專利名稱：石墨烯-離子交換聚合物電致動器及其制備方法與應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及石墨烯-離子交換聚合物電致動器，以及在腸道內(nèi)、血管內(nèi)微型機器人，爬壁機器人，水下機器人，人工心臟瓣膜、皮膚、血管等方面的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
離子聚合物金屬復(fù)合材料(IPMC)是由離子交換聚合物如全氟磺酸(或全氟碳酸等)和兩側(cè)金屬電極組成。全氟磺酸由主鏈和磺酸基側(cè)鏈組成，主鏈是聚四氟乙烯結(jié)構(gòu)，具有憎水的功能；側(cè)鏈是磺酸根官能團，具有親水的功能。由于同時含有親水和憎水基團，結(jié)晶成膜之后，在離子交換膜內(nèi)部就形成了無數(shù)的用于液體分子如水分子運動的微管道，直徑處于0.5 5nm之間。1993年，日本的Asaka課題組和美國的Sianhinpoor課題組發(fā)現(xiàn) 電場下，IPMC發(fā)生形變，對外界產(chǎn)生一定的應(yīng)力，因此有望將IPMC用于電驅(qū)動器。IPMC可能的致動機理是電場作用下，水合陽離子攜帶一定的溶劑分子(如水分子)向陰極移動，從而引起陽極的收縮和陰極的膨脹，宏觀上引發(fā)材料發(fā)生彎曲變形，對外界表現(xiàn)出一定的力和位移輸出。研究表明相對于無機的驅(qū)動材料(如PZ和SMA)，有機的驅(qū)動材料(EAP)具有輕質(zhì)量、耐腐蝕、高柔韌性、控制簡易、高轉(zhuǎn)化效率、低能量消耗等優(yōu)點，有望成為新型的智能驅(qū)動型和功能信息型材料。IPMC具有與天然肌肉媲美的致動性能， 被賦予了“人工肌肉”的美譽。IPMC的驅(qū)動特性表現(xiàn)在4個方面(1)位移輸出大(形變> 10% )，偏轉(zhuǎn)角度可超過90° ； (2)驅(qū)動電壓低(0.5 3V) ； (3)能量密度高(100J/KG)，它能夠舉起40倍于自身重量的重物；(4)能量轉(zhuǎn)化效率高(> 30% )。鑒于上述優(yōu)點，歐美等先進國家相繼投入巨資用于這方面的研制。研究表明不同波形、電壓、頻率激勵下IPMC的位移、力和功率的響應(yīng)均不同，表明IPMC的電驅(qū)動性能具有高度的可控性，而且在低溫(-140攝氏度)、低壓(Torr)下的表現(xiàn)依然良好。因此，早期IPMC電致動器的研究是面向航空航天領(lǐng)域。例如JPL研究的四爪抓取器在0. IHz頻率5V方波激勵下能舉起大于10克的物體；火星探測器配備的除塵刷子可產(chǎn)生大于90°的彎曲。后來，考慮IPMC電致動器還可以應(yīng)用于水下，日本EAMEX公司用IPMC做的人工魚，可在魚缸里游動半年之久。IPMC在仿生機器人領(lǐng)域也被得到廣泛應(yīng)用。JPL開發(fā)的機械手、可用于人形頭面部表情和眼珠轉(zhuǎn)動的器件。韓國科技研究所微系統(tǒng)研究中心利用IPMC研發(fā)了八腳機器人。2005年，日本的Yamamura課題組研究開發(fā)了用 IPMC制備的水下致動裝置，他們使用了 8條IPMC帶(5X50mm)作為致動部分，施加電流可前后自由運動。要實現(xiàn)IPMC器件的商業(yè)化，4個問題亟需解決。(1)輸出功率偏低。IPMC的輸出功率較低來源于力輸出低。原因是一方面離子交換聚合物的離子交換能力低(商業(yè)Nafion膜的離子交換能力為 0. 95mmol/g)，由此結(jié)晶成膜后內(nèi)部微管道的密度低，參與遷移的水合陽離子少；另一方面聚合物本體材料的機械性能差(我們測得商業(yè)膜的硬度為37MPa，楊氏模量為422MPa)，無法提供支撐作用。(2)非水工作時間較短。IPMC的連續(xù)致動是建立在穩(wěn)定水分子含量基礎(chǔ)上。由于水的飽和蒸氣壓高(通常條件下為3. 2KPa)，IPMC內(nèi)部微管道所儲存的水溶液很容易通過金屬塊間隙氣化；電場下，水分子的往復(fù)定向遷移也加速了水的損失；另外，水的電解也會帶來損失。理論上，水的電解電壓為1. 63V(E = Φ/Η2-Φ/02 = 1. 229V+0. 40IV)。實際上， 電解過程存在相當大的過電勢，必然增加了電解所需的電壓，故低電壓(例如小于2V)驅(qū)動下，水分子電解損失幾乎可以忽略。由此可得大量的水分子是通過金屬塊間隙損失的。(3)電致動性能輸出不穩(wěn)定。通常，IPMC表面的金屬電極是靠物理作用吸附在聚合物的表面。由于金屬與非金屬聚合物的極性差異，長時間工作過程中，金屬鍍層就會從聚合物上面剝落下來，其結(jié)果是局部的電場分布不均勻，IPMC發(fā)生扭曲，力學(xué)輸出隨著發(fā)生變化。當然，當剝落嚴重時，IPMC就停止了工作。(4)成本太高。目前IPMC使用的材料無論是Nafion、或是Pt納米電極，價格均不菲。依據(jù)我們實驗，一小片30X40X0. 5mm IPMC的成本約500元人民幣。為了解決上述矛盾和問題，研究人員進行了大量的改進研究。代表性技術(shù)是(1)增加聚合物厚度，加大致動面積。目前報道的IPMC器件大多采用此項技術(shù)。由于商業(yè)的離子交換膜的厚度在50 300 μ m之間，機械性能較低，不可能支撐大的力輸出。 通過溶液自結(jié)晶成膜的方法可以制備較厚的離子交換膜，機械性能也可以得到提高(我們測得商業(yè)膜的硬度為66MPa，楊氏模量為846MPa)。此外，IPMC的串聯(lián)和并聯(lián)相當于增加了厚度或致動面積。(2)提高本體薄膜的離子交換當量。高離子交換當量聚合物可以提供更多的水合陽離子，在宏觀上創(chuàng)造了增加電致動性能的條件。商業(yè)聚合物(Nafion)的離子交換能力較低(0. 95-lmMol/g)，將之與高離子交換當量的聚合物共聚，可得到高離子交換的聚合物。(3)加入添加劑，改善聚合物本體材料。在聚合物膜內(nèi)摻雜親水性納米粒子，不僅可以儲存更多溶劑分子，還可以改善膜的機械性能，進而提高IPMC的力學(xué)性能和延長其工作時間。(4)制備復(fù)合電極。在相對高的電壓驅(qū)動下，水分子的電解損失不容忽視。復(fù)合金屬電極可增加電解過電勢，在一定程度上阻止了電解的發(fā)生。目前，采用的復(fù)合電極有 Pt-Au、Ag-C、Au-Ni等體系。需要提出的是章啟明教授課題組和曹敏花教授課題組已經(jīng)使用了碳納米管(CNT)摻雜在Nafion膜內(nèi)部制作了非金屬的IPMC電極。( 優(yōu)化電解質(zhì)溶液。利用低蒸氣壓的有機溶劑代替水作為電解質(zhì)溶液，可以起到降低溶劑損失的作用。這方面效果最好的是離子液。但離子液IPMC致動器存在響應(yīng)頻率低的缺陷，很難用于應(yīng)用。上述方法盡管起到了一定的積極作用，但水分子的損失和電極的剝落依然存在， 對現(xiàn)有IPMC存在的瓶頸問題也未取得根本的解決方法。專利調(diào)研方面，中國專利《一種多孔的全氟離子交換膜及其制法和用途》(申請?zhí)?ZL200710191892. 8)提出制備機械性能優(yōu)化的多孔的全氟離子交換膜，并將之用于人工肌肉驅(qū)動器，可以提高力輸出，延長工作時間。美國專禾Ij (6，475，639)和(6，109，852)敘述了人工肌肉材料的一種制備工藝過程，以及人工肌肉材料作為致動器和傳感器的一些應(yīng)用研究，包括水下機器魚的發(fā)明，機械鉗的發(fā)明等。其它的專利主要也是對電致動聚合物的一些應(yīng)用探索，其中在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，敘述了人工肌肉材料用于心臟壓縮設(shè)備的設(shè)計，可植入人體用于治療的微型泵的設(shè)計，作為用于人體內(nèi)部器官檢查的“微膠囊”機器人的驅(qū)動裝置，以及用于人體肌肉的修復(fù)等。在其他應(yīng)用方面，主要有人工肌肉材料在自動售藥機設(shè)計發(fā)明中的應(yīng)用；人工肌肉材料用于氣流控制設(shè)備的開發(fā)設(shè)計；利用電致動聚合物的致動性發(fā)明盲文顯示器；基于電致動聚合物材料變形原理研制一種閥門以及旋轉(zhuǎn)馬達；由電致動聚合物設(shè)計的傳感器等。但是所涉及的人工肌肉材料并沒有在力輸出小、對潮濕環(huán)境的依賴等問題上有所突破。本發(fā)明提供一種新型的離子型電致動器，它可以用作柔性致動器，驅(qū)動腸道內(nèi)、血管內(nèi)微型機器人，爬壁機器人，水下機器人的運動，驅(qū)動人工心臟瓣膜的舒張和關(guān)閉，驅(qū)動人造皮膚、血管發(fā)生形變。本發(fā)明中設(shè)計用導(dǎo)電的、柔性石墨烯膜作為電極，在滿足電極導(dǎo)電性能的基礎(chǔ)上，最大限度地提供了 IPMC的自由無負荷偏轉(zhuǎn)，在一定程度上也增加“堰塞效應(yīng)”，從而提升了 IPMC的電致動性能。最為重要的是水分子不能通過石墨烯膜，因而避免(或減少)了水分子的損失，從而維持IPMC的長時間工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種新型的離子型電致動器，它可以用作柔性致動器，驅(qū)動腸道內(nèi)、血管內(nèi)微型機器人，爬壁機器人，水下機器人的運動，驅(qū)動人工心臟瓣膜的舒張和關(guān)閉，驅(qū)動人造皮膚、血管發(fā)生形變。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種新型離子型電致動器是由離子交換聚合物膜、石墨烯膜電極、和電信號輸入系統(tǒng)組成。結(jié)構(gòu)如圖1。上述離子交換聚合物膜可以是聚四氟乙烯為骨架的接枝有磺酸基或羧酸基的全氟離子交換膜。上述石墨烯膜是由多層的石墨烯單分子膜組裝成柔性導(dǎo)電石墨烯膜。單位面積石墨烯膜的電阻處于1-2000 Ω / □之間，厚度處于50ηπι-20μπι之間。上述石墨烯膜與離子交換聚合物之間通過0-C、Ο-Si、酰胺(-C0-NH-)、磺酰胺 (-SO2-NH-)、酯(-0C0-)等共價鍵相連。上述電信號可以是電壓0. 5-5V，頻率0. 1-20HZ的正弦波、方波、或三角波。石墨烯單分子膜的制備方法可采用兩種方法(1)化學(xué)氣相沉積法(CVD)，以乙烯、甲烷等氣體為碳源在鎳、銅等催化劑表面生長單層的石墨烯單分子膜。O)Hummers合成法，將石墨氧化得羥基、羧基等官能團取代的氧化石墨烯(GO)，經(jīng)超聲剝離得到羥基、羧基等功能化的氧化石墨烯單分子膜，用胼(或硼氫化鈉、H2)還原即可得到導(dǎo)電石墨烯單分子膜。石墨烯膜是由多層的石墨烯單分子膜組裝而成。可以采取三種方法組裝(1)電化學(xué)沉積法，以CVD生長的石墨烯單分子膜/Cu為電極，含有Hummers合成法制備的氧化石墨烯單分子膜為電解質(zhì)溶液，加入適當?shù)膶?dǎo)電電解質(zhì)以提高溶液的導(dǎo)電能力，在石墨烯/Cu 電極上電化學(xué)沉積多層石墨烯。( 化學(xué)偶聯(lián)，石墨烯單分子膜表面含有活性的磺酸基團、 羥基、羧基官能團，這些官能團可與一些交聯(lián)劑發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)。例如磺酸基團可以轉(zhuǎn)化為磺酰氯基團，進而與胺基發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)；羥基可與異氰酸基團、硅烷偶聯(lián)劑(如KH550)等多種有機物發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)；羧基可與異氰酸基團、胺基等發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)。(3)靜電吸附法，石墨烯單分子層之間也可以通過靜電作用，相互連結(jié)形成多層石墨烯層。上述石墨烯-離子交換聚合物可用作離子型電致動器，在外界電信號的刺激下，產(chǎn)生位移和力輸出，將電能轉(zhuǎn)化為機械能。以懸臂梁狀電致動器為例，單片 (30X40X0. 3mm)力輸出處于I-IOOmN之間；位移偏轉(zhuǎn)處于0-90°之間；力學(xué)性能穩(wěn)定，力輸出性能衰減小于20% ；空氣氣氛下，不需要補給水就可長時間工作，最大非水工作時間可達幾天，甚至幾個月。理論上，可以實現(xiàn)永久工作。上述電致動器可以應(yīng)用于腸道內(nèi)、血管內(nèi)微型機器人，爬壁機器人，水下機器人， 人工心臟瓣膜、皮膚、血管的驅(qū)動裝置。依次類推，可用作各種柔性的致動器。上述爬壁機器人腳掌是由電致動器與固定在其表面的微納陣列組成。微納陣列本身具有一定的粘附性能。電致動器的使用既有效增加微納陣列的粘附性能，也便于微納陣列從接觸面上脫附。在上述電致動器的表面鍵合生物聚合物材料，通過形狀改變可制成電致動的人造皮膚、心臟瓣膜、血管等組織與器官。驅(qū)動電致動器時，人造皮膚、心臟瓣膜、血管可以依據(jù)需要產(chǎn)生一定的形變。本發(fā)明提出研制石墨烯-離子交換聚合物復(fù)合膜基離子型的電致動器。與現(xiàn)有的 IPMC電致動器相比，具有以下創(chuàng)新(1)傳統(tǒng)IPMC電極是由金屬納米顆粒組成的。相互團聚的金屬納米顆粒形成金屬塊，塊與塊之間存在一定的間隙。這些間隙一方面有助于IPMC的偏轉(zhuǎn)，另一方面，卻造成了大量的水蒸發(fā)，其結(jié)果是水分子耗盡，IPMC停止工作。本發(fā)明中設(shè)計用導(dǎo)電的、柔性石墨烯膜作為電極，在滿足電極導(dǎo)電性能的基礎(chǔ)上，最大限度地提供了 IPMC的自由無負荷偏轉(zhuǎn)， 在一定程度上也增加“堰塞效應(yīng)”，從而提升了 IPMC的電致動性能。最為重要的是水分子不能通過石墨烯膜，因而避免(或減少)了水分子的損失，從而維持IPMC的長時間工作。(2)傳統(tǒng)的金屬電極與聚合物的兼容性差，造成電極常常脫落，其結(jié)果是IPMC的電致動性能隨時間衰減。本發(fā)明中設(shè)計的石墨烯電極是一種類似聚合物的高分子材料，與離子交換聚合物的兼容性較好。且石墨烯大的表面容易產(chǎn)生一些活性官能團，這些官能團可以與離子聚合物發(fā)生偶聯(lián)，進而與聚合物連成一體，為IPMC的穩(wěn)定工作提供保障。(3)成本低。石墨烯的代價遠低于金屬Pt的代價，因此有望降低IPMC的制作成本。


圖1石墨烯-離子交換聚合物電致動器的結(jié)構(gòu)示意圖。1、-一內(nèi)管道，2、-一共價鍵連接，3、—離子交換聚合物，1、一石墨烯電極圖2氧化石墨烯和磺化石墨烯的紅外光譜。圖3Hummer法合成的石墨烯單分子層的AFM圖片。a為氧化石墨烯，其石墨烯層高度為0. 9nm ；b為還原石墨烯，其石墨烯層高度為0. 7nm。圖4石墨烯-離子交換聚合物的正面SEM圖片。圖5石墨烯電極的剖面SEM圖。圖6石墨烯-離子交換聚合物實物圖。圖7石墨烯電極膜的導(dǎo)電性能測試。圖8電致動器裝置示意圖。1、-一信號產(chǎn)生模塊，2、-一力測量模塊，3、-一信號處理模塊，U —石墨烯-離子交換聚合物
圖9石墨烯-離子交換聚合物的致動錄像截圖。圖10典型的石墨烯-離子交換聚合物的致動圖片和部分測試平臺圖11典型的石墨烯-離子交換聚合物的致動力結(jié)果。圖12典型的石墨烯-離子交換聚合物的致動位移結(jié)果圖13爬壁機器人腿的驅(qū)動和吸附結(jié)構(gòu)示意圖。1、一微納陣列，2、一石墨烯電極，3、一離子交換聚合物圖14硅橡膠剛毛陣列，剛毛直徑1. 2 μ m。圖15聚氨酯剛毛陣列，剛毛直徑400nm。圖16智能皮膚示意圖。1、一生物材料，2、一石墨烯-離子交換聚合物圖17驅(qū)動人造皮膚的錄像截圖。圖18智能心臟瓣膜示意圖。1、一生物材料，2、一石墨烯-離子交換聚合物圖19智能血管示意圖。1、一生物材料，2、一石墨烯-離子交換聚合物
具體實施例方式實施例1. Hummers合成石墨烯單分子膜在2L的燒瓶中加入250mL 98%的濃硫酸用低溫冷卻循環(huán)液泵中的冷卻液冷卻至 O0C，攪拌中加入IOg天然鱗片石墨5g、NaNO3和30g KMn04粉末，控制反應(yīng)液溫度在10 15°C，攪拌反應(yīng)12h以上，此階段反應(yīng)被稱為低溫反應(yīng)。移去低溫冷卻循環(huán)液泵，將燒杯置于預(yù)先升溫至35°C左右的溫水浴中待反應(yīng)液溫度升至35°C左右時繼續(xù)攪拌反應(yīng)30min，即完成了中溫反應(yīng)。最后進行高溫反應(yīng)，即在攪拌中加入460mL去離子水，待反應(yīng)液溫度上升至100°C左右時，繼續(xù)攪拌反應(yīng)30min，移去攪拌器和溫水浴，用去離子水將反應(yīng)液釋稀后加一定量的趁熱過濾。用預(yù)先配制好的5% HCl和去離子水充分洗滌濾餅直至濾液中無S042_ (用BaC12溶液檢測)，將濾餅置于50°C的烘箱中干燥48小時，產(chǎn)品為氧化石墨烯單分子膜。將氧化石墨烯單分子膜做紅外分析(圖2)。結(jié)果顯示1600cm-1左右的吸收峰來自石墨烯本身；在1060-13650^1之間出現(xiàn)了 C-0，C-0-C，和O-H的紅外吸收峰，在 1698cm-1處出現(xiàn)了 C = O的吸收峰，表明石墨烯單分子膜以氧化態(tài)存在。將5g氧化石墨烯單分子膜超聲分散在5L去離子水溶液中，用NaCO3調(diào)節(jié)溶液pH 值處于9-10之間，加入100ML含4g NaBH4的水溶液，80°C還原1小時，過濾，干燥，得導(dǎo)電石墨烯單分子膜。做頂分析，結(jié)果顯示deOOcnT1左右出現(xiàn)了石墨烯的強吸收峰。將氧化的石墨烯和導(dǎo)電石墨 烯單分子膜分別分散在云母表面，制備AFM樣品，做 AFM測試(圖3)。兩個樣品的厚度分別為0. 9和0. 7nm。實施例2.氣相沉積(CVD)石墨烯單分子膜以25微米厚銅箔為基底，維持生長溫度950 1000°C，通入甲烷和氫氣，氣體流量為甲烷25SCCm，氫氣lOsccm，生長15分鐘后，關(guān)閉甲烷，在IOsccm氫氣氣流保護下快速冷卻到室溫，得銅/石墨烯單分子膜。將該樣品置于狗(13溶液(0. IMol/L)中除去銅箔，取少許清液分散在云母表面，做AFM分析。結(jié)果表明石墨烯單分子膜的厚度處于0.3-0. 9nm 之間。將此石墨烯單分子膜做全反射紅外分析。結(jié)果顯示deOOcnT1左右出現(xiàn)了石墨烯的強吸收峰。實施例3.石墨烯單分子膜的磺化
(TC下，取50mg氧化石墨烯單分子膜水溶液，加入200mg的偶氮苯磺酸，反應(yīng)2小 時，收集磺酸化氧化石墨烯沉淀，清洗，干燥，做頂分析(圖幻。1600cm_i左右的吸收峰來 自石墨烯本身；在1060-1365011-1之間出現(xiàn)了 c-0，C-0-C，和0-H的紅外吸收峰，在1698cm-i 處出現(xiàn)了 e = 0的吸收峰，表明石墨烯以氧化態(tài)存在；在1208cm_i和1150cm_i處出現(xiàn)了強 的磺酸吸收峰，表明了苯磺酸基團已經(jīng)被偶聯(lián)在石墨烯上。將CVD生長的銅/石墨烯單分子膜放入偶氮苯磺酸溶液中孵育2小時，取出片基， 做全反射紅外(ATR)，結(jié)果1600cm_i左右的吸收峰來自石墨烯本身；在1208cm_i和1150cm_i 處出現(xiàn)了強的磺酸吸收峰，表明了苯磺酸基團已經(jīng)被偶聯(lián)在石墨烯上。實施例4.制備石墨烯膜石墨烯膜可采用以下5種方法制備。(1)將Hummers合成法制備的還原石墨烯單分子膜溶液通過200目的聚四氟乙烯 濾膜過濾得石墨烯多層膜。做SEM觀測。如圖4-5所示多層石墨烯膜的厚度約為800nm。(2)以銅/石墨烯單分子膜為陽極，含有Hummers合成法制備的氧化石墨烯單分 子膜(5mg/L)為電解質(zhì)溶液，加入適當?shù)膶?dǎo)電電解質(zhì)以提高溶液的導(dǎo)電能力，在石墨烯/Cu 電極上電化學(xué)沉積多層石墨烯膜。利用FeCl3溶液(IMol/L)浸泡除去Cu板得多層石墨烯 膜。將溶液分散在云母表面做AFM測試，結(jié)果顯示，多層石墨烯膜的厚度在l-25nm之間。(3)氮氣保護下，取50mg氧化石墨烯單分子膜溶于5mL無水N，N-二甲酰胺(DMF)， 滴加2mMol的甲苯二異氰酸酯(TDI)，經(jīng)過M小時攪拌，加入二氯甲燒萃取沉淀，清洗，干 燥，得多層石墨烯膜。反應(yīng)路線如下所示。產(chǎn)品做m，1740cm_i處出現(xiàn)了酯(-0C0-)的吸 收峰；1650cm_i處出現(xiàn)了酰胺(-CO-NH-)的吸收峰；1600cm_i處出現(xiàn)了石墨烯(-C = C-)的 吸收峰。取少量反應(yīng)液體，滴在云母表面，做AFM測試，結(jié)果顯示，多層石墨烯膜的厚度在 1. 5-32nm 之間。
權(quán)利要求
1.石墨烯-離子交換聚合物電致動器，其特征在于其由離子交換聚合物膜、固定在離子交換聚合物膜兩側(cè)的石墨烯膜電極、外接的電信號輸入系統(tǒng)組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯-離子交換聚合物電致動器，其特征在于所述的離子交換聚合物膜是以聚四氟乙烯為骨架的接枝有磺酸基或羧酸基的氟聚合物膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯-離子交換聚合物電致動器，其特征在于所述的石墨烯膜電極由多層的石墨烯單分子膜組裝成的柔性導(dǎo)電石墨烯膜；單位面積石墨烯膜的電阻處于1-2000 Ω / □之間；厚度處于Inm-IO μ m之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯-離子交換聚合物電致動器，其特征在于所述離子交換聚合物膜與石墨烯膜之間通過0-C、O-Si,-CO-NH-, -SO2-NH-或-0C0-共價鍵鍵合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述所述的石墨烯-離子交換聚合物電致動器，其特征在于，電信號輸入系統(tǒng)為電壓0. 5-5V，頻率0. l-20Hz的正弦波、方波、或三角波。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的石墨烯-離子交換聚合物電致動器，其特征在于石墨烯膜由如下制備方法制備(1)電化學(xué)沉積法，以CVD生長的石墨烯單分子膜/Cu為電極，含有氧化石墨烯單分子膜溶液為電解質(zhì)，電化學(xué)沉積多層石墨烯膜；(2)化學(xué)偶聯(lián)，石墨烯單分子膜之間通過化學(xué)偶聯(lián)相互組裝成一定厚度的石墨烯膜；(3)靜電吸附法，石墨烯單分子膜之間通過靜電作用，形成多層石墨烯膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯-離子交換聚合物電致動器，其特征在于離子型電致動器在外界電信號的刺激下，產(chǎn)生位移和力輸出，將電能轉(zhuǎn)化為機械能。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的石墨烯-離子交換聚合物電致動器，其特征在于單片電致動器的力輸出處于I-IOOmN之間；位移偏轉(zhuǎn)處于0-90°之間；空氣氣氛下，不需要補給水就可長時間工作，最大非水連續(xù)工作時間可達幾天，甚至幾個月。
9.一種所述的石墨烯-離子交換聚合物電致動器的應(yīng)用，其特征在于石墨烯-離子交換聚合物電致動器驅(qū)動腸道內(nèi)、血管內(nèi)微型機器人，爬壁機器人，水下機器人，人工心臟瓣膜、皮膚、血管。
10.根據(jù)權(quán)利要求9一種所述的石墨烯-離子交換聚合物電致動器的應(yīng)用，其特征在于，所述的石墨烯-離子交換聚合物電致動器可以驅(qū)動爬壁機器人的微納陣列腳掌；其中， 驅(qū)動微納陣列吸附時，粘附強度增加為原來的1. 07-11. 18倍；驅(qū)動微納陣列脫離時，粘附強度減少為原來的0. 47-0. 95倍。
全文摘要
石墨烯-離子交換聚合物電致動器，它是以全氟離子交換聚合物為本體膜，兩側(cè)固定導(dǎo)電石墨烯膜為電極，外接電信號輸入系統(tǒng)組成。本發(fā)明的電致動器具有較大的力/位移輸出；長時間工作下，力學(xué)輸出性能基本不發(fā)生衰減；在空氣氣氛下，不需要補給水就可長時間連續(xù)工作。因此可以用作柔性電致動器，驅(qū)動腸道內(nèi)、血管內(nèi)微型機器人，爬壁機器人，水下機器人，人工心臟瓣膜、皮膚、血管等。
文檔編號B81B3/00GK102275858SQ20111016584
公開日2011年12月14日 申請日期2011年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月20日
發(fā)明者周建新, 郭東杰, 陳亞清 申請人:南京航空航天大學(xué)