摘要

在這項工作(zuo)中，使用(yong)Langmuir-Schaefer（LS）方法(fa)開發了(le)多(duo)壁(bi)碳納米管(guan)/聚(ju)烷基(ji)噻吩（MWCNT/PT）復(fu)合材料(liao)作(zuo)為介電彈性(xing)體致(zhi)動(dong)器（DEA）的(de)電極。這些(xie)復(fu)合材料(liao)在空氣-水界面形成穩定(ding)的(de)單(dan)分子膜(mo)，然后將其轉(zhuan)(zhuan)移(yi)到聚(ju)二甲(jia)基(ji)硅氧烷（PDMS）彈性(xing)體膜(mo)上。單(dan)層電極在100%單(dan)軸應變下(xia)保持導電。我們提(ti)出(chu)了(le)一種利用(yong)LS轉(zhuan)(zhuan)移(yi)電極制(zhi)備DEA的(de)方法(fa)。通過在轉(zhuan)(zhuan)移(yi)步驟(zou)中使用(yong)掩(yan)膜(mo)，可以(yi)在1.4μm厚的(de)預拉伸PDMS膜(mo)的(de)兩側以(yi)超(chao)過200μm的(de)分辨率(lv)對電極進行圖案化，以(yi)產生超(chao)低電壓DEA。DEA在100V的(de)驅(qu)動(dong)電壓下(xia)產生4.0%的(de)線性(xing)應變，比(bi)典型的(de)DEA工作(zuo)電壓低一個(ge)數量級。

1.介紹

當(dang)(dang)人(ren)們希望將(jiang)主(zhu)動(dong)(dong)運動(dong)(dong)或變(bian)形(xing)控制集成(cheng)到(dao)柔順(shun)或可伸縮對象(xiang)中時(shi)，需(xu)要(yao)軟(ruan)執(zhi)行器(qi)(qi)。因此，軟(ruan)執(zhi)行器(qi)(qi)被廣(guang)泛應用于(yu)(yu)系統必須既(ji)軟(ruan)又能主(zhu)動(dong)(dong)改(gai)變(bian)形(xing)狀(zhuang)的領(ling)域(yu)，如軟(ruan)機器(qi)(qi)人(ren)[1,2]、可調諧光學(xue)[3,4]和柔順(shun)夾(jia)持(chi)器(qi)(qi)[5,6]。介電(dian)彈(dan)性體(ti)(ti)致動(dong)(dong)器(qi)(qi)（DEA）由于(yu)(yu)其高能量密度[7]、大(da)變(bian)形(xing)應變(bian)[8]和快速響應[3]，是一種很有(you)前途的軟(ruan)致動(dong)(dong)器(qi)(qi)技術。DEA由介電(dian)彈(dan)性體(ti)(ti)（DE）（通常為硅樹脂[9]或丙(bing)烯酸樹脂[7,10]）組成(cheng)，夾(jia)在(zai)兩(liang)個兼容電(dian)極(ji)之(zhi)間(jian)。當(dang)(dang)在(zai)這些電(dian)極(ji)之(zhi)間(jian)施加電(dian)位差時(shi)，DE在(zai)厚度上受到(dao)擠壓，在(zai)平面上膨脹[7]。對于(yu)(yu)小于(yu)(yu)約10%的變(bian)形(xing)（取決于(yu)(yu)材料(liao)和預拉伸），平面內應變(bian)Sx由[11]給(gei)出：

式中，ε是DE膜(mo)(mo)的介電常數，Ym是DE膜(mo)(mo)的楊氏模量(liang)，E是兩個(ge)電極之間的電場，V是施加(jia)的電壓，tm是DE膜(mo)(mo)的厚度(du)。

通常假設DEA使用(yong)的(de)(de)電(dian)極不會對裝(zhuang)置的(de)(de)剛度產生影響。對于許多在厚度為(wei)幾十(shi)μm的(de)(de)丙烯酸薄膜上(shang)使用(yong)碳脂電(dian)極制造的(de)(de)DEA而言，情況就(jiu)是如此。只有在遵守以下不等(deng)式(shi)時，才能忽(hu)略電(dian)極剛度[12]：

式中，Ye是(shi)電極(ji)的楊氏模(mo)量，te是(shi)電極(ji)厚度，Ym是(shi)DE的楊氏模(mo)量，tm是(shi)DE膜(mo)厚度。

如(ru)果不(bu)滿足式（2）（例如(ru)，對于非(fei)常薄(bo)的(de)彈性(xing)體膜或剛性(xing)金屬電極(ji)），則必須(xu)修正式（1），以考慮電極(ji)的(de)硬化影響(xiang)。這突(tu)出了電極(ji)機械性(xing)能對DEAs性(xing)能的(de)作(zuo)用。

DEA的(de)(de)(de)(de)(de)最大(da)應(ying)變(bian)受到(dao)DE擊(ji)穿場的(de)(de)(de)(de)(de)限制（更準確地說，DEA的(de)(de)(de)(de)(de)失(shi)效模式(shi)是機電(dian)不(bu)穩定性(xing)(xing)(xing)[13]，但擊(ji)穿場是小(xiao)應(ying)變(bian)致動(dong)器配置的(de)(de)(de)(de)(de)關鍵限制因(yin)素）。對(dui)(dui)于厚度為(wei)10μm至100μm的(de)(de)(de)(de)(de)典型彈性(xing)(xing)(xing)體，以及在(zai)100–150V/μm的(de)(de)(de)(de)(de)典型彈性(xing)(xing)(xing)體擊(ji)穿場附近工作(zuo)，DEA需要1kV至15kV以達到(dao)最大(da)應(ying)變(bian)。由于高(gao)(gao)壓(ya)電(dian)子設(she)備的(de)(de)(de)(de)(de)成(cheng)本、尺寸和(he)效率，這些(xie)高(gao)(gao)工作(zuo)電(dian)壓(ya)限制了DEA的(de)(de)(de)(de)(de)一些(xie)可能(neng)應(ying)用(yong)。因(yin)此，為(wei)了降(jiang)低DEA的(de)(de)(de)(de)(de)工作(zuo)電(dian)壓(ya)，同時(shi)保(bao)持相同的(de)(de)(de)(de)(de)驅(qu)動(dong)性(xing)(xing)(xing)能(neng)，進行了大(da)量的(de)(de)(de)(de)(de)研究。從式(shi)（1）中可以看出，為(wei)了在(zai)降(jiang)低電(dian)壓(ya)的(de)(de)(de)(de)(de)同時(shi)保(bao)持給定的(de)(de)(de)(de)(de)驅(qu)動(dong)應(ying)變(bian)，ε必(bi)須增加[9,14]，或者(zhe)Ym和(he)tm必(bi)須減少[15,16]。應(ying)變(bian)電(dian)壓(ya)平方比(bi)（Sx/V2）指標(biao)已用(yong)于比(bi)較不(bu)同工作(zuo)電(dian)壓(ya)下DEA的(de)(de)(de)(de)(de)性(xing)(xing)(xing)能(neng)[16]。對(dui)(dui)于厚度為(wei)3μm的(de)(de)(de)(de)(de)DEA，降(jiang)低膜(mo)厚度tm導(dao)致先前報告的(de)(de)(de)(de)(de)最高(gao)(gao)Sx/V2值為(wei)125%/kV2，在(zai)245V下產生7.5%的(de)(de)(de)(de)(de)線性(xing)(xing)(xing)應(ying)變(bian)[16]。考慮到(dao)電(dian)極(ji)(ji)通(tong)常(chang)比(bi)彈性(xing)(xing)(xing)體更硬（對(dui)(dui)于DEAs中使用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)幾(ji)乎所有材料，Ye>Ym），當膜(mo)變(bian)薄(bo)時(shi)，電(dian)極(ji)(ji)厚度te或電(dian)極(ji)(ji)剛度Ye也必(bi)須進一步減小(xiao)，以保(bao)持驅(qu)動(dong)應(ying)變(bian)，如(ru)式(shi)（2）所示。

參考文獻[12,17]綜述了用于(yu)(yu)DEA的(de)(de)(de)可(ke)拉伸電(dian)極的(de)(de)(de)技術，包括(kuo)金屬離子注入(ru)[18]，SWCNT層的(de)(de)(de)轉移(yi)[19]。，離子凝膠和水凝膠[20,21]，或(huo)(huo)通過移(yi)印(yin)(yin)[3,16]、噴涂[10]、刀片(pian)鑄造[22]或(huo)(huo)絲網印(yin)(yin)刷[23]涂覆的(de)(de)(de)摻雜有(you)(you)炭黑的(de)(de)(de)硅(gui)(gui)酮或(huo)(huo)硅(gui)(gui)油。這(zhe)(zhe)些電(dian)極制(zhi)造方法(fa)不適用于(yu)(yu)膜(mo)厚(hou)(hou)度為1μm的(de)(de)(de)DEA，這(zhe)(zhe)將允許(xu)DEA在100V下(xia)工作，因為相對于(yu)(yu)去膜(mo)的(de)(de)(de)電(dian)極厚(hou)(hou)度而言，電(dian)極厚(hou)(hou)度不可(ke)忽略(lve)，或(huo)(huo)者對于(yu)(yu)離子注入(ru)方法(fa)，對于(yu)(yu)50 nm厚(hou)(hou)的(de)(de)(de)電(dian)極，電(dian)極剛(gang)度太高。通過開發具有(you)(you)低Ye*te值(zhi)的(de)(de)(de)納米厚(hou)(hou)度和可(ke)拉伸電(dian)極，低壓DEA技術可(ke)以取得重大突破。這(zhe)(zhe)將允許(xu)使(shi)用1μm厚(hou)(hou)的(de)(de)(de)膜(mo)制(zhi)造DEA，在100V下(xia)應變(bian)超過10%。迄(qi)今(jin)為止，在100V電(dian)壓下(xia)，使(shi)DEA具有(you)(you)超過1%線性驅動應變(bian)的(de)(de)(de)電(dian)極尚未報(bao)道[16,19,22]。

朗繆爾技(ji)(ji)術是(shi)(shi)一種有(you)吸引(yin)力的(de)(de)替代常用電(dian)(dian)極制(zhi)造(zao)方(fang)法，因為它可以形(xing)成納米厚的(de)(de)薄膜(mo)。它是(shi)(shi)將分(fen)(fen)(fen)子單分(fen)(fen)(fen)子膜(mo)從(cong)空氣-水界面(mian)(mian)轉移到(dao)固體(ti)(ti)基底的(de)(de)有(you)力工具。通(tong)過首先在空氣-水界面(mian)(mian)擴散(san)然后(hou)壓縮兩親性分(fen)(fen)(fen)子，可以制(zhi)備稱為Langmuir單分(fen)(fen)(fen)子膜(mo)的(de)(de)單分(fen)(fen)(fen)子膜(mo)，其在數百cm2的(de)(de)面(mian)(mian)積上高(gao)度有(you)序(xu)[24]。除了生產單分(fen)(fen)(fen)子厚度的(de)(de)薄膜(mo)外，這種技(ji)(ji)術還具有(you)控(kong)制(zhi)單分(fen)(fen)(fen)子層中分(fen)(fen)(fen)子密度的(de)(de)優點。然后(hou)，可以使用垂直Langmuir-Blodgett（LB）或水平(ping)Langmuir-Schaefer（LS）方(fang)法將這些Langmuir單分(fen)(fen)(fen)子膜(mo)轉移到(dao)選定的(de)(de)基質上[25]。已經使用Langmuir技(ji)(ji)術制(zhi)造(zao)了一些器件，包(bao)括分(fen)(fen)(fen)子傳感器[26]、光電(dian)(dian)化學器件[27]、有(you)機半導體(ti)(ti)器件[28]和場效應晶體(ti)(ti)管[29]。基于Langmuir技(ji)(ji)術制(zhi)造(zao)的(de)(de)可拉伸單層導體(ti)(ti)的(de)(de)DEA電(dian)(dian)極尚未(wei)見報道。

在(zai)(zai)(zai)這篇文章(zhang)中(zhong)，Langmuir技術用于制(zhi)造DEA的(de)可拉(la)伸(shen)單(dan)層(ceng)(ceng)電(dian)極(ji)（圖(tu)1）。疏水性(xing)(xing)聚(ju)烷(wan)基(ji)(ji)噻(sai)吩(fen)（PT）和(he)親水性(xing)(xing)多壁碳納米管（MWCNT）在(zai)(zai)(zai)溶(rong)劑中(zhong)混(hun)合(he)以形成穩(wen)定(ding)(ding)的(de)兩(liang)(liang)親性(xing)(xing)復合(he)分(fen)散(san)(san)體。該分(fen)散(san)(san)液可分(fen)散(san)(san)在(zai)(zai)(zai)水面上以形成復合(he)電(dian)極(ji)，其(qi)中(zhong)MWCNT網絡(luo)嵌入在(zai)(zai)(zai)PT單(dan)層(ceng)(ceng)中(zhong)（圖(tu)1a）。鉑(bo)作為導電(dian)聚(ju)合(he)物，應能(neng)(neng)提(ti)高導電(dian)性(xing)(xing)，并在(zai)(zai)(zai)空氣-水界(jie)面穩(wen)定(ding)(ding)非(fei)功能(neng)(neng)化親水性(xing)(xing)MWCNT。研究(jiu)了兩(liang)(liang)種具有不同(tong)直鏈(lian)(lian)烷(wan)基(ji)(ji)側鏈(lian)(lian)的(de)鉑(bo)-聚(ju)（3-己基(ji)(ji)噻(sai)吩(fen)）（P3HT）和(he)聚(ju)（3-癸基(ji)(ji)噻(sai)吩(fen)）（P3DT）），因為側鏈(lian)(lian)長度(du)對鉑(bo)材料性(xing)(xing)能(neng)(neng)有顯著影響。鏈(lian)(lian)越(yue)長（高達12℃），楊(yang)氏模量和(he)導電(dian)率越(yue)小[30]。然后(hou)使用LS方法將MWCNT/PT復合(he)單(dan)層(ceng)(ceng)從空氣-水界(jie)面轉移到聚(ju)（二甲基(ji)(ji)硅氧(yang)烷(wan)）（PDMS）彈性(xing)(xing)體膜（圖(tu)1b）。這種粘附性(xing)(xing)是由(you)PDMS基(ji)(ji)質(zhi)和(he)復合(he)單(dan)層(ceng)(ceng)中(zhong)的(de)鉑(bo)之(zhi)間(jian)的(de)疏水親和(he)性(xing)(xing)提(ti)供的(de)。將1.4μm厚的(de)預拉(la)伸(shen)PDMS膜夾在(zai)(zai)(zai)兩(liang)(liang)個LS轉移復合(he)電(dian)極(ji)之(zhi)間(jian)，以形成100V工作DEA（圖(tu)1c）。根據DEA應用的(de)形態、電(dian)氣和(he)機械性(xing)(xing)能(neng)(neng)對電(dian)極(ji)進行評估。

圖(tu)1。使用Langmuir-Schaefer轉移單層電(dian)極制作低(di)壓DEA（a）在(zai)空(kong)氣-水界面形(xing)成(cheng)(cheng)的(de)單層復合(he)(he)電(dian)極：嵌入聚（烷基(ji)噻吩）（PT）單層內的(de)互連MWCNT網絡。（b）Langmuir-Schaefer（LS）將復合(he)(he)單分子(zi)膜從空(kong)氣-水界面轉移到PDMS介(jie)電(dian)膜上，制成(cheng)(cheng)DEA的(de)一個電(dian)極。（c）DEA由一層1.4μm厚(hou)的(de)硅酮(tong)膜組成(cheng)(cheng)，硅酮(tong)膜夾在(zai)兩個亞100 nm厚(hou)的(de)復合(he)(he)單層電(dian)極之間(jian)。