摘要

在(zai)這(zhe)項工作中(zhong)，使用Langmuir-Schaefer（LS）方(fang)法開(kai)發了多壁碳納(na)米管/聚烷(wan)基(ji)噻吩(fen)（MWCNT/PT）復合材(cai)料(liao)作為介電(dian)(dian)(dian)(dian)彈性(xing)體(ti)致動器（DEA）的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)。這(zhe)些復合材(cai)料(liao)在(zai)空氣-水(shui)界(jie)面(mian)形(xing)成穩定的(de)(de)單(dan)分(fen)子膜，然(ran)后(hou)將其轉(zhuan)移到聚二(er)甲基(ji)硅氧烷(wan)（PDMS）彈性(xing)體(ti)膜上。單(dan)層電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)在(zai)100%單(dan)軸應變下(xia)保(bao)持導(dao)電(dian)(dian)(dian)(dian)。我們提出了一種利(li)用LS轉(zhuan)移電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)制備(bei)DEA的(de)(de)方(fang)法。通(tong)過(guo)在(zai)轉(zhuan)移步驟中(zhong)使用掩膜，可以(yi)在(zai)1.4μm厚(hou)的(de)(de)預拉伸PDMS膜的(de)(de)兩側以(yi)超過(guo)200μm的(de)(de)分(fen)辨率對(dui)電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)進行圖案化(hua)，以(yi)產生(sheng)超低(di)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓DEA。DEA在(zai)100V的(de)(de)驅(qu)動電(dian)(dian)(dian)(dian)壓下(xia)產生(sheng)4.0%的(de)(de)線性(xing)應變，比典型的(de)(de)DEA工作電(dian)(dian)(dian)(dian)壓低(di)一個數量級。

1.介紹

當人(ren)(ren)們希望將主(zhu)動(dong)(dong)運(yun)動(dong)(dong)或(huo)變(bian)形(xing)(xing)控制集成(cheng)到柔順或(huo)可伸縮對象(xiang)中時，需要軟執行器。因此，軟執行器被廣(guang)泛應用于(yu)系統必(bi)須(xu)既軟又能(neng)主(zhu)動(dong)(dong)改變(bian)形(xing)(xing)狀的(de)領域，如軟機器人(ren)(ren)[1,2]、可調諧光學[3,4]和(he)柔順夾持器[5,6]。介(jie)電(dian)彈(dan)性體(ti)致(zhi)動(dong)(dong)器（DEA）由(you)于(yu)其(qi)高能(neng)量密度[7]、大變(bian)形(xing)(xing)應變(bian)[8]和(he)快速響(xiang)應[3]，是(shi)一種很有前途的(de)軟致(zhi)動(dong)(dong)器技術(shu)。DEA由(you)介(jie)電(dian)彈(dan)性體(ti)（DE）（通常為硅樹脂[9]或(huo)丙烯(xi)酸樹脂[7,10]）組(zu)成(cheng)，夾在兩個兼容電(dian)極之(zhi)間(jian)。當在這些(xie)電(dian)極之(zhi)間(jian)施加電(dian)位差時，DE在厚(hou)度上受到擠壓，在平面上膨脹[7]。對于(yu)小(xiao)于(yu)約10%的(de)變(bian)形(xing)(xing)（取(qu)決于(yu)材料和(he)預(yu)拉伸），平面內應變(bian)Sx由(you)[11]給出：

式中，ε是(shi)DE膜的(de)(de)介電常數(shu)，Ym是(shi)DE膜的(de)(de)楊(yang)氏模量，E是(shi)兩個電極之間的(de)(de)電場，V是(shi)施(shi)加(jia)的(de)(de)電壓，tm是(shi)DE膜的(de)(de)厚度。

通(tong)常假設DEA使用(yong)的(de)電極(ji)不會對(dui)裝(zhuang)置的(de)剛度(du)產生影響。對(dui)于許多在厚度(du)為(wei)幾十μm的(de)丙(bing)烯酸薄(bo)膜上(shang)使用(yong)碳脂電極(ji)制(zhi)造的(de)DEA而言，情況就是如此。只有在遵守以(yi)下不等式時，才能忽略(lve)電極(ji)剛度(du)[12]：

式(shi)中，Ye是電(dian)極的(de)楊氏(shi)模(mo)量(liang)，te是電(dian)極厚度，Ym是DE的(de)楊氏(shi)模(mo)量(liang)，tm是DE膜厚度。

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

DEA的(de)(de)(de)(de)最大(da)(da)應變(bian)受到DE擊穿(chuan)場(chang)的(de)(de)(de)(de)限制（更準確地說(shuo)，DEA的(de)(de)(de)(de)失效模式(shi)是機電(dian)不(bu)穩定(ding)性(xing)(xing)[13]，但擊穿(chuan)場(chang)是小應變(bian)致動(dong)(dong)器配(pei)置的(de)(de)(de)(de)關鍵(jian)限制因素）。對(dui)于厚(hou)度(du)為(wei)10μm至100μm的(de)(de)(de)(de)典(dian)型(xing)彈性(xing)(xing)體(ti)，以及在(zai)100–150V/μm的(de)(de)(de)(de)典(dian)型(xing)彈性(xing)(xing)體(ti)擊穿(chuan)場(chang)附近(jin)工作(zuo)，DEA需要1kV至15kV以達到最大(da)(da)應變(bian)。由于高(gao)壓電(dian)子(zi)設(she)備的(de)(de)(de)(de)成本、尺(chi)寸和效率(lv)，這些高(gao)工作(zuo)電(dian)壓限制了(le)DEA的(de)(de)(de)(de)一(yi)些可能應用(yong)(yong)。因此，為(wei)了(le)降(jiang)(jiang)低DEA的(de)(de)(de)(de)工作(zuo)電(dian)壓，同時(shi)保持(chi)相同的(de)(de)(de)(de)驅動(dong)(dong)性(xing)(xing)能，進(jin)(jin)行了(le)大(da)(da)量的(de)(de)(de)(de)研究(jiu)。從式(shi)（1）中可以看出，為(wei)了(le)在(zai)降(jiang)(jiang)低電(dian)壓的(de)(de)(de)(de)同時(shi)保持(chi)給定(ding)的(de)(de)(de)(de)驅動(dong)(dong)應變(bian)，ε必(bi)須(xu)增加[9,14]，或者Ym和tm必(bi)須(xu)減少[15,16]。應變(bian)電(dian)壓平方比(bi)（Sx/V2）指(zhi)標已(yi)用(yong)(yong)于比(bi)較不(bu)同工作(zuo)電(dian)壓下(xia)DEA的(de)(de)(de)(de)性(xing)(xing)能[16]。對(dui)于厚(hou)度(du)為(wei)3μm的(de)(de)(de)(de)DEA，降(jiang)(jiang)低膜(mo)厚(hou)度(du)tm導(dao)致先前報告的(de)(de)(de)(de)最高(gao)Sx/V2值為(wei)125%/kV2，在(zai)245V下(xia)產生7.5%的(de)(de)(de)(de)線性(xing)(xing)應變(bian)[16]。考慮(lv)到電(dian)極通常比(bi)彈性(xing)(xing)體(ti)更硬（對(dui)于DEAs中使用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)幾乎(hu)所有材料(liao)，Ye>Ym），當膜(mo)變(bian)薄時(shi)，電(dian)極厚(hou)度(du)te或電(dian)極剛度(du)Ye也必(bi)須(xu)進(jin)(jin)一(yi)步減小，以保持(chi)驅動(dong)(dong)應變(bian)，如式(shi)（2）所示。

參考文獻[12,17]綜述了用(yong)于(yu)(yu)DEA的(de)(de)(de)可拉伸電(dian)極的(de)(de)(de)技術，包括(kuo)金屬離子注入[18]，SWCNT層的(de)(de)(de)轉(zhuan)移[19]。，離子凝膠(jiao)和(he)水(shui)凝膠(jiao)[20,21]，或(huo)(huo)通過(guo)(guo)移印[3,16]、噴涂[10]、刀片鑄(zhu)造(zao)[22]或(huo)(huo)絲網印刷[23]涂覆的(de)(de)(de)摻(chan)雜有炭黑的(de)(de)(de)硅酮或(huo)(huo)硅油。這些電(dian)極制造(zao)方(fang)法不適用(yong)于(yu)(yu)膜(mo)厚(hou)度(du)為1μm的(de)(de)(de)DEA，這將(jiang)允許DEA在100V下工作，因為相對(dui)于(yu)(yu)去膜(mo)的(de)(de)(de)電(dian)極厚(hou)度(du)而言，電(dian)極厚(hou)度(du)不可忽略，或(huo)(huo)者對(dui)于(yu)(yu)離子注入方(fang)法，對(dui)于(yu)(yu)50 nm厚(hou)的(de)(de)(de)電(dian)極，電(dian)極剛(gang)度(du)太高。通過(guo)(guo)開發具有低Ye*te值的(de)(de)(de)納米厚(hou)度(du)和(he)可拉伸電(dian)極，低壓DEA技術可以取(qu)得重大突破。這將(jiang)允許使(shi)用(yong)1μm厚(hou)的(de)(de)(de)膜(mo)制造(zao)DEA，在100V下應(ying)變超過(guo)(guo)10%。迄今為止，在100V電(dian)壓下，使(shi)DEA具有超過(guo)(guo)1%線性驅(qu)動應(ying)變的(de)(de)(de)電(dian)極尚未報道[16,19,22]。

朗繆爾(er)技(ji)術(shu)是(shi)一(yi)種(zhong)有(you)吸引力的(de)替(ti)代常用電極制(zhi)造(zao)(zao)方法，因為它(ta)(ta)可(ke)以(yi)形成(cheng)納米厚的(de)薄膜。它(ta)(ta)是(shi)將分(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)單(dan)(dan)(dan)分(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)膜從空(kong)氣-水界(jie)(jie)面(mian)(mian)轉(zhuan)移到固體基底的(de)有(you)力工具。通過(guo)首先在空(kong)氣-水界(jie)(jie)面(mian)(mian)擴(kuo)散(san)然后壓縮兩親性分(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)，可(ke)以(yi)制(zhi)備(bei)稱(cheng)為Langmuir單(dan)(dan)(dan)分(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)膜的(de)單(dan)(dan)(dan)分(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)膜，其在數百cm2的(de)面(mian)(mian)積上高度(du)有(you)序[24]。除了(le)生(sheng)產單(dan)(dan)(dan)分(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)厚度(du)的(de)薄膜外，這種(zhong)技(ji)術(shu)還具有(you)控(kong)制(zhi)單(dan)(dan)(dan)分(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)層(ceng)中分(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)密度(du)的(de)優點(dian)。然后，可(ke)以(yi)使用垂直(zhi)Langmuir-Blodgett（LB）或水平Langmuir-Schaefer（LS）方法將這些(xie)(xie)Langmuir單(dan)(dan)(dan)分(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)膜轉(zhuan)移到選定的(de)基質上[25]。已經(jing)使用Langmuir技(ji)術(shu)制(zhi)造(zao)(zao)了(le)一(yi)些(xie)(xie)器件，包括(kuo)分(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)傳感器[26]、光(guang)電化學器件[27]、有(you)機(ji)半導(dao)體器件[28]和場效應晶體管[29]。基于Langmuir技(ji)術(shu)制(zhi)造(zao)(zao)的(de)可(ke)拉伸單(dan)(dan)(dan)層(ceng)導(dao)體的(de)DEA電極尚(shang)未見報道(dao)。

在(zai)這篇文章中，Langmuir技術用(yong)于制造(zao)DEA的可拉伸(shen)(shen)單(dan)層電(dian)(dian)(dian)(dian)極（圖(tu)1）。疏水(shui)性(xing)(xing)(xing)聚(ju)(ju)(ju)烷(wan)基(ji)(ji)噻(sai)吩(fen)（PT）和(he)(he)親(qin)水(shui)性(xing)(xing)(xing)多壁碳納(na)米(mi)管（MWCNT）在(zai)溶劑中混合(he)以(yi)形(xing)成穩定的兩(liang)親(qin)性(xing)(xing)(xing)復(fu)合(he)分散體(ti)(ti)。該(gai)分散液可分散在(zai)水(shui)面上以(yi)形(xing)成復(fu)合(he)電(dian)(dian)(dian)(dian)極，其中MWCNT網絡嵌入在(zai)PT單(dan)層中（圖(tu)1a）。鉑作為(wei)導電(dian)(dian)(dian)(dian)聚(ju)(ju)(ju)合(he)物，應能提高導電(dian)(dian)(dian)(dian)性(xing)(xing)(xing)，并在(zai)空(kong)氣-水(shui)界面穩定非功能化親(qin)水(shui)性(xing)(xing)(xing)MWCNT。研究了兩(liang)種具有不同直鏈烷(wan)基(ji)(ji)側鏈的鉑-聚(ju)(ju)(ju)（3-己基(ji)(ji)噻(sai)吩(fen)）（P3HT）和(he)(he)聚(ju)(ju)(ju)（3-癸基(ji)(ji)噻(sai)吩(fen)）（P3DT）），因為(wei)側鏈長(chang)度(du)對鉑材料性(xing)(xing)(xing)能有顯著(zhu)影(ying)響。鏈越(yue)長(chang)（高達12℃），楊氏(shi)模量和(he)(he)導電(dian)(dian)(dian)(dian)率越(yue)小[30]。然(ran)后(hou)使用(yong)LS方法(fa)將MWCNT/PT復(fu)合(he)單(dan)層從空(kong)氣-水(shui)界面轉(zhuan)(zhuan)移(yi)到聚(ju)(ju)(ju)（二甲(jia)基(ji)(ji)硅氧烷(wan)）（PDMS）彈(dan)性(xing)(xing)(xing)體(ti)(ti)膜（圖(tu)1b）。這種粘附(fu)性(xing)(xing)(xing)是由PDMS基(ji)(ji)質和(he)(he)復(fu)合(he)單(dan)層中的鉑之間的疏水(shui)親(qin)和(he)(he)性(xing)(xing)(xing)提供(gong)的。將1.4μm厚(hou)的預拉伸(shen)(shen)PDMS膜夾(jia)在(zai)兩(liang)個LS轉(zhuan)(zhuan)移(yi)復(fu)合(he)電(dian)(dian)(dian)(dian)極之間，以(yi)形(xing)成100V工作DEA（圖(tu)1c）。根(gen)據(ju)DEA應用(yong)的形(xing)態(tai)、電(dian)(dian)(dian)(dian)氣和(he)(he)機械性(xing)(xing)(xing)能對電(dian)(dian)(dian)(dian)極進(jin)行評估。

圖1。使用(yong)Langmuir-Schaefer轉(zhuan)移單(dan)(dan)層(ceng)電(dian)極(ji)制作低壓DEA（a）在空氣(qi)-水界面形(xing)成(cheng)的單(dan)(dan)層(ceng)復合(he)電(dian)極(ji)：嵌入聚（烷基(ji)噻吩）（PT）單(dan)(dan)層(ceng)內的互連MWCNT網(wang)絡。（b）Langmuir-Schaefer（LS）將復合(he)單(dan)(dan)分子膜(mo)從空氣(qi)-水界面轉(zhuan)移到PDMS介(jie)電(dian)膜(mo)上，制成(cheng)DEA的一(yi)個(ge)(ge)電(dian)極(ji)。（c）DEA由(you)一(yi)層(ceng)1.4μm厚(hou)(hou)的硅酮膜(mo)組成(cheng)，硅酮膜(mo)夾在兩個(ge)(ge)亞(ya)100 nm厚(hou)(hou)的復合(he)單(dan)(dan)層(ceng)電(dian)極(ji)之間。