CN102067349A - 包括复合材料的换能器和制造这种复合材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于在机械能和电能之间转换的换能器。所述换能器包括EAP层压体，该EAP层压体具有在两个电极层之间布置的弹性材料的层（2），每个电极层包括塑性可变形材料的层（5）—例如金属或热塑材料—和导电材料的层（6）。由于塑性可变形材料的层，电极层可以被整形为可以提供换能器的各向异性特性的各种形状。

Description

包括复合材料的换能器和制造这种复合材料的方法
技术领域
本发明涉及一种用于在机械能和电能之间转换的弹性换能器。本发明还涉及一种用于这样的换能器的复合材料和一种用于制造这样的复合材料的方法。
背景技术
在位于弹性体的相对侧上的两个电极之间的电势差可以产生电场，该电场导致吸引力，并且因此导致在电极之间的库仑力影响下的弹性体的偏斜。弹性体上电极的这种复合材料可以以各种方式来用于起动和感测目的。在用作换能器的情况下，它们有时被称为电活性聚合物换能器（EAP换能器）或人造肌肉。
通常，期望提供换能器的依从性（complicance）以在特定方向上偏斜。这通常被称为各向异性结构。为了提供换能器的各向异性，引入了偏斜控制结构。该偏斜控制结构可以是刚性构件，该刚性构件被施加到弹性体以限制在特定方向上的偏斜，或者该偏斜控制结构可以由电极构成，这些电极被形成为使得偏斜主要在特定方向上是可能的。
US 6,376,971公开了一种依从电极，该依从电极被定位为与聚合物接触，使得当在电极两端施加电势差时，在电极之间产生的电场将电极相对于彼此收缩，由此使聚合物偏斜。因为电极是实质上刚性的材料，所以必须使得这些电极有纹理，以便使得这些电极依从。
US 6,376,971公开了一种平面依从电极，该平面依从电极被结构化并且提供单向依从，其中在电荷分布层上以平行线的形式形成金属迹线的图案，两者覆盖聚合物的活性区域。金属迹线和电荷分布层被施加到聚合物的相对表面。电荷分布层有助于电荷在金属迹线之间的分布，并且是依从的。结果，结构化的电极允许在垂直于平行金属迹线的依从方向上的偏斜。通常，电荷分布层具有比电活性聚合物更大但是小于金属迹线的电导。
例如在US 2004/0012301中描述了其他的EAP换能器，其中在弹性材料的主体中提供有波浪形部分。该波浪形形状在特定方向上提供了换能器的依从。
通常，在相对复杂的过程中提供偏斜控制结构的结构或形状，并且因此提供已知换能器的所设计的各向异性，所述过程例如包括在特定的微型图案中涂敷各种层。这是复杂的，并且可能引起在结构中的缺陷以及因此引起换能器的性能降低，特别是当偏斜控制结构由复合材料的电极构成时。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有替代复合材料的换能器，并且提供一种制造用于换能器的复合材料的方法。具体地说，目的是提供一种可以以有效的方式来制造的换能器，并且提供一种制造偏斜控制结构的替代方式，并且因此提供各向异性。
根据第一方面，本发明提供一种用于在机械能和电能之间转换的换能器，该换能器包括层压体，该层压体具有在两个电极层之间布置的弹性材料的第一层，每个电极层包括塑性可变形材料的第二层和导电材料的第三层。
因为第二层是塑性可变形材料的，所以有可能通过将该层加热来对其整形。在这样的整形过程中，加热使得能够对塑性可变形材料整形以提供在塑性变形后保留的特定形状。
塑性可变形材料可以例如是金属材料或塑料材料，或一般是可以通过塑性变形重新整形以便保留所提供的新形状的任何种类的材料。
塑性变形在此表示材料在被增加并且然后去除负载之后保持变形。
在一个实施例中，塑性可变形材料是可热成形材料，该可热成形材料在此表示其在加热后更容易变形，例如热塑材料。通过使用热塑材料，在加热该材料后变形可能发生，并且在随后的冷却之后，热塑材料的形状固定。可热成形材料可以有助于通过使用在重新整形工具和第二层之间的相对低的压力来对第二层重新整形，并且因此不引起或基本上不引起对于层压体的损害。
例如从文件EP 1919072中已知在这样的换能器中引入多个层，然而不知道的是通过引入变形的没有某种方式的预应变的层来形成波纹，其中层的结果产生的波形具有至少在与层本身的厚度相同数量级或范围内的波幅。这导致层的形状影响层主体的孔，而不仅表面被处理。
也已知通过附接到具有预应变的聚合物的硬层（例如，电极）来引入波纹，当释放聚合物时，该硬层由于其非弹性的性质而将“膨胀”或“纹理化”成经常为不规则的表面结构，可在US 6,376,917中找到一个示例。
然而，该层仅由于被固定到具有预应变的聚合物材料的表面而成形。
例如，在本发明中引入的塑性可变形材料引入了用于形成诸如波纹的表面结构的非常不同的方式，原因在于，对塑性可变形材料进行整形也对与其附接的（一个或多个）层的表面进行整形。
一旦以特定形状成形，则塑性可变形材料可以构成偏斜控制结构，并且该偏斜控制结构可以提供取决于方向的对变形的依从，即各向异性。
“具有各向异性结构”表示：“在一个方向上具有对伸展的依从并且在另一个方向上对伸展的依从较小”，即在依从性较大的方向上伸展层压体比在依从性较小的方向上需要更小的力，或者表示层压体可以在依从方向上比在依从性较小的方向上更大程度地伸展，而不会过度伸展并且可能损害层压体。
替代地，塑性可变形材料可以对其他层之一整形，所述其他层之一然后可以再次构成偏斜控制结构并且提供取决于方向的对变形的依从。具体地说，意欲使第二层偏离第二层所属的那个电极层的第三层。
因此，通过使用塑性可变形材料，有可能在标准化的过程中制备层压体的至少一部分，并且随后根据具体期望的各向异性来对塑性可变形材料重新整形。
当第二层已经被整形时，第三层以及可能第一层的至少一部分可以采用第二层的形状，并且可选地，塑性可变形材料由此可以用于对层压体的主要部分整形或用于对整个层压体整形。
作为示例，可以在标准过程中提供第一层和第二层的至少一个，并且可以在标准过程中结合这两个层以形成标准化的电极层。可选地，也可以在这样的两个电极层之间结合第一层，以形成具有标准的各向异性或完全没有各向异性的标准化的层压体。此时，第二层和第三层都可以是平坦层。第二层至少有可能作为市售标准产品从诸如金属或热塑材料的塑性可变形材料带或塑性可变形材料片的供应商获得。在稍后的时间点，例如通过使用真空成形过程来加热和重新整形热塑材料，因此可以为特定目的设计各向异性。
可以在卷到卷（roll to roll）过程中制造这些层或整个层压体。
在一个实施例中，层压体具有拉伸的片状形状，该片状形状在一个纵向方向上比在垂直于纵向方向的横向方向上更长，并且该片状形状在垂直于纵向和横向方向的厚度方向上相对薄。
各向异性结构特别是可以提供在纵向方向上或在横向方向上的依从。特别地，可以在“无限”长度上提供复合材料，“无限”长度表示在纵向方向上比在其他方向上长得多，例如，在纵向方向上是在横向方向上的1000倍、10000倍或甚至更大倍数。
特别地，电极层可以具有波纹形状，该波纹形状形成例如在垂直于纵向方向的横向方向上延伸的凸起和凹陷的表面部分，并且形状或大小或形状和大小两者可以沿着至少一个方向（例如，垂直于横向方向的方向）周期性地改变。
第三层可以位于第二和第一层之间。然而，为了向第三层提供电势，可以有益的是，布置第三层使得该第三层形成层压体的导电外表面。
因为第三层是导电的，所以可能期望以金属材料来提供该层。因为这样的材料通常比弹性材料弹性可变形程度低，所以可能期望使用第三层作为偏斜控制结构或至少使第三层形成偏斜控制结构的一部分。因此，可能期望根据期望的各向异性来对第三层整形。
为了在对第三层整形的过程中使用第二层，可以有益的是，将第二层定位在第三层和第一层之间。这允通过抵压第三层的外部表面的整形工具来对第二层整形。
可以进一步有益的是，提供具有在第二层厚度的1/10-1/1000范围内的厚度的第三层。当第二层被整形时，第三层的相对低的厚度可引起也对第三层整形，或至少可有助于：第二层足够硬以将第三层保持在形成在第二层中的形状。
换能器的效率例如取决于第一层的偏斜程度。这再次取决于第一层的厚度和第一层的弹性模数。已经发现有益的是，提供具有第二层厚度的10至100倍厚度的第一层，并且使第一层的弹性模数比第二层的弹性模数低得多，例如使得第二层的弹性模数在第一层的弹性模数的10至100倍的范围中。进一步地，已经发现有益的是，提供具有比第一层的介质击穿更高的介质击穿的第二层，再次例如高到1.5至100倍。
第二层可以包括选自由DuPontTM TeflonTM PFA膜构成的组的膜。
第二层和第三层可以至少部分地由以下构成：例如来自Goodfellow公司（参见www.goodfellow.com）的标准聚对苯二甲酸乙二醇酯金属镀膜，例如构成第二层的聚对苯二甲酸乙二醇酯膜，和构成第三层的铝、铜、银或类似的导电材料的金属镀层。
第一层可以包括诸如硅凝胶材料的凝胶材料。
第一和第二层还可以包括选自由嵌段共聚物和块选择性低聚物构成的组的材料。
当层压体准备好时，两个电极层的第三层用作电极，并且第二层和第一层通过当向电极施加电场时的库仑力而变得可变形。
通过至少两个复合材料的堆叠可以获得层压体，其中每个复合材料包括抵靠电极层布置的弹性材料的第一层，其中电极层仍然包括塑性可变形材料的第二层和导电材料的第三层。这样的两个复合材料的堆叠提供了第一层邻近电极层、电极层邻近另一个第一层、该另一个第一层邻近另一个电极层的结构。因为首先提及的第一层不被电极层围绕，所以该首先提及的第一层变得不活动。
所述复合材料的堆叠可以包含超过2的任何数量的所述复合材料，例如5-50种复合材料，以便可以在每个第二导电层上施加电场。
为了完成换能器，仅需要对于导电层布线，使得可以施加电势。根据期望的换能器结构和容量，可以进一步折卷层压体，或以其它方式将其形成为期望的形状。
如果层压体是前述的“无穷”型，则可以通过卷起层压体以形成具有多个卷绕物（例如，10-1000个卷绕物）的管状或圆形换能器来制造换能器。层压体可以被卷起，使得该层压体在与这样的卷起结构的轴向平行的方向上是依从的，或使得该层压体在垂直于轴向的方向（例如，在卷起结构的径向）上最为依从。
在第二方面，本发明提供一种用于换能器的复合材料。该复合材料包括抵靠电极层布置的弹性材料的第一层，该电极层包括塑性可变形材料的第二层和导电材料的第三层。
通常，所述复合材料可以包括已经关于本发明第一方面所述的任何特征。
在第三方面，本发明提供一种制造用于EAP换能器的复合材料的方法，所述方法包括步骤：
a）提供塑性可变形材料的膜；
b）向膜的外表面施加导电材料层；
c）向膜的内表面施加未硬化的弹性体层；
d）经由例如通过使用加热真空模具而产生的塑形变形来对膜重新整形；以及
e）使弹性体固化。
优选地，弹性体和导电材料在重新整形之前被施加到膜。通常以下述顺序来进行所述步骤：a）、b）、c）、d）、e）。然而，b）-e）的任何一个可以具有任何相继顺序，例如a）、d）、b）、c）、e）或者a）、c）、d）、b）、e）或者a）、b）、d）、c）、e）。在一个实施例中，在膜的重新整形期间使弹性体固化。
所述方法可以还包括根据本发明的第一和第二方面的获得换能器或复合材料所需的任何步骤。
具体实施方式
下面，将参考附图更详细地描述本发明的优选实施例，在附图中：
图1示出用于在机械能和电能之间转换的换能器。该换能器包括层压体，该层压体具有在两个电极层3、4之间布置的弹性材料的第一层2。
图2示出电极层3、4之一，电极层3、4都包括热塑材料的第二层5和导电材料的第三层6。
第三层与第二层相比相对地薄，并且因为第二层和第三层紧固地粘合在一起，所以当第二层被重新整形时，第三层容易地变形或被重新整形。因为第二层是热塑层，所以可以通过使用热压工具或加热真空成形工具—下面称为热成形—来对该第二层整形。第一层优选在电极层3、4中的至少一个热成形之前被施加到该电极层3、4中的至少一个。
图3示出电极层，该电极层具有热塑层5和导电层6，该导电层6仍未被重新整形。
在图4中，还未固化或硬化的弹性体的层2已经被施加到导电层6的表面。
在图5中，电极层与加热真空成形工具7接触，该加热真空成形工具7对电极层重新整形并且提供波形，该波形有助于在垂直于波峰和波谷的方向上的伸展。在这个阶段，层2被硬化或固化，由此该层2支撑电极层的新形成的形状。
替代地，弹性体层被施加到热塑层5，并且通过将真空成形工具压到相对侧—即压到导电层6—中来对电极层重新整形。
图6示出可以卷起以例如形成圆柱管状换能器的层压体。
图7示出换能器可以包括大量的层。

Claims (25)

1. 一种用于在机械能和电能之间转换的换能器，所述换能器包括层压体，所述层压体具有在两个电极层之间布置的弹性材料的第一层，每个电极层包括塑性可变形材料的第二层和导电材料的第三层。
2. 根据权利要求1所述的换能器，其中所述塑性可变形材料是热塑材料。
3. 根据权利要求1或2所述的换能器，其中所述电极层具有有助于各向异性伸展的形状。
4. 根据权利要求3所述的换能器，其中所述电极层具有波纹形状，所述波纹形状形成凸起和凹陷的表面部分。
5. 根据前述权利要求的任一项所述的换能器，其中所述电极层具有沿着至少一个方向周期性地改变的形状和/或大小。
6. 根据前述权利要求的任一项所述的换能器，其中所述第三层形成所述层压体的导电外表面。
7. 根据前述权利要求的任一项所述的换能器，其中所述第三层位于所述第二层和所述第一层之间。
8. 根据前述权利要求的任一项所述的换能器，其中所述第三层具有在所述第二层厚度的1/10-1/1000范围内的厚度。
9. 根据前述权利要求的任一项所述的换能器，其中所述第二层具有在所述第一层厚度的1/10-1/100范围内的厚度。
10. 根据前述权利要求的任一项所述的换能器，其中所述第二层具有比所述第一层的介质击穿更高的介质击穿。
11. 根据前述权利要求的任一项所述的换能器，其中所述第二层具有比所述第一层的弹性模数更高的弹性模数。
12. 根据前述权利要求的任一项所述的换能器，其中所述第二层包括选自由DuPontTM TeflonTM PFA膜构成的组中的膜。
13. 根据前述权利要求的任一项所述的换能器，其中所述第一层包括凝胶材料。
14. 根据权利要求13所述的换能器，其中所述凝胶材料是硅材料。
15. 根据前述权利要求的任一项所述的换能器，包括与第一层交替的多个电极层。
16. 一种用于换能器的复合材料，所述复合材料包括抵靠电极层布置的弹性材料的第一层，所述电极层包括塑性可变形材料的第二层和导电材料的第三层。
17. 根据权利要求16所述的复合材料，其中所述塑性可变形材料是热塑材料。
18. 一种以根据权利要求16或17所述的多种复合材料制成的换能器，所述复合材料以堆叠方式布置。
19. 一种制造用于EAP换能器的复合材料的方法，所述方法包括步骤：
- 提供塑性可变形材料的膜；
- 向膜的内表面施加未硬化的弹性体；
- 通过所述塑性可变形材料的塑性变形来对所述膜重新整形；以及
- 使所述弹性体固化。
20. 根据权利要求19所述的方法，其中在所述膜的重新整形期间使所述弹性体固化。
21. 根据权利要求20所述的方法，其中对所述膜重新整形以在所述膜中提供波形形状的图案。
22. 根据权利要求19-21所述的方法，其中通过使用加热真空模具来使所述塑性可变形材料塑性变形。
23. 根据权利要求19-22的任一项所述的方法，其中以包括PTFE的材料制成所述膜。
24. 根据权利要求19-23的任一项所述的方法，其中在重新整形之前，所述弹性体被施加到所述膜。
25. 根据权利要求19-24的任一项所述的方法，包括步骤：将塑性可变形材料的附加膜提供到所述弹性体上。
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