专利摘要

一种电致伸缩复合材料，其包括：一柔性高分子基体，分散在所述柔性高分子基体中的多个碳纳米管，其中，所述电致伸缩复合材料还进一步包括分布在所述柔性高分子基体中的多个气泡。一种电致伸缩复合材料的制备方法，其包括以下步骤：提供大量的碳纳米管以及柔性高分子材料前驱体；将所述碳纳米管与柔性高分子材料前驱体混合得到一混合液；以及添加发泡剂于该混合液中，并固化处理该混合液，得到一电致伸缩复合材料。通过在制备该电致伸缩复合材料时加入发泡剂，从而使该电致伸缩复合材料中具有多个气泡，气体的热胀冷缩效果特别明显，所以该电致伸缩复合材料具有较高的伸缩率。该电致伸缩复合材料可用于人工肌肉或制动器等领域。

说明书

技术领域

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

背景技术

电致伸缩材料是在电场、电压或电流的作用下发生形变产生伸缩运动，从而实现电能-机械能转换的一种材料。电致伸缩材料由于类似肌肉的运动形式又被称为人工肌肉材料。

传统的电致伸缩材料包括形状记忆合金、压电陶瓷、铁电聚合物等。然而，这些电致伸缩材料的电致伸缩率较低，且柔韧性较差，与生物肌肉特性相差较远，不利于用作人工肌肉。

现有技术提供一种电介质弹性体材料。该电介质弹性体材料通常为一硅树脂或聚丙酸树脂橡胶。这种电介质弹性体材料可以提供很高的电致伸缩率，且具有很好的柔韧性，表现出与生物肌肉相似的特性。请参阅图1，这种电介质弹性体材料从工作原理上讲为一个平行板电容器。电介质弹性体膜100设置于两个平行的金属电极102之间。当在两个金属电极102之间施加一上千伏特的高压直流电压时，两电极102之间产生的静电引力在垂直电介质弹性体膜100表面的方向上挤压弹性体膜，使其在平行电介质弹性体膜100表面的方向扩张。关闭电压，电介质弹性体膜100恢复原来形状。然而，该介质弹性体材料通常需要较高的直流电压才能工作，提高了其使用成本，限制了其应用。

为了降低电致伸缩材料的工作电压，范守善等人公开了一种电致伸缩材料，请参见“Electrothermal Actuation Based on Carbon Nanotube Network inSilicon Elastomer”Applied Physics Letters Vol，92，P 263104(2008)。如图2所示，该电致伸缩复合材料10包括硅橡胶基体12及分散在硅橡胶基体12中的大量碳纳米管14。所述碳纳米管14的质量百分含量为0.5～5％，且碳纳米管14互相搭接在硅橡胶基体12中形成大量导电网络，从而使该电致伸缩复合材料10导电。上述的电致伸缩复合材料10可以通过将分散好的碳纳米管溶液与所述的硅橡胶的预聚物溶液混合，之后聚合固化形成。当通过两个电极16向所述电致伸缩复合材料10施加一52伏特的电压时，该电致伸缩复合材料10中的碳纳米管网络中有电流流过，并产生焦耳热。该电致伸缩复合材料10被电流产生的焦耳热加热并发生膨胀。当电极16固定时，该电致伸缩复合材料10中间会鼓起，发生弯曲。然而，该电致伸缩复合材料10伸缩率不够高，一般小于5％。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种既有较高的电致伸缩率的电致伸缩复合材料及其制备方法。

一种电致伸缩复合材料，其包括：一柔性高分子基体，分散在所述柔性高分子基体中的多个碳纳米管，其中，所述电致伸缩复合材料还进一步包括分布在所述柔性高分子基体中的多个气泡。

一种电致伸缩复合材料，其包括：一柔性高分子基体，分散在所述柔性高分子基体中的多个碳纳米管，其中，所述电致伸缩复合材料还进一步包括分散在所述柔性高分子基体中且填充有气体的多个封闭空间。

一种电致伸缩复合材料的制备方法，其包括以下步骤：提供大量的碳纳米管以及柔性高分子材料前驱体；将所述碳纳米管与柔性高分子材料前驱体混合得到一混合液；以及添加发泡剂于该混合液中，并固化处理该混合液，得到一电致伸缩复合材料。

与现有技术相比较，所述电致伸缩复合材料及其制备方法具有以下优点：通过在制备该电致伸缩复合材料时加入发泡剂，从而使该电致伸缩复合材料中具有多个气泡，气体的热胀冷缩效果特别明显，所以该电致伸缩复合材料具有较高的伸缩率。

附图说明

图1为现有技术中的电介质弹性体材料的工作原理示意图。

图2为现有技术中的电致伸缩复合材料的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的电致伸缩复合材料的结构示意图。

图4为本发明实施例提供的电致伸缩复合材料伸缩前与伸缩后的对比图。

图5为本发明实施例提供的电致伸缩复合材料的制备方法的流程图。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本发明实施例提供的电致伸缩复合材料及其制备方法。

请参阅图3，本发明实施例提供一种电致伸缩复合材料20，其包括一柔性高分子基体22、多个碳纳米管24、多个增强颗粒26以及多个气泡28。所述多个碳纳米管24、多个增强颗粒26以及多个气泡28均匀分散在所述柔性高分子基体22中。所述碳纳米管24在所述柔性高分子基体22中互相搭接，并在柔性高分子基体22中形成大量导电网络。可以理解，所述碳纳米管24在所述基体22中也可以不均匀分布，只要确保碳纳米管24之间互相搭接在柔性高分子基体22中形成大量导电网络即可。该电致伸缩复合材料20的形状不限。本实施例中为了测量方便，所述电致伸缩复合材料20的形状优选为长方体。

所述柔性高分子基体22在所述电致伸缩复合材料20中的质量百分含量为90％～99.9％。所述柔性高分子基体22的材料可选自柔性高分子聚合物材料，优选为硅橡胶、聚氨脂、环氧树脂及聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或其任意组合。

所述碳纳米管24与增强颗粒26在所述电致伸缩复合材料20中的质量百分含量小于等于10％。为确保碳纳米管24在所述电致伸缩复合材料20中能形成多个导电网络，应使碳纳米管24在电致伸缩复合材料20中的质量百分含量尽量大。优选地，所述增强颗粒26的质量百分含量小于等于5％，碳纳米管24与增强颗粒26的质量比大于等于1∶1。

所述碳纳米管24的质量百分含量为整个电致伸缩复合材料20的0.1％～5％。所述碳纳米管24可为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管及多壁碳纳米管中的一种或其任意组合。其中，所述单壁碳纳米管的直径为0.5纳米～50纳米，双壁碳纳米管的直径为1.0纳米～50纳米，多壁碳纳米管的直径为1.5纳米～50纳米。所述碳纳米管24的长度不限。优选地，所述碳纳米管24的长度为50～900微米。所述碳纳米管24互相搭接在柔性高分子基体22中形成大量导电网络。所述碳纳米管24具有良好的电热转换效率，且于柔性高分子基体22中多次弯折而不易断裂。当施加一电压后，该导电网络可以迅速发热，对柔性高分子基体22进行加热。

所述增强颗粒26的材料可选自陶瓷、金属以及玻璃中的一种或其任意组合。所述增强颗粒26的直径为1纳米～10微米。优选地，增强颗粒26为陶瓷颗粒，直径为10纳米～10微米。所述陶瓷颗粒可选自氮化铝、氧化铝及氮化硼中的一种或其任意组合。所述增强颗粒26可进一步增强电致伸缩复合材料20的弹性模量，使电致伸缩复合材料20的应力增大，从而使该电致伸缩复合材料20在膨胀的过程中对外做功增强。所述增强颗粒26为可选择组分。

所述气泡28为分散在所述柔性高分子基体22中且填充有气体的多个封闭空间。由于柔性高分子基体22具有一定的柔韧性与密封性，所以气体被密封在一封闭空间而不会跑出来。所述气体不限，可以为任何气体。所述气泡28的直径为1纳米～10微米。优选地，所述气泡28的直径为10纳米～100纳米。所述气泡28在所述电致伸缩复合材料20的体积百分含量为2％～50％。优选地，气泡28在所述电致伸缩复合材料20的体积百分含量为5～20％。由于气泡28中的气体的热胀冷缩效果特别明显，柔性高分子基体22中的微小的温度变化即可导致电致伸缩复合材料20较大的体积变化，所以可以大大提高该电致伸缩复合材料20伸缩率。

本实施例中，所述柔性高分子基体22的材料为硅橡胶。所述碳纳米管24为多壁碳纳米管，所述碳纳米管24的长度为200微米。所述增强颗粒26为氧化铝陶瓷颗粒，其直径为1～100纳米。所述柔性高分子基体22的质量百分含量为整个电致伸缩材料20的91％。所述碳纳米管24的质量百分含量为整个电致伸缩材料20的5％。所述增强颗粒26的质量百分含量为整个电致伸缩材料20的4％。所述气泡28的直径为10纳米～100纳米。所述气泡28在所述电致伸缩复合材料20的体积含量等于10％。所述电致伸缩复合材料20的伸缩率为5％～10％。

本实施例中，采用陶瓷颗粒作为增强颗粒26可以有效提高电致伸缩复合材料20的性能：其一，由于所述陶瓷颗粒具有极高的热导率和耐高温等特性，因而可提高所述电致伸缩复合材料20的传热效率，并加快所述电致伸缩复合材料20的响应速率。其二，陶瓷颗粒具有高电阻率、低介电常数及介电损耗等良好的电学性能，故，采用陶瓷颗粒作为增强颗粒26，可对所述电致伸缩复合材料20的导电性进行调解。其三，由于陶瓷颗粒具有机械性能好和高弹性模量等优点，故，采用陶瓷颗粒作为增强颗粒26，可提高所述电致伸缩复合材料20的弹性模量，在同样的应变下获得更大的应力。

本发明实施例提供的电致伸缩复合材料20工作原理如下：将两电极设置于所述电致伸缩复合材料20两端时，可将电压通过电极施加于所述电致伸缩复合材料20上，此时，电流可通过由碳纳米管组成的导电网络进行传输，并发出焦耳热。由于碳纳米管24和增强颗粒26的热导率很高，从而使得所述电致伸缩复合材料20的温度快速升高，进而，使得所述碳纳米管24附近的柔性高分子基体处于熔融状态。随着温度的升高，碳纳米管24中的电子更容易越过柔性高分子基体22所形成的势垒，因此所述通过电致伸缩复合材料20的电流随着电致伸缩复合材料20温度的升高而增大。热量快速地向整个电致伸缩复合材料20扩散，引起所述电致伸缩复合材料20的柔性高分子基体22以及分散在该柔性高分子基体22中的气泡28的热膨胀现象。由于本实施例中的碳纳米管24和增强颗粒26在电致伸缩复合材料20中分布较为均匀，因此所述电致伸缩复合材料20的响应速度较快。而且，由于气泡28的热胀冷缩效果明显，柔性高分子基体22中的微小温度变化即可导致电致伸缩复合材料20较大的体积变化，因此所述电致伸缩复合材料20具有较大的伸缩率。

请参阅图4，本实施例中，对该电致伸缩复合材料20进行伸缩特性测量。在未通电时，测得所述长方体电致伸缩复合材料20的原始长度L1为4厘米；施加一40伏特的电压2分钟后，测得所述长方体电致伸缩复合材料20的长度L2为4.3厘米。通过计算可知，在通电后，所述长方体电致伸缩复合材料20的长度变化ΔL为0.3厘米。故，所述电致伸缩复合材料20的伸缩率为通电前后所述电致伸缩复合材料20的长度变化ΔL与所述电致伸缩复合材料的原始长度L1的比值，即7.5％。可以理解，由于该电致伸缩复合材料20受热膨胀，所以该电致伸缩复合材料20在宽度与厚度方向也会发生相应的膨胀，且伸缩率与长度方向相同。

本发明实施例所述的电致伸缩复合材料20具有以下优点：其一，该电致伸缩复合材料20中包括多个气泡28。由于气泡28的热胀冷缩效果明显，柔性高分子基体22中的微小温度变化即可导致电致伸缩复合材料20较大的体积变化，因此所述电致伸缩复合材料20具有较大的伸缩率。其二，由于所述电致伸缩复合材料20中除包括分散的碳纳米管24外，还包括大量的均匀分布的增强颗粒26。所述增强颗粒26具有较高的热导率和耐高温特性，因而可提高所述的电致伸缩复合材料20的传热效率，加快响应速率。其三，由于陶瓷颗粒的机械性能好和高弹性模量的优点，故，作为增强颗粒26的陶瓷颗粒的引入可提高该电致伸缩复合材料20的弹性模量，在同样的应变下获得更大的应力。该电致伸缩复合材料可用于人工肌肉或制动器等领域。

请参阅图5，本发明实施例进一步提供一种所述电致伸缩复合材料的制备方法，其包括以下步骤：

步骤一：提供大量的碳纳米管以及柔性高分子材料前驱体。

所述碳纳米管可以通过化学气相沉积法、电弧放电法或激光烧灼法制备。所述碳纳米管可为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管及多壁碳纳米管中的一种或其任意组合。所述碳纳米管的长度大于50微米。本实施例中，所述碳纳米管的长度为200微米。

所述柔性高分子材料前驱体可以根据不同的柔性高分子基体的材料选择。本实施例中，所述柔性高分子基体的材料为硅橡胶，所述柔性高分子材料前驱体为端羟基聚硅氧烷。

步骤二：将所述碳纳米管与柔性高分子材料前驱体混合得到一混合液。

当所述柔性高分子材料前驱体为液态时，可以直接将碳纳米管添加至柔性高分子材料前驱体中进行混合。当所述柔性高分子材料前驱体为固态或粘稠状时，可以先将该柔性高分子材料前驱体溶于一可挥发性溶剂中形成一稀释的溶液，再将碳纳米管添加至含有柔性高分子材料前驱体的溶液中形成一混合液。

进一步，本实施例中还可以包括于上述混合液中加入增强颗粒的步骤。将碳纳米管、增强颗粒及柔性高分子材料前驱体混合后，可以通过机械搅拌，超声分散等方法使碳纳米管与增强颗粒均匀分散在该混合液中。

本实施例中，首先，将端羟基聚硅氧烷溶于乙酸乙酯中稀释；其次，加入碳纳米管与增强颗粒形成一混合液；然后，用超声波细胞破碎仪超声搅拌该混合液10分钟；最后，将该混合液密封，并对密封后的混合液超声处理3小时。其中，超声波破碎超声搅拌可将碳纳米管和增强颗粒分散到溶液中。超声处理可进一步使增强颗粒受到一定程度的破碎，从而减小尺寸。

步骤三：添加发泡剂于该混合液中，并固化处理该混合液，得到一电致伸缩复合材料。

所述添加发泡剂于该混合液中，并固化处理的方法具体包括以下步骤：

首先，将上述的混合液中的可挥发性溶剂挥发。

所述将上述的混合液中的可挥发性溶剂挥发的方法为自然挥发或加热挥发。本实施例中，将上述的混合液放入80～120摄氏度恒温的烘箱中进行加热，一直加热至混合液中的乙酸乙酯完全挥发，形成一碳纳米管、增强颗粒以及端羟基聚硅氧烷的粘稠状混合物。

其次，于上述混合物中加入发泡剂，并使混合物固化成型。

所述使混合物固化成型的方法与柔性高分子材料前驱体有关。可以理解，当所述柔性高分子材料前驱体为热固性高分子材料时，可以通过加热固化。当所述柔性高分子材料前驱体为热塑性高分子材料时，可以通过加入固化剂固化。当通过加热固化该混合物时，所述发泡剂可以在加热前或加热过程中加入。当通过加入固化剂固化该混合物时，所述发泡剂可以与固化剂同时加入到混合物中，或在加入固化剂之前加入，或在加入固化剂之后加入。

本实施例中，通过加入固化剂使上述混合液固化。所述固化剂为四乙氧基硅烷。所述端羟基聚硅氧烷与四乙氧基硅烷的质量比为100∶6。具体地，将四乙氧基硅烷固化剂与发泡剂同时加入到上述混合物中，搅拌反应，固化成型。所述端羟基聚硅氧烷与四乙氧基硅烷固化后得到硅橡胶作为电致伸缩复合材料的柔性高分子基体。

由于发泡剂在材料固化成型过程中会挥发，所以在固化过程中会产生大量的气泡，这些气泡被密封在电致伸缩复合材料中。所述发泡剂选自正戊烷、正己烷、正庚烷、石油醚、三氯氟甲烷、二氯二氟甲烷、二氯四氟乙烷、乙醇以及丙三醇等中的一种或多种。通过控制加入发泡剂的比例，可以控制产生气泡的数目，从而控制电致伸缩复合材料中气泡的体积比。固化成型后得到一胶状复合物，该胶状复合物即本实施例提供的电致伸缩复合材料。

进一步，为了使得本实施例所制备的电致伸缩复合材料具有光滑的表面，固化成型的过程中，还可以对上述的电致伸缩复合材料进行挤压，具体包括以下步骤：将未完全固化的胶状复合物置于一平面支撑体表面；采用一具有光滑表面的压头对上述未完全固化的胶状复合物进行挤压；静置12～18个小时后，用一刀片对上述片状的电致伸缩复合材料的边缘进行切割，从而确保最终得到的电致伸缩复合材料的边缘连续，无破损和无缺口；将整个电致伸缩复合材料从支撑体的表面缓慢地揭起来。

本发明实施例所述的电致伸缩复合材料的制备方法具有以下优点：其一，在材料固化成型过程中加入适量的发泡剂，可以使制备的电致伸缩复合材料中产生大量气泡，从而提高了电致伸缩复合材料的伸缩率。且，通过控制加入发泡剂的比例，可以控制产生气泡的数量，从而控制电致伸缩复合材料中气泡的体积比。其二，在材料固化成型过程中机械搅拌，使电致伸缩复合材料中产生更多气泡，方法简单，易于实现。其三，在形成所述的电致伸缩复合材料的过程中，通过采用超声破碎处理从而使得所述碳纳米管和增强颗粒在所述电致伸缩复合材料中得到很好的分散。

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

电致伸缩复合材料及其制备方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。