EP1748952A1 - Actuator based on geometrically anisotropic nanoparticles - Google Patents

Actuator based on geometrically anisotropic nanoparticles

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EP1748952A1
EP1748952A1 EP05733845A EP05733845A EP1748952A1 EP 1748952 A1 EP1748952 A1 EP 1748952A1 EP 05733845 A EP05733845 A EP 05733845A EP 05733845 A EP05733845 A EP 05733845A EP 1748952 A1 EP1748952 A1 EP 1748952A1
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EP
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actuator
actuator according
webs
nanoparticles
electrode
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Withdrawn
Application number
EP05733845A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Torsten Koker
Ulrich Gengenbach
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Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Original Assignee
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0035—Constitution or structural means for controlling the movement of the flexible or deformable elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
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    • Y10S977/957—Of chemical property or presence

Definitions

  • the invention relates to an actuator, in particular a translation or bending actuator, based on electrically and mechanically contacted geometrically anisotropic nanoparticles, in particular tubes or fibers with diameters in the nanometer range, for example carbon nanotubes, according to the first claim.
  • Actuators are used to convert electrical energy directly into a mechanical actuating movement and thus form essential components for many technical systems, especially in robotics or switching technology.
  • Actuators of the type mentioned at the outset are based on so-called electromechanical functional materials. In the case of such materials, a change in the shape or the mechanical properties are in direct interaction with an applied electrical current, an electrical field or an electrical voltage. Typical representatives of these actuators are based on piezoelectric or electrostrictive materials.
  • Actuators with nanotubes represent a new and particularly interesting concept.
  • CNTs are exceptionally thermally and chemically stable.
  • the length of CNTs is approximately 100 nm to well over 100 ⁇ m. If charges are injected into the CNTs via a voltage or current source, an electrochemical double layer is formed with the electrolytes. This double layer changes the length of the covalent bonds between the carbon atoms and thus the length and the diameter of the CNT.
  • the tensile strength of CNTs is 30,000 N / mm 2 (in comparison: high-strength steel: approx. 1,900 N / mm 2 , high-strength carbon fibers: approx. 4,900 N / mm 2 ), with an elongation at break (in the tensile test) of over 5% becomes.
  • CNTs Basically, two designs of CNTs are common, namely single-walled (single-walled carbon nanotubes, SWCNTs) and multi-walled (multi-walled carbon nanotubes, MWCNTs).
  • Single-walled CNTs are seamless hollow cylinders that consist of a graphite layer wound around the tube axis.
  • SWCNTS are preferably formed into tube clusters with a preferred orientation, whereby the individual SWCNTs are held together by van der Waals forces.
  • a reliable statement about the electrical properties of SWCNT clusters is currently not possible because the individual SWCNTs do not have uniform helicities and therefore have different electrical properties.
  • the electrical properties of CNT clusters also depend on which SWCNTs (metallic or semiconducting) of a pipe cluster can be electrically contacted.
  • SWCNTs range in diameter from 0.4 to 5 nm.
  • Multi-walled CNTs mentioned for example in [3]
  • MWCNTs Multi-walled CNTs
  • SWCNTs SWCNTs
  • a statement about the electrical properties is problematic, since the individual SWCNTs of a MWCNT have fundamentally different helicities and thus different electrical properties.
  • the access of the electrolyte is practically only unhindered to the outside CNT.
  • CNTs metallic or semiconducting
  • Usual outside diameters of MWCNTs are in the range from 1.4 to 200 nm.
  • the modulus of elasticity of individual SWCNTs is approximately 1,000,000 N / mm 2 (in comparison: steel at approx. 210,000 N / mm 2 ). It is fundamentally larger than that of SWCNT clusters, since the individual CNTs in a cluster are only held together by van der Waals forces.
  • the modulus of elasticity of MWCNTs is influenced by the introduction of force into the MWCNT and at most reaches the values of individual SWCNTs. If the force is idealized in and out via the same tube of a MWCNT, the modulus of elasticity is comparable to that of a SWCNT. If the force is introduced and discharged via different SWCNTs, a telescope-like system is created, the elastic modulus of which cannot be sensibly determined.
  • CNTs are particularly interesting for actuators for applications in microsystem, medical or nanotechnology as well as for biomedical applications (e.g. as an artificial muscle).
  • Such actuators have the following interesting properties in particular:
  • [4] describes, for example, a corresponding actuator concept in which a large number of CNTs are combined, that is to say bundled, to form a macroscopic layer, the so-called “bucky paper” layer, as the active electrode of the actuator.
  • the CNTs here have a clear preferred direction
  • translation and bending actuators are proposed.
  • the object of the invention is therefore to propose an improved actuator concept based on geometrically anisotropic nanoparticles, in particular nanotubes such as CNTs.
  • the actuator is to be improved with regard to higher actuator forces, resilience, rigidity, elongation and deflection frequencies.
  • the essential basic idea of the invention consists in ideally all, preferably at least 80% or better still 90% of the nanoparticles or tubes, in particular CNTs, in the actuator in a preferred direction, preferably parallel to one another with a maximum angular deviation of ⁇ 20 °, to form rows of particles or to align particle bundles and to connect them electrically and mechanically to one another via webs, which preferably extend perpendicularly to the named orientation (actuator layer).
  • a plurality of such actuator layers can furthermore be arranged one behind the other in the tensile or compressive stress direction.
  • all materials are suitable as nanoparticles, on the surface of which a double layer is formed in an electrolyte.
  • a double layer causes a change in the lattice spacing and thus a change in the shape of the nanoparticles.
  • An influence can basically be observed for all connection types.
  • the special advantage of CNTs or other nanotubes lies in the maximum possible ratio of surface (with double layer) to volume and thus in an optimal use of the aforementioned effect.
  • the compound is formed from a reaction product from the Web-side and particle-side materials, which, like the reaction product, has an electrical conductivity. Furthermore, each of the nanoparticles is connected to at least two webs, as a result of which a significant increase in the actuator rigidity can be achieved.
  • the active electrode for example, a number of webs are applied to a substrate and a dispersion with the nanoparticles around them. By applying a high-frequency alternating voltage between the webs, the nanoparticles are deposited on the webs in parallel in a desired manner via dielectrophoretic forces corresponding to the electrical field lines, bridging the spaces between the webs. In further steps, the excess dispersion is removed and an electrical connection between the nanoparticles and the webs is carried out via a previously mentioned reaction.
  • actuator layers made of webs and nanoparticles can be realized in different ways, for example by simply stacking several layers or by rolling or folding one layer. Repeated deposition of nanoparticles and webs at the desired contact points and by initiating the aforementioned reaction (e.g. annealing the electrode at approx. 900 ° C) leads to the above-mentioned layer composite.
  • the webs consist of a carbide-forming conductor material, preferably a metal, both the conductor material and the carbide being no electrical insulator.
  • the webs preferably consist of a transition metal such as titanium or silicon.
  • the webs have a coating of the materials mentioned.
  • a metal carbide forms at the contact points between the CNTs and the web due to a solid-state reaction, which mechanically resiliently connects CNTs and webs to one another and is electrically conductive.
  • the actuator preloaded by means of elastic elements is not only suitable as a pressure actuator, but also advantageously as a pull actuator, with an elastic preload no longer being necessary due to the reduced risk of buckling of the CNTs.
  • the contact points can also be coated with additional metal of the above-mentioned type after the aforementioned deposition of the CNTs, as a result of which the ends of the CNTs are completely embedded in the metal carbide after the solid-state reaction, with an almost negligible electrical contact resistance between CNTs and adjusts the bridge.
  • the composite of nanoparticles and webs forms the active electrode of the actuator. Like any counterelectrode, these are located in a liquid or solid electrolyte (saline solution or other, mentioned in [1] to [4]) and are connected to the poles of a voltage or current source.
  • the nanoparticles are electrically charged by electrically controlling the webs.
  • An electrical field is created in the electrolyte, which acts electrostatically on the electrolytes and binds them to nanoparticles, which forms an electrochemical double layer and leads to the significant change in length of the nanoparticles.
  • the change in length also changes the distance between the webs, which can be tapped at the ends of the actuator as an actuator movement (expansion or contraction).
  • the webs can also be fixed with elements with low rigidity relative to a base body and / or pre-stressed with elastic elements.
  • the number of actuator layers arranged one above the other perpendicular to the direction of tension or compression of the actuator directly influences the rigidity of the actuator in the aforementioned manner.
  • the aforementioned complete or almost complete alignment of the nanoparticles and the cohesive connection to the webs not only advantageously result in a particularly high rigidity of the actuator, but also offers, since only one, no fraction the nanoparticle is disordered, a much better one
  • Fig. 3 shows the basic structure of a translation actuator
  • Fig. 4 shows the basic structure of a bending actuator.
  • FIGS. 1 a and b The centerpiece of the invention, the active electrode, is shown in FIGS. 1 a and b, where FIG. 1 b shows a sectional illustration of the active electrode along the line AA (see FIG. 1 a).
  • This consists of a plurality of actuator layers 1, comprising a plurality of CNTs 2 arranged parallel to one another and webs 3 arranged orthogonally to them.
  • the active electrode has one end via a web with a fixed bearing 4 connected and performs the actuator actuation movement 6 via its free end, preferably also formed by a web as the end piece 5.
  • 1 a are elastic elements 7 for the
  • the CNTs are not arranged in a cluster, but preferably in a plane parallel to one another (cf. FIG. 1 b). This ensures an unhindered access of ions of the electrolyte, which considerably reduces possible delays and irregularities in an actuating movement.
  • FIG. 2 shows a schematic enlarged detail of a transition area between a CNT and a web, shown in FIG. 1b with the marking B.
  • a CNT 2 meets the web 3 made of a conductor metal, which is chemically and locally limited at the contact point to one Carbide area 8 is converted.
  • the carbide area serves the integral and thus stable mechanical and electrical connection between the CNTs and the web.
  • both the active electrode 9 and the counter electrode 10 (passive electrically conductive electrode) of the actuator are introduced into a common electrolyte 11 and are introduced via a voltage - Or current source 12 with a potential difference, preferably charged with opposite polarity.
  • both the active electrode 9 and the counterelectrode 10 are located in the electrolyte 11.
  • the counterelectrode in the illustrated bending actuator is also designed as a composite of CNTs and webs in the aforementioned manner.
  • a voltage or current source 12 also serves to electrically charge the electrodes a potential difference, preferably opposite pole. Small electrical charges result in the two electrodes
  • Electrodes as shown in FIG. 4, mechanically coupled to one another via an electrically insulating connecting element 13, the actuator introduces one in a manner comparable to a bimetal strip
  • Actuator concept can be rigidity and the maximum force and
  • CNTs can be used for the implementation of actuators, in particular the described embodiments, namely both individual metallic SWCNTs, individual semiconducting SWCNTs, a mixture of individual metallic and individual semiconducting SWCNTs, SWCNT clusters as well as MWCNTs and mixtures of SWCNTs and MWCNTs ,
  • the CNT types mentioned differ in particular and, as explained at the outset, in the specific electrical resistance and in the elastic modulus. With regard to the modulus of elasticity, the use of individual SWCNTs or correctly contacted MWCNTs for an actuator with high rigidity, high force and elongation is sensible.
  • Salt solutions with alkali metal ions and halide ions e.g.
  • actuator layer geometrically anisotropic nanoparticle, nanotube, CNT 3 web 4 fixed bearing 5 end piece 6 positioning movement, direction of action 7 elastic elements 8 carbide area 9 active electrode 10 counter electrode 11 electrolyte 12 electrical voltage or current source 13 connecting element

Abstract

Disclosed is an actuator comprising at least one active electrode and at least one opposite electrode in an electrolyte. The active electrode encompasses at least two webs (3) which are made of an electrically conductive material and are provided with a plurality of nanotubes (2) that are orthogonally placed thereupon while being unidirectionally oriented in a preferred direction. An electrically conductive connection is provided between the nanotubes and the webs while the electrode and the opposite electrode can be impinged upon by a potential difference via a voltage source or power source. The aim of the invention is to improve said actuator regarding greater actuator forces and amplitude frequencies. Said aim is achieved by the fact that the nanotubes are joined to one respective web on both sides, said joint being an integral joint.

Description

Aktor auf der Basis geometrisch anisotroper NanopartikelActuator based on geometrically anisotropic nanoparticles
Gegenstand der Erfindung ist ein Aktor, insbesondere ein Transla- tions- oder Biegeaktor, auf der Basis elektrisch und mechanisch kontaktierter geometrisch anisotroper Nanopartikel, insbesondere Röhrchen oder Fasern mit Durchmessern im Nanometerbereich, beispielsweise Kohlenstoff-Nanoröhrchen, gemäß des ersten Patentanspruchs .The invention relates to an actuator, in particular a translation or bending actuator, based on electrically and mechanically contacted geometrically anisotropic nanoparticles, in particular tubes or fibers with diameters in the nanometer range, for example carbon nanotubes, according to the first claim.
Aktoren dienen der direkten Umsetzung von elektrischer Energie in eine mechanische Stellbewegung und bilden damit wesentliche Bauelemente für viele technische Systeme, insbesondere in der Robotik oder Schalttechnik.Actuators are used to convert electrical energy directly into a mechanical actuating movement and thus form essential components for many technical systems, especially in robotics or switching technology.
Aktoren der eingangs genannten Art basieren auf sog. elektrome- chanischen Funktionsmaterialien. Bei derartigen Materialien stehen eine Änderung der Gestalt oder der mechanischen Eigenschaften in direkter Wechselwirkung zu einem anliegenden elektrischen Strom, einem elektrischen Feld oder einer elektrischen Spannung. Typische Vertreter dieser Aktoren basieren auf piezoelektrischen oder elektrostriktiven Materialien.Actuators of the type mentioned at the outset are based on so-called electromechanical functional materials. In the case of such materials, a change in the shape or the mechanical properties are in direct interaction with an applied electrical current, an electrical field or an electrical voltage. Typical representatives of these actuators are based on piezoelectric or electrostrictive materials.
Ein neues und besonders interessantes Konzept stellen Aktoren mit Nanorohrchen dar. In diesen kommen Röhren (Hohlzylinder) mit Durchmessern im Nanometerbereich aus Kohlenstoff (carbon nanotubes = CNTs) in einem Elektrolyten als aktive Elemente zur Erzeugung einer Aktorbewegung zum Einsatz. CNTs sind außergewöhnlich thermisch und chemisch stabil. Die Länge von CNTs betragen ca. 100 nm bis weit über 100 μm. Werden über eine Spannungs- oder Stromquelle Ladungen in die CNTs injiziert, so bildet sich mit den Elektrolytionen eine elektrochemische Doppelschicht. Durch diese Doppelschicht verändert sich die Länge der kovalenten Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen und damit die Länge und der Durchmesser der CNT.Actuators with nanotubes represent a new and particularly interesting concept. Tubes (hollow cylinders) with diameters in the nanometer range made of carbon (carbon nanotubes = CNTs) are used in an electrolyte as active elements for generating an actuator movement. CNTs are exceptionally thermally and chemically stable. The length of CNTs is approximately 100 nm to well over 100 μm. If charges are injected into the CNTs via a voltage or current source, an electrochemical double layer is formed with the electrolytes. This double layer changes the length of the covalent bonds between the carbon atoms and thus the length and the diameter of the CNT.
Der spezifische elektrische Widerstand von metallischen und halbleitenden CNTs (abhängig von der Ausrichtung der hexagonalen Struktur des Graphitgitters zur Röhrenachse = Helizität) unterscheidet sich signifikant voneinander. Metallische CNTs weisen bei idealerThe specific electrical resistance of metallic and semiconducting CNTs (depending on the orientation of the hexagonal structure of the graphite lattice to the tube axis = helicity) differs significantly from each other. Metallic CNTs exhibit ideal
Betrachtung praktisch keinen spezifischen elektrischen Widerstand auf, da die Elektronen im Nanorohrchen nahezu ballistisch, d.h. ohne Streuungsverluste, geleitet werden. Wird ein derartiger CNT jedoch mit Metallkontakten kontaktiert, so entsteht an jeder Kontaktstelle ein Übergangswiderstand im kΩ-Bereich. Bei halbleitenden CNTs hängt der spezifische Widerstand von der angelegten Spannung ab, wobei dieser im Bereich von ca. -0,5 V bis 0,5 V je nach Kontaktierung einige MΩ beträgt. Die Strom- / Spannungskennlinie ist im Bereich von etwaConsideration of practically no specific electrical resistance, since the electrons in the nanotube are almost ballistic, i.e. without loss of scatter. However, if such a CNT is contacted with metal contacts, a contact resistance in the kΩ range arises at each contact point. In the case of semiconducting CNTs, the specific resistance depends on the voltage applied, and this is in the range from approximately -0.5 V to 0.5 V, depending on the contact, a few MΩ. The current / voltage characteristic is in the range of approximately
-1 V bis 1 V nichtlinear. Durch Anlegen einer Gatespannung über eine dritte Elektrode an einem halbleitenden CNT ähnlich wie in einem Feldeffekttransistor ist diese Nichtlinearität der Kennlinie unterdrückbar und der spezifische Widerstand reduzierbar.-1 V to 1 V non-linear. By applying a gate voltage via a third electrode to a semiconducting CNT similar to a field effect transistor, this non-linearity of the characteristic can be suppressed and the specific resistance can be reduced.
Die Zugfestigkeit von CNTs liegen bei 30.000 N/mm2 (im Vergleich: hochfester Stahl: ca. 1.900 N/mm2, hochfeste Kohlenstofffasern: ca. 4.900 N/mm2) , wobei eine Bruchdehnung (im Zugversuch) von über 5 % erreicht wird.The tensile strength of CNTs is 30,000 N / mm 2 (in comparison: high-strength steel: approx. 1,900 N / mm 2 , high-strength carbon fibers: approx. 4,900 N / mm 2 ), with an elongation at break (in the tensile test) of over 5% becomes.
Grundsätzlich sind zwei Bauformen von CNTs geläufig, nämlich einwandige (single-walled carbon nanotubes, SWCNTs) und mehrwandige (multi-walled carbon nanotubes, MWCNTs) .Basically, two designs of CNTs are common, namely single-walled (single-walled carbon nanotubes, SWCNTs) and multi-walled (multi-walled carbon nanotubes, MWCNTs).
Einwandige CNTs (SWCNTs) , beschrieben in [1] bis [3] , sind nahtlose Hohlzylinder, die aus einer um die Röhrenachse aufgewickelten Graphitschicht bestehen. Sie sind je nach Orientierung der hexagonalen Struktur des Graphitgitters zur Röhrenachse (Helizität) metallisch leitend oder halbleitend. SWCNTS formieren sich bevorzugt zu Rohrcluster mit einer Vorzugsausrichtung, wobei die einzelnen SWCNTs über van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten werden. Eine zuverlässige Aussage über elektrischen Eigenschaften von SWCNT- Cluster ist derzeit nicht möglich, da die einzelnen SWCNTs keine einheitlichen Helizitäten und damit unterschiedliche elektrische Eigenschaften aufweisen. Die elektrischen Eigenschaften von CNT- Cluster hängen auch davon ab, welche SWCNTs (metallische oder halbleitende) eines Rohrclusters elektrisch kontaktiert werden. DieSingle-walled CNTs (SWCNTs), described in [1] to [3], are seamless hollow cylinders that consist of a graphite layer wound around the tube axis. Depending on the orientation of the hexagonal structure of the graphite lattice to the tube axis (helicity), they are metallically conductive or semiconductive. SWCNTS are preferably formed into tube clusters with a preferred orientation, whereby the individual SWCNTs are held together by van der Waals forces. A reliable statement about the electrical properties of SWCNT clusters is currently not possible because the individual SWCNTs do not have uniform helicities and therefore have different electrical properties. The electrical properties of CNT clusters also depend on which SWCNTs (metallic or semiconducting) of a pipe cluster can be electrically contacted. The
Durchmesser von SWCNTs liegen im Bereich von 0,4 bis 5 nm.SWCNTs range in diameter from 0.4 to 5 nm.
Mehrwandige CNTs (MWCNTs), erwähnt beispielsweise in [3], bestehen hingegen aus mehreren koaxial ineinander angeordneten einwandigen CNTs unterschiedlichen Durchmessers. Auch hier ist eine Aussage über die elektrischen Eigenschaften problematisch, da die einzelnen SWCNTs einer MWCNT grundsätzlich unterschiedliche Helizitäten und damit unterschiedliche elektrische Eigenschaften aufweisen. Zudem ist der Zugang des Elektrolyten praktisch nur zu dem außen liegenden CNT ungehindert möglich. Wie bei SWCNT- Clustern spielt es auch hier eine Rolle, welche CNTs (metallische oder halbleitende) einer MWCNT elektrisch kontaktiert sind. Übliche Außendurchmesser von MWCNTs liegen im Bereich von 1,4 bis 200 nm.Multi-walled CNTs (MWCNTs), mentioned for example in [3], on the other hand consist of several single-walled CNTs of different diameters arranged coaxially one inside the other. Here too, a statement about the electrical properties is problematic, since the individual SWCNTs of a MWCNT have fundamentally different helicities and thus different electrical properties. In addition, the access of the electrolyte is practically only unhindered to the outside CNT. As with SWCNT clusters, it also plays a role here which CNTs (metallic or semiconducting) of an MWCNT are electrically contacted. Usual outside diameters of MWCNTs are in the range from 1.4 to 200 nm.
Der E-Modul von einzelnen SWCNTs (metallischen und halbleitend) beträgt ungefähr 1.000.000 N/mm2 (im Vergleich: Stahl bei ca. 210.000 N/mm2) . Er ist grundsätzlich größer als der von SWCNT-Clustern, da die einzelnen CNTs in einem Cluster nur über van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten werden. Der E-Modul von MWCNTs wird dagegen durch Krafteinleitung in den MWCNT beeinflusst und erreicht maximal die Werte einzelner SWCNT. Wird die Kraft idealisiert über dieselbe Röhre eines MWCNT ein- und ausgeleitet, so ist der E-Modul mit dem einer SWCNT vergleichbar. Wird die Kraft über unterschiedliche SWCNTs ein- und ausgeleitet, so entsteht ein teleskopartiges System, dessen E- Modul sich nicht sinnvoll ermitteln lässt.The modulus of elasticity of individual SWCNTs (metallic and semiconducting) is approximately 1,000,000 N / mm 2 (in comparison: steel at approx. 210,000 N / mm 2 ). It is fundamentally larger than that of SWCNT clusters, since the individual CNTs in a cluster are only held together by van der Waals forces. The modulus of elasticity of MWCNTs, on the other hand, is influenced by the introduction of force into the MWCNT and at most reaches the values of individual SWCNTs. If the force is idealized in and out via the same tube of a MWCNT, the modulus of elasticity is comparable to that of a SWCNT. If the force is introduced and discharged via different SWCNTs, a telescope-like system is created, the elastic modulus of which cannot be sensibly determined.
Aufgrund dieser Eigenschaften sind CNTs für Aktoren insbesondere für Anwendungen in der Mikrosystem-, Medizin- oder Nanotechnologie sowie für biomedizinische Anwendungen (z.B. als künstlicher Muskel) interessant. Derartige Aktoren weisen insbesondere folgende interessante Eigenschaften auf:Due to these properties, CNTs are particularly interesting for actuators for applications in microsystem, medical or nanotechnology as well as for biomedical applications (e.g. as an artificial muscle). Such actuators have the following interesting properties in particular:
• Großer reversibler Dehnungsbereich der aktiven Elemente des elektrisch angesteuerten unbelasteten Aktors (bis ca. 1,6 %) bereits bei geringen elektrischen Spannungen (ca. 1 V) und geringe Ansteuerströmen, d.h. ein hoher Wirkungsgrad• Large reversible expansion range of the active elements of the electrically controlled unloaded actuator (up to approx. 1.6%) even with low electrical voltages (approx. 1 V) and low control currents, i.e. high efficiency
• Hohe Dynamik erzielbar Linearer Zusammenhang zwischen Ein- und Ausgangsgrößen Hoher Elastizitätsmodul der aktiven Elemente, dadurch hohe Aktorkräfte erzielbar In festen und flüssigen Elektrolyten funktionsfähig Integrierbar in Materialien (Smart Materials) Skalierbar über geeignete AVT (Aufbau- und Verbindungstechniken) Hohe Lebensdauer Anwendungen auch bei höheren Temperaturen (bis ca. 1000 °C) Hohe volumetrische und gravimetrische Arbeitskapazitäten• High dynamics achievable Linear relationship between input and output variables High elastic modulus of the active elements, thus high actuator forces can be achieved Functional in solid and liquid electrolytes Can be integrated in materials (Smart Materials) Scalable using suitable AVT (assembly and connection technologies) Long service life Applications even at higher temperatures (up to approx 1000 ° C) High volumetric and gravimetric working capacities
[4] beschreibt beispielsweise ein entsprechendes Aktorkonzept, bei dem eine Vielzahl von CNTs zu einer makroskopischen Schicht, der sog. „Bucky-Paper"-Schicht als aktive Elektrode des Aktors zusammengefasst, d. h. gebündelt ist. Dabei weisen die CNTs hierin eine eindeutige Vorzugsrichtung auf. Es werden auf dieser Basis Translations- und Biegeaktoren vorgeschlagen.[4] describes, for example, a corresponding actuator concept in which a large number of CNTs are combined, that is to say bundled, to form a macroscopic layer, the so-called “bucky paper” layer, as the active electrode of the actuator. The CNTs here have a clear preferred direction On this basis, translation and bending actuators are proposed.
In [3] werden für das Einbringen einer Vorzugsrichtung von CNTs zudem für die Ausrichtung der Nanorohrchen bekannte- physikalische oder chemische Methoden vorgeschlagen, beispielsweise durch elektrische, magnetische und/oder elektromagnetische Felder und / oder unter Einfluss von Ultraschall in einer sedmentierenden Tensidsuspension.In [3], known physical or chemical methods for the alignment of the nanotubes are proposed for introducing a preferred direction of CNTs, for example by means of electrical, magnetic and / or electromagnetic fields and / or under the influence of ultrasound in a sedimenting surfactant suspension.
Derartige Aktoren weisen mit dem verwendeten Bucky-Paper eine im Vergleich zu den einzelnen CNTs extrem hohe Nachgiebigkeit (ca. um den Faktor 2200 höhere) auf. Ein derartiger Aktor ist mechanisch auch bei weitem nicht so belastbar. Folglich ist auch mit einer starken Abhängigkeit der Aktordehnung von den am Aktor angreifenden Kräften zu erwarten, sowie prinzipbedingt ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung und auftretende Hysterese des Dehnungsverhaltens. Außerdem erfolgt der Zugang der Elektrolytionen zu den CNTs im Innern des Bucky-Papers im Vergleich zu den außen liegenden CNTs erst verzögert, was auch in Verbindung mit der geringen elektrischen Leitfähigkeit' von Bucky-Paper die maximal möglichen Ausschlagfrequenzen der Aktoren einschränkt, aber auch zu einer höheren Verlustwärme und zu einer geringer Aktordehnung führt. Ferner ist auch mit Umstrukturierungs- und Setzungsvorgängen im relativ lockeren Bucky-Paper-Gefüge und damit verstärkt mit zyklenabhängigier Degradationseffekten der Aktoren zu rechnen.With the bucky paper used, such actuators have an extremely high degree of flexibility in comparison to the individual CNTs (approximately 2200 times higher). Such an actuator is far from being mechanically strong. Consequently, a strong dependency of the actuator expansion on the forces acting on the actuator is to be expected, as well as a non-linear relationship between tension and expansion and hysteresis of the expansion behavior that occurs due to the principle. In addition, access of the electrolyte ions to the CNTs in the interior of the bucky paper in comparison to the outer CNTs also takes place only after a delay, which limits the maximum possible deflection frequencies of the actuators also in communication with the low electrical conductivity 'Bucky paper, but higher heat loss and less actuator expansion. Furthermore, restructuring and settlement processes in the relatively loose bucky paper structure and thus increasingly cycle-dependent degradation effects of the actuators can be expected.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Aktorkonzept auf der Basis von geometrisch anisotropen Nanopartikeln, insbesondere Nanorohrchen wie CNTs vorzuschlagen. Insbesondere soll der Aktor hinsichtlich höherer Aktorkräfte, Belastbarkeit, Steifigkeit, Dehnung und Ausschlagfrequenzen verbessert werden.The object of the invention is therefore to propose an improved actuator concept based on geometrically anisotropic nanoparticles, in particular nanotubes such as CNTs. In particular, the actuator is to be improved with regard to higher actuator forces, resilience, rigidity, elongation and deflection frequencies.
Die Aufgabe wird durch einen Aktor gemäß des ersten Patentanspruchs gelöst. Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen wieder.The object is achieved by an actuator according to the first claim. Sub-claims reflect advantageous refinements.
Der wesentliche Grundgedanke der Erfindung besteht darin, idealer weise alle, vorzugsweise mindestens 80 % oder besser noch 90 % der Nanopartikel oder -röhrchen, insbesondere CNTs, im Aktor in eine Vorzugsrichtung, vorzugsweise parallel zueinander mit einer maximalen Winkelabweichung von ±20°, zu Partikelreihen oder Partikelbündel auszurichten und über Stege, die sich vorzugsweise senkrecht zur genannten Ausrichtung erstrecken, elektrisch und mechanisch miteinander fest zu verbinden (Aktorschicht). In der Zug- bzw. Druckbeanspruchungsrichtung können weiterhin mehrere solcher Aktorschichten hintereinander angeordnet sein.The essential basic idea of the invention consists in ideally all, preferably at least 80% or better still 90% of the nanoparticles or tubes, in particular CNTs, in the actuator in a preferred direction, preferably parallel to one another with a maximum angular deviation of ± 20 °, to form rows of particles or to align particle bundles and to connect them electrically and mechanically to one another via webs, which preferably extend perpendicularly to the named orientation (actuator layer). A plurality of such actuator layers can furthermore be arranged one behind the other in the tensile or compressive stress direction.
Als Nanopartikel eignen sich grundsätzlich alle Materialien, auf dessen Oberfläche sich in einem Elektrolyten eine Doppelschicht ausbildet. Eine derartige Doppelschicht bewirkt eine Änderung der Gitterabstände und damit eine Formänderung der Nanopartikel. Ein Einfluss ist grundsätzlich bei allen Verbindungsarten zu beobachten. Der besondere Vorteil von CNTs oder anderen Nanoröhren liegt dabei im maximal möglichen Verhältnis von Oberfläche (mit Doppelschicht) zu Volumen und damit in einer optimalen Ausnutzung des zuvor genannten Effekts.Basically, all materials are suitable as nanoparticles, on the surface of which a double layer is formed in an electrolyte. Such a double layer causes a change in the lattice spacing and thus a change in the shape of the nanoparticles. An influence can basically be observed for all connection types. The special advantage of CNTs or other nanotubes lies in the maximum possible ratio of surface (with double layer) to volume and thus in an optimal use of the aforementioned effect.
Ein weiteres wesentliches Detail der Erfindung betrifft dabei die stoffschlüssige Verbindung zwischen den Nanopartikeln und den Stegen. Die Verbindung bildet sich aus einem Reaktionsprodukt aus den Stegseitigen und Partikelseitigen Materialien, wobei diese als auch das Reaktionsprodukt eine elektrische Leitfähigkeit aufweist. Ferner ist jedes der Nanopartikel mit mindestens zwei Stegen verbunden, wodurch eine signifikante Erhöhung der Aktorsteifigkeit erzielbar wird.Another essential detail of the invention relates to the integral connection between the nanoparticles and the webs. The compound is formed from a reaction product from the Web-side and particle-side materials, which, like the reaction product, has an electrical conductivity. Furthermore, each of the nanoparticles is connected to at least two webs, as a result of which a significant increase in the actuator rigidity can be achieved.
Zur Herstellung der aktiven Elektrode wird beispielsweise eine Anzahl von Stegen auf ein Substrat aufgebracht und von einer Dispersion mit den Nanopartikeln umspült. Durch das Anlegen einer hochfrequenten Wechselspannung zwischen den Stegen werden die Nanopartikel über dielektrophoretische Kräfte entsprechend der elektrischen Feldlinien in gewünschter Art und Weise parallel zueinander auf den Stegen abgeschieden, wobei sie die Zwischenräume zwischen den Stegen überbrücken. In weiteren Schritten folgen ein Entfernen der überschüssigen Dispersion und eine elektrische Verbindung zwischen den Nanopartikeln und den Stegen über eine vorgenannte Reaktion.To produce the active electrode, for example, a number of webs are applied to a substrate and a dispersion with the nanoparticles around them. By applying a high-frequency alternating voltage between the webs, the nanoparticles are deposited on the webs in parallel in a desired manner via dielectrophoretic forces corresponding to the electrical field lines, bridging the spaces between the webs. In further steps, the excess dispersion is removed and an electrical connection between the nanoparticles and the webs is carried out via a previously mentioned reaction.
Mehrere übereinander liegende Aktorschichten aus Stegen und Nanopartikeln lassen sich auf verschiedener Weise realisieren, beispielsweise über ein einfaches Übereinanderschichten mehrerer Schichten oder durch Aufrollen oder Falten einer Schicht. Auch mehrmaliges Abscheiden von Nanopartikeln und Stegen an den gewünschten Kontaktstellen und durch Einleiten der zuvor genannten Reaktion (z.B. Glühen der Elektrode bei ca. 900 °C) führt zu dem genannten Schichtverbund.Several superimposed actuator layers made of webs and nanoparticles can be realized in different ways, for example by simply stacking several layers or by rolling or folding one layer. Repeated deposition of nanoparticles and webs at the desired contact points and by initiating the aforementioned reaction (e.g. annealing the electrode at approx. 900 ° C) leads to the above-mentioned layer composite.
Bei einer beispielhaften und nicht den Erfindergedanken einschränkenden Verbindung von CNTs (oder Kohlenstofffasern) mit Stegen bestehen die Stege aus einem Karbid bildenden Leitermaterial-, vorzugsweise einem Metall, wobei sowohl das Leitermaterial als auch das Karbid kein elektrischer Isolator ist. Vorzugweise bestehen die Stege aus einem Übergangsmetall wie Titan -oder aus Silizium. Alternativ weisen die Stege eine Beschichtung aus den genannten Materialien auf. Bei Temperaturen von ca. 900 °C bildet sich an den Kontaktstellen zwischen den CNTs und dem Steg durch eine Festkörperreaktion ein Metallkarbid, welches CNTs und Stege mechanisch belastbar und elektrisch leitfähig miteinander verbindet. Ein auf diese Weise her- gestellter über elastische Elemente vorgespannter Aktor eignet sich nicht nur als Druckaktor, sondern in vorteilhafter Weise auch als Zugaktor, wobei eine elastische Vorspannung aufgrund der reduzierten Knickgefahr der CNTs nicht mehr erforderlich ist. Zur weiteren Verbesserung der Kontaktierung können die Kontaktstellen auch zusätzlich nach der vorgenannten Abscheidung der CNTs mit zusätzlichem Metall der o. g. Art beschichtet werden, wodurch die Enden der CNTs nach der Festkörperreaktion völlig im Metallkarbid eingebettet sind, wobei sich auch hier ein nahezu vernachlässigbarer elektrischer Übergangswiderstand zwischen CNT und Steg einstellt.In an exemplary and not restrictive connection of CNTs (or carbon fibers) with webs, the webs consist of a carbide-forming conductor material, preferably a metal, both the conductor material and the carbide being no electrical insulator. The webs preferably consist of a transition metal such as titanium or silicon. Alternatively, the webs have a coating of the materials mentioned. At temperatures of approx. 900 ° C, a metal carbide forms at the contact points between the CNTs and the web due to a solid-state reaction, which mechanically resiliently connects CNTs and webs to one another and is electrically conductive. A in this way The actuator preloaded by means of elastic elements is not only suitable as a pressure actuator, but also advantageously as a pull actuator, with an elastic preload no longer being necessary due to the reduced risk of buckling of the CNTs. To further improve the contacting, the contact points can also be coated with additional metal of the above-mentioned type after the aforementioned deposition of the CNTs, as a result of which the ends of the CNTs are completely embedded in the metal carbide after the solid-state reaction, with an almost negligible electrical contact resistance between CNTs and adjusts the bridge.
Der Verbund aus Nanopartikel und Stegen bildet die aktive Elektrode des Aktors. Diese befinden sich wie auch ggf. eine Gegenelektrode in einem flüssigen oder festen Elektrolyt (Kochsalzlösung oder auch andere, in [1] bis [4] genannten) und sind an die Pole eine Spannungs- oder Stromquelle angeschlossen. Mit einer elektrischen Ansteuerung der Stege werden die Nanopartikel elektrisch aufgeladen. Es entsteht im Elektrolyten ein elektrisches Feld, welches elektrostatisch auf die Elektrolytionen wirkt und diese an Nanopartikel anbindet, wodurch sich eine elektrochemische Doppelschicht ausbildet und zu der signifikanten Längenänderung der Nanopartikel führt.The composite of nanoparticles and webs forms the active electrode of the actuator. Like any counterelectrode, these are located in a liquid or solid electrolyte (saline solution or other, mentioned in [1] to [4]) and are connected to the poles of a voltage or current source. The nanoparticles are electrically charged by electrically controlling the webs. An electrical field is created in the electrolyte, which acts electrostatically on the electrolytes and binds them to nanoparticles, which forms an electrochemical double layer and leads to the significant change in length of the nanoparticles.
Da die Nanopartikel mechanisch mit den Stegen verbunden sind, ändert sich mit der Längenänderung auch der Abstand zwischen den Stegen, was als Aktorbewegung (Expansion oder Kontraktion) von außen an den Enden des Aktors abgegriffen werden kann. Die Stege können weiterhin über Elemente mit geringer Steifigkeit gegenüber einem Grundkörper fixiert und / oder mit elastischen Elementen vorgespannt sein.Since the nanoparticles are mechanically connected to the webs, the change in length also changes the distance between the webs, which can be tapped at the ends of the actuator as an actuator movement (expansion or contraction). The webs can also be fixed with elements with low rigidity relative to a base body and / or pre-stressed with elastic elements.
Die Anzahl der vorgenannten senkrecht zur Zug- bzw. Druckbeanspruchungsrichtung des Aktors übereinander angeordneten Aktorschichten beeinflusst in vorgenannter Weise direkt die Steifigkeit des Aktors. Die genannte vollständige oder nahezu vollständige Ausrichtung der Nanopartikel sowie die stoffschlüsseig Verbindung an die Stege bewirken in vorteilhafter Weise nicht nur eine besonders hohe Steifigkeit des Aktors, sondern bietet, da nur eine keine Fraktion der Nanopartikel ungeordnet ist, eine erheblich bessereThe number of actuator layers arranged one above the other perpendicular to the direction of tension or compression of the actuator directly influences the rigidity of the actuator in the aforementioned manner. The aforementioned complete or almost complete alignment of the nanoparticles and the cohesive connection to the webs not only advantageously result in a particularly high rigidity of the actuator, but also offers, since only one, no fraction the nanoparticle is disordered, a much better one
Berechnungsgrundlage für eine zuverlässige Bestimmung der Aktoreigenschaften. Steifigkeit, maximale Kraft und Stellweg des Aktors ist ferner durch die Anzahl und Dicke Schichten aus CNTs und Stegen.Basis of calculation for a reliable determination of the actuator properties. Rigidity, maximum force and travel of the actuator is also due to the number and thickness layers of CNTs and webs.
Die besonderen Vorteile der Erfindung sind zusammengefasst folgende: Größeres Dehnungsvermögen bei gleichen Aktorabmessungen oder gleichgroßes Dehnungvermögen bei kleineren AktorabmessungenThe particular advantages of the invention are summarized as follows: Greater elongation with the same actuator dimensions or the same elongation with smaller actuator dimensions
- Besonders hohe Stellkräfte und Belastbarkeit- Particularly high positioning forces and resilience
- Besonders hohe Stellfrequenzen und -geschwindigkeiten Besonders geringe Langzeitdegradation Besonders hohe Aktorsteifigkeit, dadurch geringere Abhängigkeit der Dehnung von den am Aktor angreifenden Kräften Linearer und kalkulierbarer Zusammenhang zwischen Aktoreingang (elektrische Spannung oder Strom) und Aktorausgang (Dehnung oder Biegung bzw. Kraft oder Biegemoment) Effizienterer Materialeinsatz Höherer Wirkungsgrad- Particularly high control frequencies and speeds Particularly low long-term degradation Particularly high actuator stiffness, therefore less dependence of the expansion on the forces acting on the actuator Linear and calculable relationship between actuator input (electrical voltage or current) and actuator output (expansion or bending or force or bending moment) More efficient Material use Higher efficiency
Die Erfindung wird im Folgenden mit Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert. Es zeigenThe invention is explained in more detail below with exemplary embodiments and figures. Show it
Fig. 1 a und b die aktive Elektrode des Aktors in zwei Ansichten,1 a and b, the active electrode of the actuator in two views,
Fig. 2 eine Detailaufnahme der Verbindung zwischen CNT und Steg,2 shows a detailed view of the connection between the CNT and the web,
Fig. 3 den prinzipiellen Aufbau eines Translationsaktors sowieFig. 3 shows the basic structure of a translation actuator and
Fig. 4 den prinzipiellen Aufbau eines Biegeaktors.Fig. 4 shows the basic structure of a bending actuator.
Das Kernstück der Erfindung, die aktive Elektrode zeigen Fig. 1 a und b, wobei Fig. 1 b eine Schnittdarstellung der aktiven Elektrode entlang der Linie A - A (vgl. Fig. 1 a) wiedergibt. Diese besteht aus mehreren Aktorschichten 1, umfassend eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneter CNTs 2 und orthogonal zu diesen angeordneten Stegen 3. Die aktive Elektrode ist in der dargestellten Ausführungsform mit einem Ende über einen Steg mit einem Festlager 4 verbunden und führt über sein freies Ende, vorzugsweise ebenfalls durch einen Steg als Endstück 5 gebildet, die Aktorstellbewegung 6 durch. Ferner sind in Fig. 1 a elastische Elemente 7 für dieThe centerpiece of the invention, the active electrode, is shown in FIGS. 1 a and b, where FIG. 1 b shows a sectional illustration of the active electrode along the line AA (see FIG. 1 a). This consists of a plurality of actuator layers 1, comprising a plurality of CNTs 2 arranged parallel to one another and webs 3 arranged orthogonally to them. In the embodiment shown, the active electrode has one end via a web with a fixed bearing 4 connected and performs the actuator actuation movement 6 via its free end, preferably also formed by a web as the end piece 5. 1 a are elastic elements 7 for the
Vorspannung eines Druckaktors und zur Führung der Stege 3 wiedergegeben .Bias of a pressure actuator and shown for guiding the webs 3.
Die CNTs sind in der aktiven Elektrode der dargestellten Ausführungsform nicht clusterförmig sondern vorzugsweise in einer Ebene parallel zueinander angeordnet (vgl. Fig. 1 b) . Hierdurch ist ein ungehinderter Zugang von Ionen des Elektrolyten sichergestellt, was mögliche Verzögerungen und Ungleichmäßigkeiten einer Stellbewegung erheblich reduziert.In the active electrode of the embodiment shown, the CNTs are not arranged in a cluster, but preferably in a plane parallel to one another (cf. FIG. 1 b). This ensures an unhindered access of ions of the electrolyte, which considerably reduces possible delays and irregularities in an actuating movement.
Fig. 2 zeigt eine schematische Detailvergrößerung eines Übergangsbereichs zwischen einem CNTs und einem Steg, dargestellt in Fig. 1 b mit der Markierung B. Im Übergangsbereich trifft ein CNT 2 auf den Steg 3 aus einem Leitermetall, welches chemisch und lokal begrenzt am Kontaktpunkt zu einem Karbidbereich 8 umgewandelt wird. Der Karbidbereich dient der stoffschlüssigen und damit stabilen mechanischen und elektrischen Verbindung zwischen dem CNTs und dem Stegen.FIG. 2 shows a schematic enlarged detail of a transition area between a CNT and a web, shown in FIG. 1b with the marking B. In the transition area, a CNT 2 meets the web 3 made of a conductor metal, which is chemically and locally limited at the contact point to one Carbide area 8 is converted. The carbide area serves the integral and thus stable mechanical and electrical connection between the CNTs and the web.
Fig. 3 zeigt in einer prinzipiellen Darstellung den Aufbau eines Translationsaktors vorzugsweise für lineare Stellbewegungen 6. Bei diesem sind sowohl die aktive Elektrode 9 wie auch die Gegenelektrode 10 (passive elektrisch leitende Elektrode) des Aktors in einem gemeinsamen Elektrolyten 11 eingebracht und werden über eine Spannungs- oder Stromquelle 12 mit einem Potentialunterschied, vorzugsweise gegenpolig elektrisch aufgeladen.3 shows a basic illustration of the structure of a translation actuator, preferably for linear actuating movements 6. In this, both the active electrode 9 and the counter electrode 10 (passive electrically conductive electrode) of the actuator are introduced into a common electrolyte 11 and are introduced via a voltage - Or current source 12 with a potential difference, preferably charged with opposite polarity.
Fig. 4 zeigt dagegen den prinzipiellen Aufbau eines Biegeaktors vorzugsweise für Schwenkbewegungen. Auch hier befinden sich sowohl die aktive Elektrode 9 wie auch die Gegenelektrode 10 im Elektrolyten 11. Im Gegensatz zu dem in Fig. 3 dargestellten Aktor ist bei dem dargestellten Biegeaktor auch die Gegenelektrode als Verbund aus CNTs und Stegen in vorgenannter Weise ausgeführt. Eine Spannungs- oder Stromquelle 12 dient der elektrischen Aufladung der Elektroden mit einem Potentialunterschied, vorzugsweise gegenpolig. Geringe elektrische Aufladungen bewirken in den beiden Elektroden4 shows the basic structure of a bending actuator, preferably for pivoting movements. Here too, both the active electrode 9 and the counterelectrode 10 are located in the electrolyte 11. In contrast to the actuator shown in FIG. 3, the counterelectrode in the illustrated bending actuator is also designed as a composite of CNTs and webs in the aforementioned manner. A voltage or current source 12 also serves to electrically charge the electrodes a potential difference, preferably opposite pole. Small electrical charges result in the two electrodes
Formänderungen mit unterschiedlichem Vorzeichen. Sind die beidenChanges in shape with different signs. Are the two
Elektroden, wie in Fig. 4 wiedergegebene mechanisch über ein elektrisch isolierendes Verbindungselement 13 miteinander gekoppelt, so führt der Aktor vergleichbar mit einem Bimetallstreifen eineElectrodes, as shown in FIG. 4, mechanically coupled to one another via an electrically insulating connecting element 13, the actuator introduces one in a manner comparable to a bimetal strip
Biegebewegung als Aktorstellbewegung 6 aus. Auch bei diesemBending movement as actuator actuation movement 6. This too
Aktorkonzept lassen sich Steifigkeit und die maximale Kraft undActuator concept can be rigidity and the maximum force and
Dehnung durch die oben beschriebenen Maßnahmen beeinflussen.Influence elongation through the measures described above.
Für die Realisierung von Aktoren, insbesondere der beschriebenen Ausführungsformen sind grundsätzlich alle Typen von CNTs verwendbar, und zwar sowohl einzelne metallische SWCNTs, einzelne halbleitende SWCNTs, Gemisch aus einzelnen metallischen und einzelnen halbleitenden SWCNTs, SWCNT-Cluster wie auch MWCNTs und Mischungen aus SWCNTs und MWCNTs. Wichtig ist jedoch ein synchrones (mikroskopisches) oder quasisynchrones (makroskopisches) Ausdehnungsverhalten bei Injektion von Ladungen in die CNTs. Die genannten CNT-Typen unterscheiden sich insbesondere und wie eingangs erläutert im spezifischen elektrischen Widerstand und im E-Modul. In Bezug auf den E-Modul ist danach die Verwendung von einzelnen SWCNTs oder von richtig kontaktierten MWCNTs für einen Aktor mit hoher Steifigkeit, großer kraft und Dehnung sinnvoll.In principle, all types of CNTs can be used for the implementation of actuators, in particular the described embodiments, namely both individual metallic SWCNTs, individual semiconducting SWCNTs, a mixture of individual metallic and individual semiconducting SWCNTs, SWCNT clusters as well as MWCNTs and mixtures of SWCNTs and MWCNTs , However, it is important to have a synchronous (microscopic) or quasi-synchronous (macroscopic) expansion behavior when injecting charges into the CNTs. The CNT types mentioned differ in particular and, as explained at the outset, in the specific electrical resistance and in the elastic modulus. With regard to the modulus of elasticity, the use of individual SWCNTs or correctly contacted MWCNTs for an actuator with high rigidity, high force and elongation is sensible.
Da es für die Ausnutzung der elektromechanischen Eigenschaft von CNTs notwendig ist, diese elektrisch aufzuladen und da ein linearer Zusammenhang zwischen Eingangsgröße (Strom oder Spannung) und Ausgangsgröße (Dehnung / Biegung bzw. Kraft / Biegemoment) ohne zusätzlichen Aufwand wünschenswert ist, ist aus dieser Sicht die Verwendung von metallischen SWCNTs für den Aktor zu bevorzugen. In Bezug auf E-Modul und spezifischer elektrischen Widerstand sind daher einzelne metallische SWCNTs für die Realisierung eines Aktors mit den oben beschriebenen Eigenschaften besonders günstig, was eine Verwendung der anderen aufgeführten CNT-Arten jedoch nicht ausschließt. Als Elektrolyte kommen alle Ionenträger, insbesondere aber wässrigenFrom this point of view, since it is necessary to charge the electromechanical properties of CNTs electrically, and since a linear relationship between the input variable (current or voltage) and the output variable (elongation / bending or force / bending moment) is desirable prefer the use of metallic SWCNTs for the actuator. In terms of modulus of elasticity and specific electrical resistance, individual metallic SWCNTs are therefore particularly favorable for the realization of an actuator with the properties described above, which does not, however, preclude the use of the other CNT types listed. All ion carriers come as electrolytes, but especially aqueous ones
Salzlösungen mit Alkalimetallionen und Halogenidionen (z.B.Salt solutions with alkali metal ions and halide ions (e.g.
Kochsalzlösung) , Festkörperelektrolyte, verdünnte Schwefelsäure oder wässrige KOH-Lösung in Frage. Saline), solid electrolytes, dilute sulfuric acid or aqueous KOH solution.
Literaturliterature
[1] R.H.Baughman et al.: Carbon Nanotube Actuators; Science, Vol. 284 (21 May 1999) S.1340-1344 [2] G. Sun et al.: Dimensional Changes as a Function of Carge In- jection in Single-Walled Carbon Nanotubes; J. Am. Chem. Soc. 124 (2002) S.15076-15080 [3] DE 102 44 312 AI [4] WO 00/50771 [1] RHBaughman et al .: Carbon Nanotube Actuators; Science, Vol. 284 (May 21, 1999) pp. 1340-1344 [2] G. Sun et al .: Dimensional Changes as a Function of Carge Injection in Single-Walled Carbon Nanotubes; J. Am. Chem. Soc. 124 (2002) p.15076-15080 [3] DE 102 44 312 AI [4] WO 00/50771
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Aktorschicht 2 Geometrisch anisotropes Nanopartikel, Nanorohrchen, CNT 3 Steg 4 Festlager 5 Endstück 6 Stellbewegung, Wirkrichtung 7 Elastische Elemente 8 Karbidbereich 9 Aktive Elektrode 10 Gegenelektrode 11 Elektrolyt 12 Elektrische Spannungs- oder Stromquelle 13 Verbindungselement 1 actuator layer 2 geometrically anisotropic nanoparticle, nanotube, CNT 3 web 4 fixed bearing 5 end piece 6 positioning movement, direction of action 7 elastic elements 8 carbide area 9 active electrode 10 counter electrode 11 electrolyte 12 electrical voltage or current source 13 connecting element

Claims

Patentansprüche : Claims:
1. Aktor mit mindestens einer aktiven Elektrode (9) in einem Elektrolyten (11), die mindestens zwei Stege (3) aus einem elektrisch leitfähigen Material mit einer Vielzahl von auf diesen aufgesetzter und in einer Vorzugsrichtung unidirektional orientierter geometrisch anisotroper Nanopartikel (2) umfasst, wobei zwischen den Nanopartikeln und den Stegen eine elektrisch leitfähige Verbindung besteht und Elektrode über eine Spannungsoder Stromquelle (12) mit einem Potentialunterschied zu einer Masse beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel (2) jeweils mit mindestens zwei Stegen verbunden sind und die Verbindung stoffschlüssig ist.1. Actuator with at least one active electrode (9) in an electrolyte (11), which comprises at least two webs (3) made of an electrically conductive material with a large number of geometrically anisotropic nanoparticles (2) placed thereon and oriented in a preferred direction unidirectionally , An electrically conductive connection exists between the nanoparticles and the webs and a potential difference to a mass can be applied to the electrode via a voltage or current source (12), characterized in that the nanoparticles (2) are each connected to at least two webs and the connection is cohesive.
2. Aktor nach Anspruch 1, umfassend mindestens eine Gegenelektrode (10) als Masse im Elektrolyten (11) .2. Actuator according to claim 1, comprising at least one counter electrode (10) as a mass in the electrolyte (11).
3. Aktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel überwiegend Nanorohrchen umfassen und mindestens 80 % aller Nanorohrchen in die Vorzugsrichtung mit maximal ±20° Abweichung weisen.3. Actuator according to claim 1 or 2, characterized in that the nanoparticles predominantly comprise nanotubes and at least 80% of all nanotubes point in the preferred direction with a maximum deviation of ± 20 °.
4. Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Nanopartikel aus Kohlenstoff, die Stege aus einem Karbid bildenden Leitermaterial bestehen oder mit dem Leitermaterial beschichtet sind und die Verbindung zum überwiegenden Teil aus einem Karbid des Leitermaterials besteht, wobei sowohl das Leitermaterial als auch das Karbid ein elektrischer Leiter oder Halbleiter ist.4. Actuator according to one of claims 1 to 3, characterized in that nanoparticles made of carbon, the webs consist of a carbide-forming conductor material or are coated with the conductor material and the connection consists predominantly of a carbide of the conductor material, both the conductor material as well as the carbide is an electrical conductor or semiconductor.
5. Aktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitermaterial Titan oder Silizium enthalten.5. Actuator according to claim 4, characterized in that the conductor material contain titanium or silicon.
6. Aktor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel einwandige oder mehrwandige Nanorohrchen sind.6. Actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the nanoparticles are single-walled or multi-walled Are nanotubes.
7. Aktor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege einer Elektrode untereinander elektrisch kurzgeschlossen sind.7. Actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the webs of an electrode are electrically short-circuited to one another.
8. Aktor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel (2) zwischen zwei Stegen (3) jeweils ein Bündel oder eine Partikelreihe bilden, die mit einem Steg je eine Aktorschicht (1) bilden und die aktive Elektrode mindestens zwei in Vorzugsrichtung mechanisch hintereinander geschaltete Aktorschichten umfasst.8. Actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the nanoparticles (2) between two webs (3) each form a bundle or a row of particles, each forming an actuator layer (1) with a web and the active electrode at least two in Preferred direction comprises mechanically connected actuator layers.
9. Aktor nach einem der vorgenannten Ansprüche für Translationsstellbewegungen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ende der aktiven Elektrode (9) über einen Steg (3) mit einem Festlager (4) verbunden ist und vom Festlager ausgehend die Vorzugrichtung die Wirkrichtung (6) vorgibt.9. Actuator according to one of the preceding claims for translational positioning movements, characterized in that one end of the active electrode (9) is connected via a web (3) to a fixed bearing (4) and, starting from the fixed bearing, the preferred direction specifies the direction of action (6).
10. Aktor nach einem der vorgenannten Ansprüche für Biegebewegungen, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Elektrode parallel zu einem dehnsteifen Element angeordnet und mit diesem mechanisch gekoppelt ist.10. Actuator according to one of the preceding claims for bending movements, characterized in that the active electrode is arranged parallel to a rigid element and mechanically coupled to it.
11. Aktor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das dehnsteife Element eine Gegenelektrode ist und die aktive Elektrode und die Gegenelektrode an gegenüber liegenden Seiten eines elektrisch isolierendes Verbindungselements (13) angeordnet mechanisch miteinander gekoppelt sind.11. Actuator according to claim 10, characterized in that the rigid element is a counter electrode and the active electrode and the counter electrode are arranged mechanically coupled to one another on opposite sides of an electrically insulating connecting element (13).
12. Aktor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode entsprechend einer aktiven Elektrode ausgebildet ist.12. Actuator according to claim 11, characterized in that the counter electrode is designed corresponding to an active electrode.
13. Aktor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (9), Gegenelektrode (10) und Verbindungselement (13) mit einem Ende mit einem Festlager (4) verbunden ist und13. Actuator according to claim 11 or 12, characterized in that the electrode (9), counter electrode (10) and connecting element (13) is connected at one end to a fixed bearing (4) and
Wirkrichtung (6) eine Schwenkbewegung des anderen Endes umfasst Active direction (6) comprises a pivoting movement of the other end
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