摘要

在這項(xiàng)工作中，使用Langmuir-Schaefer（LS）方法開發(fā)了多壁碳納米管/聚烷基噻吩（MWCNT/PT）復(fù)合材料作為介電彈性體致動器（DEA）的電極。這些復(fù)合材料在空氣-水界面形成穩(wěn)定的單分子膜，然后將其轉(zhuǎn)移到聚二甲基硅氧烷（PDMS）彈性體膜上。單層電極在100%單軸應(yīng)變下保持導(dǎo)電。我們提出了一種利用LS轉(zhuǎn)移電極制備DEA的方法。通過在轉(zhuǎn)移步驟中使用掩膜，可以在1.4μm厚的預(yù)拉伸PDMS膜的兩側(cè)以超過200μm的分辨率對電極進(jìn)行圖案化，以產(chǎn)生超低電壓DEA。DEA在100V的驅(qū)動電壓下產(chǎn)生4.0%的線性應(yīng)變，比典型的DEA工作電壓低一個(gè)數(shù)量級。

1.介紹

當(dāng)人們希望將主動運(yùn)動或變形控制集成到柔順或可伸縮對象中時(shí)，需要軟執(zhí)行器。因此，軟執(zhí)行器被廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)必須既軟又能主動改變形狀的領(lǐng)域，如軟機(jī)器人[1,2]、可調(diào)諧光學(xué)[3,4]和柔順夾持器[5,6]。介電彈性體致動器（DEA）由于其高能量密度[7]、大變形應(yīng)變[8]和快速響應(yīng)[3]，是一種很有前途的軟致動器技術(shù)。DEA由介電彈性體（DE）（通常為硅樹脂[9]或丙烯酸樹脂[7,10]）組成，夾在兩個(gè)兼容電極之間。當(dāng)在這些電極之間施加電位差時(shí)，DE在厚度上受到擠壓，在平面上膨脹[7]。對于小于約10%的變形（取決于材料和預(yù)拉伸），平面內(nèi)應(yīng)變Sx由[11]給出：

式中，ε是DE膜的介電常數(shù)，Ym是DE膜的楊氏模量，E是兩個(gè)電極之間的電場，V是施加的電壓，tm是DE膜的厚度。

通常假設(shè)DEA使用的電極不會對裝置的剛度產(chǎn)生影響。對于許多在厚度為幾十μm的丙烯酸薄膜上使用碳脂電極制造的DEA而言，情況就是如此。只有在遵守以下不等式時(shí)，才能忽略電極剛度[12]：

式中，Ye是電極的楊氏模量，te是電極厚度，Ym是DE的楊氏模量，tm是DE膜厚度。

如果不滿足式（2）（例如，對于非常薄的彈性體膜或剛性金屬電極），則必須修正式（1），以考慮電極的硬化影響。這突出了電極機(jī)械性能對DEAs性能的作用。

DEA的最大應(yīng)變受到DE擊穿場的限制（更準(zhǔn)確地說，DEA的失效模式是機(jī)電不穩(wěn)定性[13]，但擊穿場是小應(yīng)變致動器配置的關(guān)鍵限制因素）。對于厚度為10μm至100μm的典型彈性體，以及在100–150V/μm的典型彈性體擊穿場附近工作，DEA需要1kV至15kV以達(dá)到最大應(yīng)變。由于高壓電子設(shè)備的成本、尺寸和效率，這些高工作電壓限制了DEA的一些可能應(yīng)用。因此，為了降低DEA的工作電壓，同時(shí)保持相同的驅(qū)動性能，進(jìn)行了大量的研究。從式（1）中可以看出，為了在降低電壓的同時(shí)保持給定的驅(qū)動應(yīng)變，ε必須增加[9,14]，或者Ym和tm必須減少[15,16]。應(yīng)變電壓平方比（Sx/V2）指標(biāo)已用于比較不同工作電壓下DEA的性能[16]。對于厚度為3μm的DEA，降低膜厚度tm導(dǎo)致先前報(bào)告的最高Sx/V2值為125%/kV2，在245V下產(chǎn)生7.5%的線性應(yīng)變[16]。考慮到電極通常比彈性體更硬（對于DEAs中使用的幾乎所有材料，Ye>Ym），當(dāng)膜變薄時(shí)，電極厚度te或電極剛度Ye也必須進(jìn)一步減小，以保持驅(qū)動應(yīng)變，如式（2）所示。

參考文獻(xiàn)[12,17]綜述了用于DEA的可拉伸電極的技術(shù)，包括金屬離子注入[18]，SWCNT層的轉(zhuǎn)移[19]。，離子凝膠和水凝膠[20,21]，或通過移印[3,16]、噴涂[10]、刀片鑄造[22]或絲網(wǎng)印刷[23]涂覆的摻雜有炭黑的硅酮或硅油。這些電極制造方法不適用于膜厚度為1μm的DEA，這將允許DEA在100V下工作，因?yàn)橄鄬τ谌ツさ碾姌O厚度而言，電極厚度不可忽略，或者對于離子注入方法，對于50 nm厚的電極，電極剛度太高。通過開發(fā)具有低Ye*te值的納米厚度和可拉伸電極，低壓DEA技術(shù)可以取得重大突破。這將允許使用1μm厚的膜制造DEA，在100V下應(yīng)變超過10%。迄今為止，在100V電壓下，使DEA具有超過1%線性驅(qū)動應(yīng)變的電極尚未報(bào)道[16,19,22]。

朗繆爾技術(shù)是一種有吸引力的替代常用電極制造方法，因?yàn)樗梢孕纬杉{米厚的薄膜。它是將分子單分子膜從空氣-水界面轉(zhuǎn)移到固體基底的有力工具。通過首先在空氣-水界面擴(kuò)散然后壓縮兩親性分子，可以制備稱為Langmuir單分子膜的單分子膜，其在數(shù)百cm2的面積上高度有序[24]。除了生產(chǎn)單分子厚度的薄膜外，這種技術(shù)還具有控制單分子層中分子密度的優(yōu)點(diǎn)。然后，可以使用垂直Langmuir-Blodgett（LB）或水平Langmuir-Schaefer（LS）方法將這些Langmuir單分子膜轉(zhuǎn)移到選定的基質(zhì)上[25]。已經(jīng)使用Langmuir技術(shù)制造了一些器件，包括分子傳感器[26]、光電化學(xué)器件[27]、有機(jī)半導(dǎo)體器件[28]和場效應(yīng)晶體管[29]。基于Langmuir技術(shù)制造的可拉伸單層導(dǎo)體的DEA電極尚未見報(bào)道。

在這篇文章中，Langmuir技術(shù)用于制造DEA的可拉伸單層電極（圖1）。疏水性聚烷基噻吩（PT）和親水性多壁碳納米管（MWCNT）在溶劑中混合以形成穩(wěn)定的兩親性復(fù)合分散體。該分散液可分散在水面上以形成復(fù)合電極，其中MWCNT網(wǎng)絡(luò)嵌入在PT單層中（圖1a）。鉑作為導(dǎo)電聚合物，應(yīng)能提高導(dǎo)電性，并在空氣-水界面穩(wěn)定非功能化親水性MWCNT。研究了兩種具有不同直鏈烷基側(cè)鏈的鉑-聚（3-己基噻吩）（P3HT）和聚（3-癸基噻吩）（P3DT）），因?yàn)閭?cè)鏈長度對鉑材料性能有顯著影響。鏈越長（高達(dá)12℃），楊氏模量和導(dǎo)電率越小[30]。然后使用LS方法將MWCNT/PT復(fù)合單層從空氣-水界面轉(zhuǎn)移到聚（二甲基硅氧烷）（PDMS）彈性體膜（圖1b）。這種粘附性是由PDMS基質(zhì)和復(fù)合單層中的鉑之間的疏水親和性提供的。將1.4μm厚的預(yù)拉伸PDMS膜夾在兩個(gè)LS轉(zhuǎn)移復(fù)合電極之間，以形成100V工作DEA（圖1c）。根據(jù)DEA應(yīng)用的形態(tài)、電氣和機(jī)械性能對電極進(jìn)行評估。

圖1。使用Langmuir-Schaefer轉(zhuǎn)移單層電極制作低壓DEA（a）在空氣-水界面形成的單層復(fù)合電極：嵌入聚（烷基噻吩）（PT）單層內(nèi)的互連MWCNT網(wǎng)絡(luò)。（b）Langmuir-Schaefer（LS）將復(fù)合單分子膜從空氣-水界面轉(zhuǎn)移到PDMS介電膜上，制成DEA的一個(gè)電極。（c）DEA由一層1.4μm厚的硅酮膜組成，硅酮膜夾在兩個(gè)亞100 nm厚的復(fù)合單層電極之間。