TWI553921B

TWI553921B - 電熱致動器

Info

Publication number: TWI553921B
Application number: TW103128562A
Authority: TW
Inventors: 李慶威; 劉長洪; 范守善
Original assignee: 鴻海精密工業股份有限公司
Priority date: 2014-07-23
Filing date: 2014-08-20
Publication date: 2016-10-11
Also published as: TW201605085A; CN105336841A; JP2016025838A; US9863406B2; CN105336841B; US20160025079A1; JP5960226B2

Description

電熱致動器

本發明涉及一種電熱致動器。

致動器的工作原理為將其它能量轉換為機械能，實現這一轉換經常採用的途徑有三種：通過靜電場轉化為靜電力，即靜電驅動；通過電磁場轉化為磁力，即磁驅動；利用材料的熱膨脹或其它熱特性實現能量的轉換，即熱驅動。

先前的熱致動器通常是以聚合物為主體的膜狀結構，通過電流使聚合物溫度升高並導致明顯的體積膨脹，從而實現致動。熱致動設備的原理決定了電極材料必須具備很好的導電性、柔性和熱穩定性。

含有奈米碳管的複合材料已被發現可用來製備電熱致動複合材料。先前技術提供一種含有奈米碳管的電熱致動複合材料，包括柔性高分子基底材料及分散在柔性高分子基底材料中的奈米碳管。含有奈米碳管的電熱致動複合材料可以導電，通電以後可發熱，發熱後，所述含有奈米碳管的電熱致動複合材料體積發生膨脹，進而實現彎曲致動。然而，該電熱致動複合材料的形變量有限，且響應速率較慢，不利於其進一步應用。

有鑒於此，確有必要提供一種可以實現較大形變量且具有較快響應速率的電熱致動複合材料以及電熱致動器。

一種電熱致動複合材料，包括一柔性高分子層以及一奈米碳管紙，所述奈米碳管紙與所述柔性高分子層層疊設置，且至少部分奈米碳管紙包埋於所述柔性高分子層中，所述奈米碳管紙與所述柔性高分子層的厚度比大於等於1：10小於等於1：7，所述奈米碳管紙的密度大於等於0.5g/cm³，所述柔性高分子層的熱膨脹係數為所述奈米碳管紙的熱膨脹係數的10倍以上，所述奈米碳管紙在沿平行於該奈米碳管紙表面的一第一方向上的電導率大於等於1000S/m小於等於6000S/m。

一種電熱致動器，包括：一長條形致動部以及兩個電極，所述長條形致動部由一電熱致動複合材料剪裁而成，所述兩個電極間隔設置，位於所述長條形致動部沿延伸方向的兩端，該兩個電極與所述奈米碳管紙電連接，所述電熱致動複合材料包括一柔性高分子層以及一奈米碳管紙，所述奈米碳管紙與所述柔性高分子層層疊設置，且至少部分奈米碳管紙包埋於所述柔性高分子層中，所述奈米碳管紙與所述柔性高分子層的厚度比大於等於1：10小於等於1：7，所述奈米碳管紙的密度大於等於0.5g/cm³，所述柔性高分子層的熱膨脹係數為所述奈米碳管紙的熱膨脹係數的10倍以上，所述奈米碳管紙在沿平行於該奈米碳管紙表面的一第一方向上的電導率大於等於1000S/m小於等於6000S/m，該長條形致動部至少部分沿所述第一方向延伸。

與先前技術相比較，本發明提供的電熱致動複合材料以及電熱致動器，其包括柔性高分子層，以及設置於柔性高分子層表面的奈米碳管紙，由於奈米碳管紙的密度較大，在彎曲方向上的拉伸強度大於3Mpa，機械強度較大，可以對柔性高分子層具有更好的固定作用，進而使得彎曲致動的形變量較大。由於奈米碳管的熱導率很高，通電後可以快速升溫並將熱量傳導給柔性高分子層，使柔性高分子層受熱膨脹產生致動，進而使所述電熱致動複合材料以及電熱致動器的熱響應速率較高，可以達到10秒以下。另，通過調整電導率在大於等於1000S/m小於等於6000S/m範圍內的方向，可以使所述電熱致動複合材料以及電熱致動器具有彎曲方向可控性。

10，20，30，40‧‧‧電熱致動器

100‧‧‧電熱致動複合材料

120‧‧‧奈米碳管紙

140‧‧‧柔性高分子層

102，202，302，402‧‧‧致動部

404‧‧‧連接部

112，212，312，412‧‧‧電極

圖1為本發明第一實施例提供的電熱致動複合材料的立體結構示意圖。

圖2為本發明第一實施例提供的電熱致動複合材料伸縮前與通電伸縮後的對比示意圖。

圖3為本發明第二實施例提供的電熱致動器的結構示意圖。

圖4為本發明第三實施例提供的電熱致動器的結構示意圖。

圖5為本發明第三實施例提供的其它形狀的電熱致動器的結構示意圖。

圖6為本發明第三實施例提供的包括複數電極的電熱致動器的結構示意圖。

圖7為本發明第四實施例提供的電熱致動器的結構示意圖。

圖8為本發明第五實施例提供的電熱致動器的結構示意圖。

圖9為本發明第五實施例提供的其它形狀的電熱致動器的結構示意圖。

圖10為本發明第五實施例提供的具有複數導電通路的電熱致動器的結構示意圖。

圖11為本發明提供的電熱致動器製備方法的流程圖。

以下將結合圖式詳細說明本發明提供的電熱致動複合材料及電熱致動器。

請參考圖1，本發明第一實施例提供一種電熱致動複合材料100，其包括：一柔性高分子層140以及一奈米碳管紙120。所述奈米碳管紙120與所述柔性高分子層140層疊設置，且至少部分奈米碳管紙120包埋於所述柔性高分子層140中。所述柔性高分子層140的熱膨脹係數為所述奈米碳管紙120的熱膨脹係數的10倍以上，更優選地，所述柔性高分子層140的熱膨脹係數為所述奈米碳管紙120的熱膨脹係數的100倍以上。

所述奈米碳管紙120的厚度大於等於30微米且小於等於50微米。所述奈米碳管紙120在平行於該奈米碳管紙120表面的一第一方向上的電導率大於等於1000S/m且小於等於6000S/m。可以理解，當所述奈米碳管紙120的電導率過大時，例如，大於6000S/m，即該奈米碳管紙120具有較小的電阻，將一預定電壓(如，10V)施加於所述奈米碳管紙120時，該奈米碳管紙120難以產生足够的熱量，進而難以使所述柔性高分子層140發生熱膨脹變形；當所述奈米碳管紙120的電導率過小時，例如，小於1000S/m，即該奈米碳管紙120具有較大的電阻，將所述預定電壓施加於所述奈米碳管紙120時，會導致電熱致動複合材料100的熱響應速度較慢。更優選地，所述奈米碳管紙120在平行於該奈米碳管紙120表面的第一方向上的電導率為大於等於2000S/m且小於等於3500S/m。所述奈米碳管紙120的密度在0.5g/cm³以上，從而使所述奈米碳管紙120的拉伸強度在3MPa以上。當所述奈米碳管紙120的密度太小，則奈米碳管紙120的機械強度較小，不足以對所述柔性高分子層140設置有奈米碳管紙120的一側提供較好的固定作用，從而會使所述電熱致動複合材料100在快速熱致形變的過程中奈米碳管紙120容易發生斷裂。優選的，所述奈米碳管紙120的密度大於等於0.5g/cm³小於等於1.2g/cm³。

所述奈米碳管紙120包括複數基本沿同一方向延伸排列的奈米碳管，且該複數奈米碳管在其延伸方向通過凡得瓦力首尾相連，且所述複數奈米碳管基本平行於該奈米碳管紙120的表面設置。所述複數奈米碳管的延伸方向與所述第一方向形成一大於等於45度小於等於90度交叉角，從而使所述第一方向上的電導率大於等於1000S/m且小於等於6000S/m。優選的，所述複數奈米碳管的延伸方向與所述第一方向形成一大於等於80度小於等於90度的交叉角。

本實施例中，所述奈米碳管紙120為一長為6厘米、寬為3厘米、厚度為30微米的長方形平面結構，且所述奈米碳管紙120的拉伸強度為4Mpa左右，密度為1.0g/cm³，所述奈米碳管紙120中奈米碳管的排列方向與所述第一方向形成一90度夾角，且所述奈米碳管紙120中的奈米碳管在其延伸方向通過凡得瓦力首尾相連。

所述柔性高分子層140為厚度大於等於270微米小於等於450微米的薄片狀結構。當所述柔性高分子層140的厚度太大時，由於該柔性高分子層140本身具有較大的機械性能，且不利於熱量快速傳遞到整個柔性高分子層140，故，不利於產生熱致形變；當所述柔性高分子層140的厚度太小時，由於熱膨脹量與材料的體積及熱膨脹係數成正比，則會導致所述電熱致動複合材料100產生的形變量小。所述柔性高分子層140的形狀可與所述奈米碳管紙120重疊。所述柔性高分子層140的材料應當具有良好的形狀記憶效應以及耐熱性能。所述形狀記憶效應是指當柔性材料升高到一定溫度時，該柔性材料發生形變，而當溫度恢復到初始溫度時，柔性材料的形狀也恢復到初始形狀。所述柔性高分子層140的材料可以為矽橡膠、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨脂、環氧樹脂、聚丙烯酸乙酯、聚丙烯酸丁酯、聚苯乙烯、聚丁二烯、聚丙烯腈、聚苯胺、聚吡咯及聚噻吩等中的一種或幾種的組合。本實施例中，所述柔性高分子層140為一厚度約為300微米的矽橡膠薄膜，其熱膨脹係數約為3.1×10^-4/K。

進一步的，為了使所述電熱致動複合材料100具有更為快速的熱致形變效果，優選地，所述奈米碳管紙120與所述柔性高分子層140的厚度比大於等於1：10小於等於1：7。若所述奈米碳管紙120與所述柔性高分子層140的厚度比太小，例如小於1：10時，則所述柔性高分子層140受熱時升溫速度較慢，從而使所述電熱致動複合材料100的熱響應速率變慢。若所述奈米碳管紙120與所述柔性高分子層140的厚度比太大，例如大於1：7，由於熱膨脹量與材料的體積及熱膨脹係數成正比，則所述柔性高分子層140與奈米碳管紙120的熱膨脹量相差較小，從而使所述電熱致動複合材料100產生的形變量小。本實施例中，該奈米碳管紙120與該柔性高分子層140的厚度比為1：9。

所述電熱致動複合材料100在應用時，將電壓施加於該電熱致動複合材料100中奈米碳管紙120的兩端，電流可通過所述奈米碳管紙120中複數奈米碳管122所形成的導電網路進行傳輸。由於綜合優化了所述奈米碳管紙120與所述柔性高分子層140的各種參數，因此，所述電熱致動複合材料100可以具有較高的熱響應速率，其熱響應速率可達10秒以下，即該電熱致動複合材料100產生180度彎曲所需要的時間可達10秒以下。此外，由於奈米碳管的機械強度、耐彎折性較好，所以該電熱致動複合材料100還具有較好的機械性能，可以反復彎折一萬次以上。

請參閱圖2，本實施例中通過導線將電源電壓施加一20伏特，0.2安培的電流於所述電熱致動複合材料100的兩端，8秒後，所述電熱致動複合材料100向奈米碳管一側彎曲180度。

請參閱圖3，本發明第二實施例提供一種電熱致動器10，包括一致動部102以及兩個電極112。所述致動部102為由所述電熱致動複合材料100直接剪裁而形成一長條狀結構，該致動部至少部分沿所述第一方向延伸。所述致動部102中的複數奈米碳管的延伸方向與所述致動部102的長度方向基本垂直，且所述複數奈米碳管在其延伸方向上通過凡得瓦力首尾相連，從而使所述致動部102沿其長度方向的電導率為3000S/m左右，而沿垂直於其長度方向的電導率為30000S/m左右。所述兩個電極112的延伸方向也與所述致動部102的長度方向基本垂直，且該兩個電極112平行且間隔設置於所述致動部102的兩端，並與該致動部102中的奈米碳管紙120電連接。

所述兩個電極112的材料可以為金屬、奈米碳管、導電銀漿或其他導電材料，只要確保該兩個電極112能導電即可。優選的，該兩個電極112應該保證其導電性幾乎不受所述致動部102的彎折的影響，或者影響比較小，如該兩個電極112的材料可以為奈米碳管或導電銀漿等具有導電性能的柔性材料。可以理解，所述電極數量也可以為複數，根據實際需要設計。本實施例中，所述兩個電極112為銅片，所述銅片設置於所述致動部102兩端。

所述電熱致動器10在使用時，可以通過導線將一電源電壓施加於所述兩個電極112，此時，電流會沿所述致動部102的長度方向從一端流向另一端，從而加熱所述致動部102，由於致動部102沿其長度方向的電導率為3000S/m左右，所以在加熱時所述致動部102可以產生足够的熱量並具有較快的響應速率，進而使所述電熱致動器10沿所述致動部102的長度方向可以產生快速的彎曲致動。

請參閱圖4，本發明第三實施例提供一種電熱致動器20，該電熱致動器20包括兩個致動部202以及兩個電極212。所述兩個致動部202為由所述電熱致動複合材料100直接剪裁而形成一長條狀結構，且該兩個致動部202相互電連接形成一“L”狀的導電通路。所述兩個電極212分別設置在所述“L”狀導電通路的兩端並與所述兩個致動部202電連接，並向該“L”狀導電通路引入驅動電流。所述兩個致動部202包括複數基本沿同一方向延伸排列的奈米碳管，該複數奈米碳管在其延伸方向通過凡得瓦力首尾相連。所述兩個致動部202中奈米碳管的延伸方向與電流方向的夾角均為45度，從而使所述兩個致動部202中的奈米碳管紙沿電流方向的電導率大於等於1000S/m且小於等於6000S/m，在通電時所述兩個致動部202均可以產生足够的熱量使所述兩個致動部202均沿著其電流方向進行彎曲。

所述電熱致動器20也不限於僅包括兩個致動部202或形成“L”狀結構，也可以根據實際需要選擇複數致動部202或其他形狀，只要滿足該複數致動部202之間相互電連接，並使每一致動部202中的奈米碳管紙沿其電流方向的電導率大於等於1000S/m且小於等於6000S/m即可。通過改變所述導電通路的形狀，可以實現不同的多功能彎曲致動。請參閱圖5，由複數致動部202相互電連接而形成的一電熱致動器，該電熱致動器具有一個導電通路，兩個電極212分別設置在所述導電通路的兩端與所述致動部202電連接，並向該導電通路引入驅動電流。所述複數致動部202包括複數基本沿同一方向延伸排列的奈米碳管，該複數奈米碳管在其延伸方向通過凡得瓦力首尾相連。

所述至少兩個致動部202電連接也可以形成至少兩個導電通路，此時，所述電熱致動器包括複數電極212，該複數電極212可以使所述至少兩個導電通路併聯連接。請參閱圖6，該電熱致動器包括三個電極212和兩個致動部202，三個電極212間隔設置在致動部202的端部，當三個電極212均連接外部電源時，所述致動部202形成併聯連接的兩個導電通路。

所述至少兩個致動部202可以為由所述電熱致動複合材料100直接剪裁而成的一體成型結構或至少兩個致動部202通過導電膠黏帖等方式黏合在一起。優選的，所述至少兩個致動部202為一一體成型結構。更優選的，所述至少兩個致動部202的柔性高分子層為一整體結構；所述至少兩個致動部202的奈米碳管紙為一整體結構。

所述至少兩個致動部202中奈米碳管的延伸方向與電流方向的夾角並不限於本實施例中的45度，只要保證每一致動部202中的奈米碳管紙沿其電流方向的電導率大於等於1000S/m且小於等於6000S/m即可。優選的，所述複數奈米碳管的延伸方向與所述電流方向形成一大於等於45度小於等於90度交叉角。更優選的，所述複數奈米碳管的延伸方向與所述電流方向形成一大於等於80度小於等於90度的交叉角。請參閱圖7，本發明第四實施例提供一種電熱致動器30，該電熱致動器30包括一長條形致動部302以及兩個電極312，該長條形致動部302連續地沿一第一方向和一第二方向彎折形成一“”狀導電通路。所述兩個電極312間隔設置在所述長條形致動部302的兩端並與所述長條形致動部302電連接，並向該“”狀導電通路引入驅動電流。所述長條形致動部302包括複數基本沿同一方向延伸排列的奈米碳管，該複數奈米碳管在其延伸方向通過凡得瓦力首尾相連。所述第一方向與所述第二方向垂直，所述長條形致動部302中奈米碳管的延伸方向與所述第一方向以及第二方向的夾角均為45度，從而使所述長條形致動部302中的奈米碳管紙沿其第一方向以及第二方向的電導率均大於等於1000S/m且小於等於6000S/m。在通電時所述致動部302中沿第一方向延伸的部分會沿所述第一方向彎曲，沿第二方向延伸的部分會沿所述第一方向彎曲。

所述長條形致動部302可以為由所述電熱致動複合材料100直接剪裁形成。

所述長條形致動部302中奈米碳管的延伸方向與第一方向以及第二方向的夾角並不限於本實施例中的45度，所述第一方向與所述第二方向也不限於垂直，只要保證所述長條形致動部302中的奈米碳管紙沿其第一方向以及第二方向的電導率均大於等於1000S/m且小於等於6000S/m即可。優選的，所述複數奈米碳管的延伸方向與所述第一方向或第二方向形成一大於等於45度小於等於90度交叉角。更優選的，所述複數奈米碳管的延伸方向與所述第一方向或第二方向形成一大於等於80度小於等於90度的交叉角。

所述長條形致動部302連續地沿一第一方向和一第二方向彎折形成的導電通路的形狀不限於“”狀，也可以根據實際需要選擇其他形狀。

請參閱圖8，本發明第五實施例提供一種電熱致動器40，包括兩個致動部402、一個連接部404以及兩個電極412。所述兩個致動部402平行且間隔設置，並通過所述連接部404電連接，從而形成一“U”形結構的導電通路。所述“U”形結構可以為由所述電熱致動複合材料100直接剪裁而成的一體結構。所述兩個電極412分別設置在所述兩個致動部402遠離所述連接部404的一端，從而向該“U”形結構的導電通路引入驅動電流。

每一致動部402中的奈米碳管紙包括複數基本沿同一方向延伸排列的奈米碳管，該複數奈米碳管在其延伸方向通過凡得瓦力首尾相連，且每一致動部402中奈米碳管的延伸方向與該致動部402中電流方向形成一90度夾角，從而使所述兩個致動部402沿其電流方向的電導率大於等於1000S/m且小於等於6000S/m。所述連接部404中的奈米碳管紙包括複數基本沿同一方向延伸排列的奈米碳管，該複數奈米碳管在其延伸方向通過凡得瓦力首尾相連，且所述連接部404中奈米碳管的延伸方向與該所述連接部404中電流方向形成一0度夾角，從而使所述連接部404沿其電流方向的電導率大於6000S/m。所述兩個致動部402和所述連接部404中奈米碳管紙的奈米碳管的延伸方向可相同。

所述連接部404在所述電熱致動器40中只起電連接的作用，用於使所述兩個致動部402電連接，所述連接部404沿其電流方向的電導率大於6000S/m，可使該連接部404具有較高的導電能力，使所述電熱致動器40具有較快的響應速率，同時在所述電熱致動器40通電時，使該連接部404產生較小的電阻熱而不會發生彎曲。是故，該電熱致動器40的致動方向只取決於該兩個致動部402的致動方向，而與所述連接部404無關。當通過所述電極412向所述電熱致動器40輸入驅動電流時，可使所述致動部402設置有電極412的一端固定，從而使該致動部402與所述連接部404連接的一端向設置有所述電極412的一端彎曲，並使該具有“U”形結構導電通路的電熱致動器40產生縱向的致動。

每一致動部402中所述複數奈米碳管的延伸方向與該致動部402的電流方向的夾角並不限於

本實施例中的90度，只要保證每一致動部402中的奈米碳管紙沿其電流方向的電導率大於等於1000S/m且小於等於6000S/m即可。優選的，每一致動部402中複數奈米碳管的延伸方向與該致動部402的電流方向形成一大於等於45度小於等於90度的交叉角。更優選的，每一致動部402中複數奈米碳管的延伸方向與該致動部402的電流方向形成一大於等於80度小於等於90度的交叉角。

每一連接部404中複數奈米碳管的延伸方向與該連接部404的電流方向的夾角並不限於本實施例中的0度，只要保證每一連接部404中的奈米碳管紙沿其電流方向的電導率大於6000S/m即可。優選的，每一連接部404中複數奈米碳管的延伸方向與該連接部404的電流方向形成一大於等於0度小於45度的交叉角。更優選的，每一連接部404中複數奈米碳管的延伸方向與該連接部404的電流方向形成一大於等於0度小於等於10度的交叉角。

所述電熱致動器40也不限於僅包括兩個致動部402、一個連接部404或形成“U”形結構，也可以根據實際需要選擇至少兩個致動部402或至少一個連接部404或其他形狀，只要滿足該至少兩個致動部402之間通過所述至少一個連接部404相互電連接，並使每一致動部402中的奈米碳管紙沿其電流方向的電導率大於等於1000S/m且小於等於6000S/m，每一連接部404中奈米碳管紙沿其電流方向的電導率大於6000S/m即可。

請參閱圖9，在一實施例中，該電熱致動器40包括複數致動部402、複數連接部404以及兩個電極412。該複數致動部402均向同一方向進行延伸，該連接部404用於使相鄰的兩個致動部402電連接，或使所述致動部402與所述電極412電連接。該複數致動部402與該複數連接部404相互連接形成一T形結構的導電通路。所述T形結構的導電通路可以為由所述電熱致動複合材料100直接剪裁而成的一體結構。所述兩個電極412分別設置在所述T形結構的導電通路的兩端，從而向該T形結構的導電通路引入驅動電流。每一致動部402中的奈米碳管紙包括複數基本沿同一方向延伸排列的奈米碳管，該複數奈米碳管在其延伸方向通過凡得瓦力首尾相連，且每一致動部402中奈米碳管的延伸方向與該致動部402中電流方向形成一90度夾角。所述連接部404中的奈米碳管紙包括複數基本沿同一方向延伸排列的奈米碳管，該複數奈米碳管在其延伸方向通過凡得瓦力首尾相連，且所述連接部404中奈米碳管的延伸方向與該所述連接部404中電流方向形成一0度夾角。所述兩個致動部402和所述連接部404中奈米碳管紙的奈米碳管的延伸方向相同。當通過所述電極412向所述具有T形結構的導電通路的電熱致動器40輸入驅動電流時，該T形結構導電通路的橫梁的兩端同時向該橫梁的中部彎曲，從而使該電熱致動器40實現橫向的致動。該複數致動部402和該複數連接部404還可相互連接而形成具有各種形狀導電通路的電熱致動器40，從而分別實現不同的多功能彎曲致動。

該至少兩個致動部402和至少一個連接部404也不限於連接形成一個導電通路，也可以根據實際需要形成複數導電通路，可在該複數導電通路上設置複數電極412，使該複數導電通路之間相互併聯或相互串聯。請參閱圖10，在一實施例中，該電熱致動器40包括由複數致動部402和複數連接部404相互連接而成的兩個導電通路，該兩個導電通路上間隔設置有三個電極412，該三個電極412可同時向該兩個導電通路引入電流，從而使該兩個導電通路併聯在一起。

該至少兩個致動部402和至少一個連接部404可分別沿一第一方向和一第二方向延伸且連接形成所述至少一導電通路。每一所述致動部402沿所述第一方向的電導率大於等於1000S/m且小於等於6000S/m，每一所述連接部404沿所述第二方向的電導率大於 6000S/m。每一致動部402中複數奈米碳管的延伸方向與所述第一方向形成一大於等於45度小於等於90度的交叉角。每一連接部中複數奈米碳管的延伸方向與所述第二方向形成一大於等於0度小於45度的交叉角。

請參閱圖11，本發明進一步提供一種第二實施例到第五實施例中的電熱致動器的製備方法，包括：S1，提供一奈米碳管紙，所述奈米碳管紙包括複數奈米碳管基本沿同一方向擇優取向延伸，且在延伸方向上相鄰的奈米碳管通過凡得瓦力首尾相連，所述奈米碳管紙的密度大於等於0.5g/cm³；S2，沿一切割線切割所述奈米碳管紙，形成一圖形化奈米碳管紙，至少一段該切割線與所述奈米碳管紙中奈米碳管的延伸方向的夾角大於等於45度小於等於90度；S3，在該圖形化奈米碳管紙上形成至少兩個電極；S4，在該圖形化奈米碳管紙上形成一柔性高分子層，至少部分奈米碳管紙包埋於所述柔性高分子層中，所述奈米碳管紙與所述柔性高分子層的厚度比大於等於1：10小於等於1：7，且所述柔性高分子基體的熱膨脹係數為所述奈米碳管紙熱膨脹係數的10倍以上，得到所述電熱致動器。

在步驟S1中，所述奈米碳管紙的製備方法，包括：提供一滾軸和一擠壓裝置，該擠壓裝置對應所述滾軸設置一擠壓面，該擠壓面平行於所述滾軸的軸線；提供奈米碳管陣列，從所述奈米碳管陣列中拉取獲得奈米碳管膜結構，並將該奈米碳管膜結構固定於所述滾軸上；滾動所述滾軸，將所述奈米碳管膜結構捲繞在所述滾軸上，所述滾軸滾動過程中所述擠壓提供裝置的擠壓面擠壓捲繞在所述滾軸上的奈米碳管膜結構；以及滾動所述滾軸至所述捲繞在滾軸上的奈米碳管膜結構達到一定厚度時停止滾動，得到所述奈米碳管紙。可通過控制擠壓所述奈米碳管膜的層數來控制該奈米碳管紙的厚度以及該奈米碳管紙的強度。

上述奈米碳管紙的製備方法更具體的步驟可參見本申請人於2013年7月1日公開的臺灣專利TW201326031“奈米碳管紙之製備方法”。

本實施例中，所述奈米碳管紙的厚度大於等於30微米且小於等於50微米。所述奈米碳管紙在其複數奈米碳管的延伸方向上的電導率在3000S/m左右，在該複數奈米碳管的延伸方向的垂直方向上的電導率在30000S/m左右。

在步驟S2中，所述切割線可為一閉合的線路，從而使該圖形化奈米碳管紙形成一導通電路。可以理解，可根據實際需要對所述圖形化奈米碳管紙進行設計，可借助圖形軟件，對該圖形化奈米碳管紙進行靈活、複雜、功能化的設計，如U型、T型、十字型或其他規則或不規則的圖形化奈米碳管紙。另外還可通過對圖形化奈米碳管紙的設計實現多功能、較複雜的致動，例如，可將圖形化該奈米碳管紙設計為具有手指結構的形狀，從而用於模擬簡單的手掌的動作。

所述切割線可為一彎折的線路，分別沿一第一方向和一第二方向延伸。所述第一方向可與所述第二方向垂直。在一實施例中，所述複數奈米碳管的延伸方向與所述第一方向和所述第二方向均形成一個45度的交叉角，從而使該圖形化奈米碳管紙沿該第一方向和該第二方向的電導率均大於等於1000S/m且小於等於6000S/m。在另一實施例中，所述複數奈米碳管的延伸方向與所述第一方向形成一個90度的交叉角，與所述第二方向形成一個0度的交叉角，從而使該圖形化奈米碳管紙沿第一方向的電導率大於等於1000S/m且小於等於6000S/m，沿第二方向的電導率大於6000S/m。

可利用激光切割工藝將所述奈米碳管紙切割成對應的圖形化奈米碳管紙。利用激光切割工藝，可以對該奈米碳管紙進行精細、準確的圖形化切割，而且激光切割工藝的加工效率高，適合大批量的製備與生產。

在步驟S3中，可用一導電黏結劑將所述至少兩個電極黏結在該圖形化奈米碳管紙上，從而為該圖形化奈米碳管紙提供驅動電流。該導電黏結劑可使該電極與該圖形化奈米碳管紙電連接。優選地，該導電黏結劑可以是銀系導電黏結劑、金系導電黏結劑、銅系導電黏結劑及碳系導電黏結劑中的一種或幾種。在本發明實施例中，該導電黏結劑為導電銀膠。

在所述步驟S4中，可採用灌封的方法在該圖形化奈米碳管紙上形成所述柔性高分子層，具體步驟包括：S41，將該圖形化奈米碳管紙鋪設在一模具中；S42，在該模具中注入液態的柔性高分子預聚體，使該柔性高分子預聚體將所述圖形化奈米碳管紙完全覆蓋；S43，使該柔性高分子預聚體固化，形成所述柔性高分子層，並進行脫模；以及 S44，沿所述圖形化奈米碳管紙的外框將未與所述圖形化奈米碳管紙重疊的柔性高分子層去除。

在步驟S41之前，可進一步在該模具的內表面塗覆一層脫模劑，以便於後續操作過程中進行脫模。

在步驟S42中，該柔性高分子預聚體可為矽橡膠預聚體、聚甲基丙烯酸甲酯預聚體、聚氨脂預聚體、環氧樹脂預聚體、聚丙烯酸乙酯預聚體、聚丙烯酸丁酯預聚體、聚苯乙烯預聚體、聚丁二烯預聚體、聚丙烯腈預聚體、聚苯胺預聚體及聚吡咯及聚噻吩預聚體一種或幾種。在本發明實施例中，該柔性高分子預聚體為矽橡膠預聚體。

在該模具中，該柔性高分子預聚體可將該圖形化奈米碳管紙遠離該基底的一側完全覆蓋，並使該圖形化奈米碳管紙另一側的至少一部分暴露出來，以便於對該圖形化奈米碳管紙施加電壓。由於該圖形化奈米碳管紙是由複數奈米碳管通過凡得瓦力結合構成，該複數奈米碳管之間存在間隙，該液態的柔性高分子預聚體可以滲透進該圖形化奈米碳管紙中奈米碳管之間的間隙中，因此該圖形化奈米碳管紙可至少部分包埋於所述柔性高分子基體中，並與所述柔性高分子基體緊密結合。

可以理解，可以在使該柔性高分子預聚體固化之前，進一步對所述柔性高分子預聚體進行脫泡處理。所述脫泡的方法可以為真空脫泡。

在步驟S43中，使該柔性高分子預聚體固化的方法可以為加熱固化。在加熱固化所述柔性高分子預聚體之後，可進一步包括一冷却的步驟，之後再進行脫模。

所述柔性高分子基體的厚度大於等270微米小於等於450微米。當所述柔性高分子基體的厚度太大時，由於該柔性高分子基體本身具有較大的機械性能，且不利於熱量快速傳遞到整個柔性高分子基體，故，不利於產生熱致形變；當所述柔性高分子基體的厚度太小時，由於熱膨脹量與材料的體積及熱膨脹係數成正比，則會導致所述電熱致動器產生的形變量小。

所述奈米碳管紙與所述柔性高分子基體的厚度比大於等於1：10小於等於1：7，以使所述電熱致動器既具有較快的熱響應速率，又能在通電時產生較大的形變量。本實施例中，該奈米碳管紙與該柔性高分子基體的厚度比為1：9。

在步驟S44中，可沿所述圖形化奈米碳管紙的外框將未與所述圖形化奈米碳管紙重疊的柔性高分子層去除，使該柔性高分子基體層具有與該圖形化奈米碳管紙基本相同的形狀，從而得到所述電熱致動器。

本發明提供的電熱致動器的製備方法，可對該電熱致動器中奈米碳管紙的導通電路圖形進行靈活、複雜、功能化的設計，可以對該奈米碳管紙進行圖形化的切割，再將切割好的圖形化奈米碳管紙進行電極黏結及灌封，即可獲得能實現多功能、較複雜致動的電熱致動器。該電熱致動器的製備方法加工工藝簡單、生產效率高且生產成本低，適合進行大批量的設計和生產。

所述電熱致動複合材料及其電熱致動器可用於人工肌肉、擬人化的機器人、假肢、花草魚蟲的模仿等仿生致動或微鏡頭的調焦、流體控制中的閥門、動態盲文等多功能致動器領域。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

100‧‧‧電熱致動複合材料

120‧‧‧奈米碳管紙

140‧‧‧柔性高分子層

Claims

一種電熱致動器，其改良在於，包括至少兩個致動部以及至少兩個電極，每一致動部包括一柔性高分子層以及一奈米碳管紙，所述奈米碳管紙與所述柔性高分子層層疊設置，且至少部分奈米碳管紙包埋於所述柔性高分子層中，所述奈米碳管紙與所述柔性高分子層的厚度比大於等於1：10小於等於1：7，所述奈米碳管紙的密度大於等於0.5g/cm³，所述柔性高分子基體的熱膨脹係數為所述奈米碳管紙的熱膨脹係數的10倍以上，所述至少兩個致動部連接形成至少一導電通路，所述至少兩個電極間隔設置並與所述至少兩個致動部的奈米碳管紙電連接，並向該至少一導電通路引入驅動電流，每一致動部中的奈米碳管紙沿其電流方向的電導率大於等於1000S/m且小於等於6000S/m。
如請求項1所述的電熱致動器，其中，所述至少兩個致動部的柔性高分子層為一整體結構。
如請求項1所述的電熱致動器，其中，所述至少兩個致動部的奈米碳管紙為一整體結構。
如請求項1所述的電熱致動器，其中，所述至少兩個致動部電連接形成至少兩個導電通路，所述電熱致動器包括複數電極，該複數電極使所述至少兩個導電通路並聯連接。
如請求項1所述的電熱致動器，其中，所述至少兩個致動部的奈米碳管紙中的複數奈米碳管基本沿同一方向延伸，且所述複數奈米碳管在其延伸方向上通過凡得瓦力首尾相連。
如請求項5所述的電熱致動器，其中，所述複數奈米碳管的延伸方向與所述致動部的電流方向形成一大於等於45度小於等於90度的交叉角。
如請求項1所述的電熱致動器，其中，所述至少兩個致動部一體成型。
如請求項1所述的電熱致動器，其中，所述電熱致動複合材料的熱響應速率在10秒以下。
一種電熱致動器，包括：一長條形致動部，該長條形致動部連續地沿一第一方向和一第二方向彎折形成一導電通路，該長條形致動部包括一柔性高分子層以及一奈米碳管紙層疊設置，且至少部分奈米碳管紙包埋於所述柔性高分子層中，所述奈米碳管紙與所述柔性高分子層的厚度比大於等於1：10小於等於1：7，所述奈米碳管紙的密度大於等於0.5g/cm³，所述柔性高分子層的熱膨脹係數為所述奈米碳管紙的熱膨脹係數的10倍以上；以及兩個電極，該兩個電極分別設置於所述長條形致動部的兩端，且與所述長條形致動部的奈米碳管紙電連接，並向所述導電通路引入驅動電流，該長條形致動部中的奈米碳管紙沿所述第一方向或第二方向的電導率大於等於1000S/m且小於等於6000S/m。
如請求項9所述的電熱致動器，其中，所述奈米碳管紙包括複數基本沿同一方向延伸的奈米碳管，且所述複數奈米碳管在其延伸方向上通過凡得瓦力首尾相連，所述複數奈米碳管的延伸方向與所述第一方向或第二方向形成一大於等於45度小於等於90度的交叉角。