CN113199844B - 一种各向异性介电弹性体纤维驱动器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种各向异性介电弹性体纤维驱动器及其制备方法，该驱动器由一个或多个子纤维状驱动器壁面相互贴合组成；子纤维状驱动器包括至少各两层的各向异性介电弹性体层和柔性电极层，各向异性介电弹性体层和柔性电极层交错重叠并卷绕成纤维状结构。该方法基于物理交联的嵌段共聚物热塑性弹性体，通过机械应变诱导方法制备得到厚度减小且具有微结构取向的各向异性介电弹性体薄膜，采取叠层卷绕的方式制备了沿轴向输出线性位移的轻质、全柔性介电弹性体纤维驱动器，可方向性输出驱动变形，驱动性能大幅提升，同时实现了低压驱动，并组装成纤维束，产生伸缩、弯曲、旋转多种运动模式。

Description

一种各向异性介电弹性体纤维驱动器及其制备方法
技术领域
本发明涉及自动化领域，尤其涉及一种各向异性介电弹性体纤维驱动器及其制备方法。
背景技术
随着工业自动化的发展，机器人的重要性日益凸显，相应地人类对于机器人技术的需求不断提升。传统的机器人通常由电机、活塞、关节、铰链等刚性构件组成，尽管动力足、功率大，但是也存在很多缺点，如结构笨重、安全系数低、环境适应性差、噪音大等。
由智能材料驱动的软体机器人可承受大变形，自由度高，可以根据实际需要任意地改变自身形状和尺寸，具有优良的灵活性和强大的环境适应性，在工业生产、医疗服务、军事侦察等领域都有着巨大的应用前景。
用于软体机器人柔性驱动的智能材料主要有：气动人工肌肉、形状记忆合金、离子聚合物金属复合材料、水凝胶、介电弹性体。气动人工肌肉是通过在结构中充气，利用气压使结构产生变形或者运动，具有变形大的优点，但是受辅助***的限制，面临气源、控制方面的挑战；形状记忆合金在加热时能够恢复原始形状，消除低温状态下所发生的变形，优点是驱动力大，但存在温度难以控制、驱动频率低的问题；离子聚合物金属复合材料在施加电压时，聚合物薄膜中的阳离子可以向负极自由移动而发生溶胀，阴离子则固定在碳链中不能移动，从而产生弯曲变形，具有变形灵活、驱动电压低的特点，缺点是需要液体环境、不能产生线性驱动；水凝胶是由亲水性的功能高分子通过物理或化学作用交联形成三维网络结构，吸水溶胀而形成，优点是驱动灵活，但是面临驱动力小、只能在液体环境中产生作用的挑战。
介电弹性体是一种综合性能俱佳的电致变形智能软材料，在介电弹性体薄膜两侧覆盖柔性电极，组成介电弹性体驱动器，施加驱动电压时，在电场力作用下产生变形，导致厚度减小，面积扩张，具有变形大、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、噪声低的优点，在智能可穿戴设备、康复医疗器材、人机交互产品、微流体控制等领域具有广泛的应用潜力。
然而，现有的介电弹性体通常为力学各向同性膜，由其制备的介电弹性体驱动器，驱动时在膜平面产生均匀扩张变形。在介电弹性体驱动器的应用中，往往希望在某一特定方向具有更大的驱动变形，不希望在其他方向产生不必要的能量损耗。为此，有必要制备具有方向性输出功能的介电弹性体驱动器。目前的方法主要是应用外加硬质框架，如通过方向性的固定预拉伸或外加取向纤维等，来引导驱动变形。但外加硬质框架引导驱动变形会使得介电弹性体薄膜产生应力松弛、产生界面应力和增加非驱动区域的质量而降低器件的比能量密度等问题。
各向异性介电弹性体薄膜可以避免前述问题。关于各向异性介电弹性体薄膜的报道目前只有两篇，其一是基于聚烯烃类嵌段共聚物，硬段为易结晶的聚乙烯，通过控制其结晶程度，经外力拉伸并取向聚乙烯片晶而获得各向异性；另一篇是基于液晶弹性体，通过控制液晶单元的取向来获得各向异性。但基于结晶、液晶单元制备的材料，其模量都较高。结晶型各向异性薄膜需要使用增塑机来降低模量，液晶型各向异性薄膜的模量较小一侧也高于1MPa。
并且，已有报道的驱动器均为产生双向驱动的平面构型驱动器而非实现线性驱动的纤维状驱动器，不利于实际运用；而且变形模式单一，只能实现单自由度运动；驱动电压也均在千伏以上。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种各向异性介电弹性体纤维驱动器及其制备方法，本发明采用物理交联的嵌段共聚物热塑性弹性体，通过后处理加工制得各向异性介电弹性体薄膜，并进一步采取叠层卷绕的方式制备了纤维驱动器，不但实现了低电压驱动，还实现了各向异性的介电弹性体纤维驱动器，并且可组装成纤维束，以实现伸缩、弯曲、旋转多种运动模式。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种各向异性介电弹性体纤维驱动器，由一个或多个子纤维状驱动器壁面相互贴合组成；所述子纤维状驱动器包括至少各两层的各向异性介电弹性体层和柔性电极层，其中，所述各向异性介电弹性体层和柔性电极层交错重叠并卷绕成纤维状结构。
其中，各向异性介电弹性体层的厚度优选小于30微米，柔性电极层的厚度优选为100-1000纳米。柔性电极层交错作为正负极。
进一步地，所述各向异性介电弹性体层采用的材料为嵌段共聚物，其结构通式为A-B-A；其中，A选自苯乙烯的均聚物；B为丙烯酸正丁酯均聚物、甲基丙烯酸正丁酯均聚物、甲基丙烯酸异丁酯均聚物、丙烯酸叔丁酯均聚物、丙烯酸-2-乙基己酯均聚物、丙烯酸乙酯均聚物或丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸异丁酯、丙烯酸异辛酯、丙烯酸乙酯中至少两种单体的共聚物。所述柔性电极层为碳纳米管电极层。
进一步地，所述嵌段共聚物总的数均分子量为5～50万，A段的数均分子量均为1～5万，中间B段的数均分子量为3～40万，中间B段的重量百分比为60％～90％。
进一步地，所述子纤维状驱动器外侧为介电弹性体层。
进一步地，所述子纤维状驱动器包括两层各向异性介电弹性体层和两层柔性电极层。
一种上述的各向异性介电弹性体纤维驱动器的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备获得嵌段共聚物介电弹性体初始薄膜；
(2)将嵌段共聚物介电弹性体初始薄膜进行单轴拉伸，拉伸比为1.5～6，将拉伸好的薄膜置于90～140℃温度下进行热处理0.1～15h，得嵌段共聚物介电弹性体各向异性薄膜；
(3)将嵌段共聚物介电弹性体各向异性薄膜裁成相同尺寸的样条，形成各向异性介电弹性体层，将各两层或多层的各向异性介电弹性体层和柔性电极层依次交错重叠后进行卷绕，制备得到子纤维驱动器，其中，柔性电极层通过转印附着在各向异性介电弹性体层表面上。
(4)将一个或多个子纤维状驱动器壁面相互贴合组成各向异性介电弹性体纤维驱动器。
进一步地，所述步骤1中，采用刮涂法制备嵌段共聚物介电弹性体初始薄膜，包括以
下子步骤：
(1.1)将0.5～5质量份的嵌段共聚物完全溶解在5～10质量份的溶剂中；
(1.2)将刮刀放置在不粘的基底上，并将上述溶液施加到刮刀与基底之间，刮刀以1～5mm/s的速度带动溶液相对基底移动，使基底上均匀沉积一层湿膜，放置0.5～2h挥发溶剂后形成干膜，在120℃真空条件下继续干燥12h，得嵌段共聚物介电弹性体初始薄膜。
进一步地，所述步骤1.1中，溶剂为四氢呋喃、甲基叔丁基醚、甲基乙基酮、乙酸乙酯中的一种或几种按任意比例混合组成。
进一步地，所述碳纳米管电极层制备过程为：将1～5mg的碳纳米管和0.2～1g的十二烷基硫酸钠加入20～100g的去离子水中，超声1～4h，后用离心机在2000～5000r/min的转速下离心5～10min，取上层清液，抽滤制得碳纳米管电极层。
进一步地，所述步骤(3)中，嵌段共聚物介电弹性体各向异性薄膜沿拉伸方向的断裂强度和模量是初始薄膜的1～10倍，垂直于拉伸方向的力学性能与初始薄膜相近。
本发明的有益效果是：基于物理交联的嵌段共聚物热塑性弹性体，通过机械应变诱导方法制备得到厚度减小且具有各向异性薄膜，采取叠层卷绕的方式制备沿轴向输出线性位移的介电弹性体纤维驱动器，不但实现了驱动器的低电压驱动，还实现了各向异性的介电弹性体驱动器，并且可组装成纤维束，以实现伸缩、弯曲、旋转多种运动模式。具体如下：
(1)采用嵌段共聚物作为介电弹性体。嵌段共聚物是物理交联的热塑性弹性体，兼具橡胶高弹性和塑料可加工性，因此对其进行单轴拉伸热处理，即可制备得到无需添加其他复合组分的单组分力学各向异性薄膜，该薄膜沿拉伸方向的断裂强度和模量是初始薄膜的1～10倍，垂直于拉伸方向的力学性能与初始薄膜相近，原因是各向异性薄膜中硬段聚苯乙烯球形纳米微区的初始形貌经后处理变成椭球形，高长径比聚苯乙烯纳米微区具有明显的力学增强效果。
(2)制备碳纳米管作为柔性电极。碳纳米管电极与介电弹性体具有良好的相容性和粘结性，在驱动变形过程中不会断裂，层与层之间不会脱开，而且还具有自清洁性，可实现更大的驱动变形。
(3)设计制备卷绕型介电弹性体纤维驱动器。采用叠层卷绕结构，将双向驱动转变为单向线性驱动，叠层可放大力，改变层数可调节输出力的大小，有利于实际应用；而且其本身就是一种各向异性，通过层间粘接和摩擦限制径向变形，使其主要在轴向产生驱动。
(4)通过后处理过程可大幅降低介电弹性体膜的厚度至30微米以下，得到均匀可控的薄膜，从而实现小于一千伏的低压驱动，有利于介电弹性体驱动器更全面广泛的应用。
(5)利用各向异性薄膜制备的介电弹性体纤维驱动器在驱动时体现出明显的各向异性，根据卷绕方向的不同，轴向模量高、径向模量低的纤维驱动器产生的轴向变形更小，轴向模量低、径向模量高的纤维驱动器产生的轴向变形更大，相比于各向同性纤维驱动器，驱动性能提升达100％。
(6)制备得到的纤维驱动器表面绝缘且具有自粘性，因此可将多个子纤维状驱动器壁面相互贴合组成纤维束，子纤维状驱动器作为驱动器单元，通过独立控制每个驱动单元，纤维束既能实现伸缩运动，又可实现弯曲、旋转运动。
附图说明
图1是本发明的结构示意图，其中，第一介电弹性体层1、第一碳纳米管电极层2、第二介电弹性体层3、第二碳纳米管电极层4；
图2是本发明实施例1得到的热处理时间2h、4h的SBAS各向异性薄膜在平行于拉伸方向的力学性能与初始未热处理的各向同性薄膜的力学性能对比曲线，其中1为热处理时间2h的各向异性薄膜，2为热处理时间4h的各向异性薄膜，3为未热处理的各向同性薄膜；
图3是本发明实施例1得到的热处理时间2h、4h的SBAS各向异性薄膜在垂直于拉伸方向的力学性能与初始各向同性薄膜的力学性能对比曲线，其中1为热处理时间2h的各向异性薄膜，2为热处理时间4h的各向异性薄膜，3为各向同性薄膜；
图4是本发明实施例2得到的介电弹性体纤维驱动器的外观图；
图5是本发明实施例2得到的介电弹性体纤维驱动器的横断面形貌图；
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
本实施方式中，嵌段共聚物的制备方法详见中国专利申请CN101955555A“可逆加成断裂链转移乳液聚合实施方法”。本实施例中采用的碳纳米管，外径为1-2nm，长度为5-30微米，但不限于此。
实施例1：聚苯乙烯-b-聚丙烯酸正丁酯-b-聚苯乙烯三嵌段共聚物(SBAS)介电弹性体各向异性薄膜的制备与性能
第一步：将1质量份的SBAS三嵌段共聚物(分子量：1.5W-12W-1.5W)完全溶解在5质量份的四氢呋喃中；
第二步：将刮刀放置在不粘的聚酯薄膜基底上，并将上述四氢呋喃溶液施加到刮刀与基底之间，刮刀以1mm/s的速度带动溶液相对基底移动，使基底上均匀沉积一层湿膜，放置1h挥发溶剂后形成干膜，在120℃真空条件下继续干燥12h，得SBAS三嵌段共聚物介电弹性体初始薄膜；
第三步：将上述SBAS三嵌段共聚物介电弹性体初始薄膜进行单轴拉伸，取一段长度为1的薄膜，固定其一端，沿长度方向拉伸另一端至薄膜长度为4，再固定另一端，将拉伸好的薄膜置于120℃烘箱中分别进行热处理2h、4h，得SBAS三嵌段共聚物介电弹性体各向异性薄膜。
聚合物的力学性能由万能材料试验机(Zwick/Roll Z020)进行测试，将上述聚合物膜用标准裁样刀裁为哑铃状样条备用，测试方法采用GB 16421-1996，拉伸速率为30mm/min，每个样品的测试至少重复三次。
图2为热处理时间2h、4h的SBAS三嵌段共聚物介电弹性体各向异性薄膜在平行于拉伸方向的力学性能与初始各向同性薄膜的力学性能对比曲线，初始各向同性薄膜的模量为0.3MPa，断裂强度为3MPa，断裂伸长率为1088％，热松弛时间为2h、4h的各向异性薄膜在平行于拉伸方向的力学性能相近，模量为0.9MPa，是初始薄膜的3倍，断裂强度为6.6MPa，是初始薄膜的2.2倍，断裂伸长率为525％，有所下降。图3为热处理时间2h、4h的SBAS各向异性薄膜在垂直于拉伸方向的力学性能与初始各向同性薄膜的力学性能对比曲线，可以看出，在垂直于拉伸方向上，各向异性薄膜与初始各向同性薄膜的力学性能相近，由此可见，经过拉伸热处理的SBAS薄膜在平行和垂直于拉伸方向上具有完全不同的力学性能，呈现出各向异性。
实施例2
第一步：将1质量份的SBAS三嵌段共聚物(分子量：1.5W-12W-1.5W)完全溶解在5质量份的四氢呋喃中；
第二步：将刮刀放置在不粘的聚酯薄膜基底上，并将上述四氢呋喃溶液施加到刮刀与基底之间，刮刀以2mm/s的速度带动溶液相对基底移动，使基底上均匀沉积一层湿膜，放置2h挥发溶剂后形成干膜，在120℃真空条件下继续干燥12h，得SBAS三嵌段共聚物介电弹性体初始薄膜；
第三步：将上述SBAS三嵌段共聚物介电弹性体初始薄膜进行单轴拉伸，取一段长度为1的薄膜，固定其一端，沿长度方向拉伸另一端至薄膜长度为4，再固定另一端，将拉伸好的薄膜置于120℃烘箱中进行热处理8h，得SBAS三嵌段共聚物介电弹性体各向异性薄膜；
第四步：将5mg的碳纳米管和0.9g的十二烷基硫酸钠加入90g的去离子水中，超声4h，后用离心机在5000r/min的转速下离心10min，取上层清液，抽滤制得碳纳米管电极。
第五步：将SBAS三嵌段共聚物介电弹性体各向异性薄膜裁成5cm×9cm矩形，其中矩形短边平行于拉伸方向，矩形长边垂直于拉伸方向，形成第一介电弹性体层和第二介电弹性体层，在第一介电弹性体层上表面右端对齐转印5cm×7cm矩形的第一碳纳米管电极层，然后在第一碳纳米管电极层上表面贴上第二介电弹性体层，再在第二介电弹性体层上表面左端对齐转印5cm×7cm矩形的第二碳纳米管电极层，形成四层交错重叠结构后，沿薄膜的短边进行卷绕，制备得到轴向模量低、径向模量高的各向异性介电弹性体纤维驱动器1。
驱动性能表征：将本实施例制备得到的介电弹性体纤维驱动器一端固定竖直悬挂，通过高压电源输出不同的电压值，加电压后驱动器会伸长，撤去电压后驱动器会回复而缩短，驱动时使用数码相机(Canon EOS70D)进行录像，记录驱动器随电压的增加而产生的驱动变形，驱动电压从0V逐渐增加直至发生电击穿失效。然后统计分析不同驱动电压下有效驱动区域长度的变化，进而计算不同电压下的形变量。
纤维驱动器的横断面形貌采用SU-8010场发射扫描电子显微镜表征，测试前将样品通过导电胶粘于样品台，不需要喷金。
图4是本实施例制备得到的介电弹性体纤维驱动器的外观图，其表面是绝缘的，具有自粘性。图5是纤维驱动器的横断面形貌，具有清晰的叠层结构，薄膜层与层之间为碳纳米管柔性电极。
实施例3
第一步：将2质量份的SBAS三嵌段共聚物(分子量：1.5W-12W-1.5W)完全溶解在10质量份的四氢呋喃中；
第二步：将刮刀放置在不粘的聚酯薄膜基底上，并将上述四氢呋喃溶液施加到刮刀与基底之间，刮刀以2mm/s的速度带动溶液相对基底移动，使基底上均匀沉积一层湿膜，放置0.5h挥发溶剂后形成干膜，在120℃真空条件下继续干燥12h，得SBAS三嵌段共聚物介电弹性体初始薄膜；
第三步：将5mg的碳纳米管和0.9g的十二烷基硫酸钠加入90g的去离子水中，超声4h，后用离心机在5000r/min的转速下离心10min，取上层清液，抽滤制得碳纳米管电极。
第四步：将SBAS三嵌段共聚物介电弹性体初始薄膜裁成5cm×9cm矩形，形成第一介电弹性体层和第二介电弹性体层，在第一介电弹性体层上表面右端对齐转印5cm×7cm矩形的第一碳纳米管电极层，然后在第一碳纳米管电极层上表面贴上第二介电弹性体层，再在第二介电弹性体层上表面左端对齐转印5cm×7cm矩形的第二碳纳米管电极层，形成四层交错重叠结构后，沿薄膜的短边进行卷绕，制备得到轴向模量与径向模量相同的各向同性介电弹性体纤维驱动器2。
驱动性能表征：将本实施例制备得到的介电弹性体纤维驱动器一端固定竖直悬挂，通过高压电源输出不同的电压值，加电压后驱动器会伸长，撤去电压后驱动器会回复而缩短，驱动时使用数码相机(Canon EOS70D)进行录像，记录驱动器随电压的增加而产生的驱动变形，驱动电压从0V逐渐增加直至发生电击穿失效。然后统计分析不同驱动电压下有效驱动区域长度的变化，进而计算不同电压下的形变量。
实施例4
第一步：将1质量份的SBAS三嵌段共聚物(分子量：1.5W-12W-1.5W)完全溶解在5质量份的四氢呋喃中；
第二步：将刮刀放置在不粘的聚酯薄膜基底上，并将上述四氢呋喃溶液施加到刮刀与基底之间，刮刀以2mm/s的速度带动溶液相对基底移动，使基底上均匀沉积一层湿膜，放置2h挥发溶剂后形成干膜，在120℃真空条件下继续干燥12h，得SBAS三嵌段共聚物介电弹性体初始薄膜；
第三步：将上述SBAS三嵌段共聚物介电弹性体初始薄膜进行单轴拉伸，取一段长度为1的薄膜，固定其一端，沿长度方向拉伸另一端至薄膜长度为4，再固定另一端，将拉伸好的薄膜置于120℃烘箱中进行热处理4h，得SBAS三嵌段共聚物介电弹性体各向异性薄膜；
第四步：将5mg的碳纳米管和0.9g的十二烷基硫酸钠加入90g的去离子水中，超声4h，后用离心机在5000r/min的转速下离心10min，取上层清液，抽滤制得碳纳米管电极。
第五步：将SBAS三嵌段共聚物介电弹性体各向异性薄膜裁成5cm×9cm矩形，其中矩形短边垂直于拉伸方向，矩形长边平行于拉伸方向，形成第一介电弹性体层和第二介电弹性体层，在第一介电弹性体层上表面右端对齐转印5cm×7cm矩形的第一碳纳米管电极层，然后在第一碳纳米管电极层上表面贴上第二介电弹性体层，再在第二介电弹性体层上表面左端对齐转印5cm×7cm矩形的第二碳纳米管电极层，形成四层交错重叠结构后，沿薄膜的短边进行卷绕，制备得到轴向模量高、径向模量低的各向异性介电弹性体纤维驱动器3。
驱动性能表征：将本实施例制备得到的介电弹性体纤维驱动器一端固定竖直悬挂，通过高压电源输出不同的电压值，加电压后驱动器会伸长，撤去电压后驱动器会回复而缩短，驱动时使用数码相机(Canon EOS70D)进行录像，记录驱动器随电压的增加而产生的驱动变形，驱动电压从0V逐渐增加直至发生电击穿失效。然后统计分析不同驱动电压下有效驱动区域长度的变化，进而计算不同电压下的形变量。
表1是实施例2制备得到的各向异性介电弹性体纤维驱动器1，实施例3制备得到的各向同性介电弹性体纤维驱动器2，实施例4制备得到的各向异性介电弹性体纤维驱动器3的驱动性能结果对比，介电弹性体层厚度均为24μm，电击穿电压为900V，击穿场强为37.5V/μm。初始SBAS薄膜制备得到的各向同性纤维驱动器2最大驱动变形为4.0％，各向异性纤维驱动器1由于径向模量高限制径向应变，因而在低模量的轴向体现出更大的驱动变形为8.1％，相比各向同性纤维驱动器2的驱动性能提升高达100％；各向异性纤维驱动器3由于径向模量低而轴向模量高，导致其轴向变形受到限制，只有2.0％，体现出明显的各向异性。
表1：实施例2～4的驱动性能测试结果
实施例 厚度/μm 击穿电压/V 击穿场强V/μm 驱动变形
2 24 900 37.5 8.1％
3 24 900 37.5 4.0％
4 24 900 37.5 2.0％
实施例5
第一步：将0.5质量份的聚苯乙烯-b-聚丙烯酸乙酯-b-聚苯乙烯(SEAS)三嵌段共聚物(分子量：1W-3W-1W)完全溶解在5质量份的甲基叔丁基醚中；
第二步：将刮刀放置在不粘的聚酯薄膜基底上，并将上述溶液施加到刮刀与基底之间，刮刀以5mm/s的速度带动溶液相对基底移动，使基底上均匀沉积一层湿膜，放置1h挥发溶剂后形成干膜，在120℃真空条件下继续干燥12h，得SEAS三嵌段共聚物介电弹性体初始薄膜；
第三步：将上述SEAS三嵌段共聚物介电弹性体初始薄膜进行单轴拉伸，取一段长度为1的薄膜，固定其一端，沿长度方向拉伸另一端至薄膜长度为1.5，再固定另一端，将拉伸好的薄膜置于140℃烘箱中进行热处理15h，得SEAS三嵌段共聚物介电弹性体各向异性薄膜；
第四步：将1mg的碳纳米管和0.2g的十二烷基硫酸钠加入20g的去离子水中，超声1h，后用离心机在2000r/min的转速下离心5min，取上层清液，抽滤制得碳纳米管电极。
第五步：将SEAS三嵌段共聚物介电弹性体各向异性薄膜裁成5cm×9cm矩形，其中矩形短边平行于拉伸方向，矩形长边垂直于拉伸方向，形成第一介电弹性体层和第二介电弹性体层，在第一介电弹性体层上表面右端对齐转印5cm×7cm矩形的第一碳纳米管电极层，然后在第一碳纳米管电极层上表面贴上第二介电弹性体层，再在第二介电弹性体层上表面左端对齐转印5cm×7cm矩形的第二碳纳米管电极层，形成四层交错重叠结构后，沿薄膜的短边进行卷绕，制备得到轴向模量低、径向模量高的各向异性介电弹性体纤维驱动器1。
驱动性能表征：将本实施例制备得到的介电弹性体纤维驱动器一端固定竖直悬挂，通过高压电源输出不同的电压值，加电压后驱动器会伸长，撤去电压后驱动器会回复而缩短，驱动时使用数码相机(Canon EOS70D)进行录像，记录驱动器随电压的增加而产生的驱动变形，驱动电压从0V逐渐增加直至发生电击穿失效。然后统计分析不同驱动电压下有效驱动区域长度的变化，进而计算不同电压下的形变量。
实施例6
第一步：将5质量份的聚苯乙烯-b-聚丙烯酸-2-乙基己酯-b-聚苯乙烯(SEHAS)三嵌段共聚物(分子量：5W-40W-5W)完全溶解在10质量份的甲基乙基酮中；
第二步：将刮刀放置在不粘的聚酯薄膜基底上，并将上述溶液施加到刮刀与基底之间，刮刀以3mm/s的速度带动溶液相对基底移动，使基底上均匀沉积一层湿膜，放置2h挥发溶剂后形成干膜，在120℃真空条件下继续干燥12h，得SEHAS三嵌段共聚物介电弹性体初始薄膜；
第三步：将上述SEHAS三嵌段共聚物介电弹性体初始薄膜进行单轴拉伸，取一段长度为1的薄膜，固定其一端，沿长度方向拉伸另一端至薄膜长度为6，再固定另一端，将拉伸好的薄膜置于90℃烘箱中进行热处理0.1h，得SEHAS三嵌段共聚物介电弹性体各向异性薄膜；
第四步：将5mg的碳纳米管和0.9g的十二烷基硫酸钠加入90g的去离子水中，超声4h，后用离心机在5000r/min的转速下离心10min，取上层清液，抽滤制得碳纳米管电极。
第五步：将SEHAS三嵌段共聚物介电弹性体各向异性薄膜裁成5cm×9cm矩形，其中矩形短边平行于拉伸方向，矩形长边垂直于拉伸方向，形成第一介电弹性体层和第二介电弹性体层，在第一介电弹性体层上表面右端对齐转印5cm×7cm矩形的第一碳纳米管电极层，然后在第一碳纳米管电极层上表面贴上第二介电弹性体层，再在第二介电弹性体层上表面左端对齐转印5cm×7cm矩形的第二碳纳米管电极层，形成四层交错重叠结构后，沿薄膜的短边进行卷绕，制备得到轴向模量低、径向模量高的各向异性介电弹性体纤维驱动器1。
驱动性能表征：将本实施例制备得到的介电弹性体纤维驱动器一端固定竖直悬挂，通过高压电源输出不同的电压值，加电压后驱动器会伸长，撤去电压后驱动器会回复而缩短，驱动时使用数码相机(Canon EOS70D)进行录像，记录驱动器随电压的增加而产生的驱动变形，驱动电压从0V逐渐增加直至发生电击穿失效。然后统计分析不同驱动电压下有效驱动区域长度的变化，进而计算不同电压下的形变量。
实施例7
第一步：将1质量份的聚苯乙烯-b-聚丙烯酸正丁酯-b-聚苯乙烯三嵌段共聚物(SBAS)三嵌段共聚物(分子量：1.5W-12W-1.5W)完全溶解在5质量份的四氢呋喃中；
第二步：将刮刀放置在不粘的聚酯薄膜基底上，并将上述溶液施加到刮刀与基底之间，刮刀以2mm/s的速度带动溶液相对基底移动，使基底上均匀沉积一层湿膜，放置1h挥发溶剂后形成干膜，在120℃真空条件下继续干燥12h，得SBAS三嵌段共聚物介电弹性体初始薄膜；
第三步：将上述SBAS三嵌段共聚物介电弹性体初始薄膜进行单轴拉伸，取一段长度为1的薄膜，固定其一端，沿长度方向拉伸另一端至薄膜长度为4，再固定另一端，将拉伸好的薄膜置于120℃烘箱中进行热处理4h，得SBAS三嵌段共聚物介电弹性体各向异性薄膜；
第四步：将5mg的碳纳米管和0.9g的十二烷基硫酸钠加入90g的去离子水中，超声4h，后用离心机在5000r/min的转速下离心10min，取上层清液，抽滤制得碳纳米管电极。
第五步：将SBAS三嵌段共聚物介电弹性体各向异性薄膜裁成5cm×9cm矩形，其中矩形短边平行于拉伸方向，矩形长边垂直于拉伸方向，形成第一介电弹性体层和第二介电弹性体层，在第一介电弹性体层上表面右端对齐转印5cm×7cm矩形的第一碳纳米管电极层，然后在第一碳纳米管电极层上表面贴上第二介电弹性体层，再在第二介电弹性体层上表面左端对齐转印5cm×7cm矩形的第二碳纳米管电极层，形成四层交错重叠结构后，沿薄膜的短边进行卷绕，制备得到轴向模量低、径向模量高的各向异性介电弹性体子纤维驱动器；
第五步：重复第四步，制备相同的子纤维驱动器共三个，记为A、B、C。
驱动性能表征：将本实施例制备得到的三个子纤维驱动器呈正三角形粘接在一起，使其一端固定竖直悬挂，通过高压电源对其中一个或多个子纤维驱动器进行驱动，驱动时使用数码相机(Canon EOS70D)进行录像，记录驱动器产生的驱动变形。
当驱动其中的一个子纤维驱动器A时，该纤维驱动器伸长，另两个子纤维驱动器B、C未受到驱动长度不变，导致纤维束朝BC方向弯曲；只驱动B时，同理，纤维束朝AC方向弯曲；只驱动C时，纤维束朝AB方向弯曲；当驱动其中的两个子纤维驱动器A、B时，A、B均伸长，C长度不变，因此纤维束朝C方向弯曲；驱动A、C时，纤维束朝B方向弯曲；驱动B、C时，朝A方向弯曲；当A、B、C全部驱动时，纤维束伸长而不发生弯曲。因此，改变纤维束中不同的驱动纤维，实现了纤维束朝A、B、C、AB、AC、BC共六个方向的弯曲，通过控制电源加载方式自动切换驱动不同的纤维，可使纤维束自动朝六个方向不间断地弯曲从而产生旋转的运动。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种各向异性介电弹性体纤维驱动器，其特征在于，由多个子纤维状驱动器壁面相互贴合组成；所述子纤维状驱动器包括至少各两层的各向异性介电弹性体层和柔性电极层，其中，所述各向异性介电弹性体层和柔性电极层交错重叠并卷绕成纤维状结构；所述子纤维状驱动器外侧为介电弹性体层；所述各向异性介电弹性体层采用的材料为嵌段共聚物，其结构通式为A-B-A；其中，A选自苯乙烯的均聚物；B为丙烯酸正丁酯均聚物、甲基丙烯酸正丁酯均聚物、甲基丙烯酸异丁酯均聚物、丙烯酸叔丁酯均聚物、丙烯酸-2-乙基己酯均聚物、丙烯酸乙酯均聚物或丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸异丁酯、丙烯酸异辛酯、丙烯酸乙酯中至少两种单体的共聚物；所述柔性电极层为碳纳米管电极层；通过独立控制每个子纤维状驱动器，各向异性介电弹性体纤维驱动器既能实现伸缩运动，又可实现弯曲、旋转运动。
2.根据权利要求1所述的各向异性介电弹性体纤维驱动器，其特征在于，所述嵌段共聚物总的数均分子量为5~50万，A段的数均分子量均为1~5万，中间B段的数均分子量为3~40万，中间B段的重量百分比为60%~90%。
3.根据权利要求1所述的各向异性介电弹性体纤维驱动器，其特征在于，所述子纤维状驱动器包括两层各向异性介电弹性体层和两层柔性电极层。
4.一种权利要求1-3任一项所述的各向异性介电弹性体纤维驱动器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）制备获得嵌段共聚物介电弹性体初始薄膜；
（2）将嵌段共聚物介电弹性体初始薄膜进行单轴拉伸，拉伸比为1.5~6，将拉伸好的薄膜置于90~140℃温度下进行热处理0.1~15h，得嵌段共聚物介电弹性体各向异性薄膜；
（3）将嵌段共聚物介电弹性体各向异性薄膜裁成相同尺寸的样条，形成各向异性介电弹性体层，将各向异性介电弹性体层和柔性电极层依次交错重叠后进行卷绕，制备得到子纤维驱动器，其中，柔性电极层通过转印附着在各向异性介电弹性体层表面上；
（4）将多个子纤维状驱动器壁面相互贴合组成各向异性介电弹性体纤维驱动器。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，采用刮涂法制备嵌段共聚物介电弹性体初始薄膜，包括以下子步骤：
（1.1）将0.5~5质量份的嵌段共聚物完全溶解在5~10质量份的溶剂中；
（1.2）将刮刀放置在不粘的基底上，并将上述步骤（1.1）得到的溶液施加到刮刀与基底之间，刮刀以1~5mm/s的速度带动溶液相对基底移动，使基底上均匀沉积一层湿膜，放置0.5~2h挥发溶剂后形成干膜，在120℃真空条件下继续干燥12h，得嵌段共聚物介电弹性体初始薄膜。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1.1）中，溶剂为四氢呋喃、甲基叔丁基醚、甲基乙基酮、乙酸乙酯中的一种或几种按任意比例混合组成。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管电极层制备过程为：将1~5 mg的碳纳米管和0.2~1g的十二烷基硫酸钠加入20~100g的去离子水中，超声1~4h，后用离心机在2000~5000r/min的转速下离心5~10min，取上层清液，抽滤制得碳纳米管电极层。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，嵌段共聚物介电弹性体各向异性薄膜沿拉伸方向的断裂强度和模量是初始薄膜的1~10倍，垂直于拉伸方向的力学性能与初始薄膜相近。
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