聚物溶液，即可在电致伸缩复合材料的上下表面形成所述硅橡胶薄层。

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