一种具有丰富变形和摩擦纳米发电功能的驱动器的制备方法

本发明属于驱动器，具体涉及一种具有丰富变形和摩擦纳米发电功能的驱动器的制备方法。

背景技术：

1、驱动器可以响应输入能量而运动，具有丰富的使用场景和使用需求，多年来在软体机器人、人造肌肉、智能设备和传感器等不同领域中受到越来越多的关注。在驱动器中，双层异质结构的驱动器是一种典型的类型。由于两层膨胀系数的差异大，使双层驱动器在受能量刺激后迅速变形，具有结构简单、无线致动、易于功能化等优点。

2、传统的双层异质结构驱动器通常功能单一，只能对环境中一种或多种刺激进行变形响应，且都是弯曲变形，存在变形形式单一、需要外部能量持续刺激等问题。此外，传统驱动器在实现传感功能时，普遍需要连接外部电源，外部电源和电路限制了驱动器的发展。摩擦纳米发电的工作原理就是收集摩擦起电和静电感应产生的微小能量，对机械能进行收集和转化，为自供电设备、智能传感器等提供稳定的电力支持。随着应用场景更加复杂和能源危机等问题的日益凸显，开发变形形式丰富、具有多稳态特性和自供电的驱动器变得尤为迫切。

技术实现思路

1、针对现有驱动器中所存在的问题，本发明提供了一种具有丰富变形和摩擦纳米发电功能的驱动器的制备方法。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种具有丰富变形和摩擦纳米发电功能的驱动器，其制备包括以下步骤：

4、（1）制备pdms-mxene混合溶液：在pdms预聚物中加入mxene分散液，然后置于水浴环境中充分搅拌，再加入固化剂充分搅拌后进行真空脱泡处理，得到分散均匀的pdms-mxene混合溶液；

5、（2）制备pdms-mxene薄膜：采用旋涂法，将步骤（1）制备的pdms-mxene混合溶液均匀的涂覆在玻璃片上，经固化后得到厚度均匀的pdms-mxene薄膜；

6、（3）制备cual/pdms-mxene双层膜：将步骤（2）制备的pdms-mxene薄膜沿长度方向进行单向拉伸，之后通过直流磁控溅射的方式在拉伸后的pdms-mxene薄膜表面同时沉积cu、al膜，得到cual/pdms-mxene双层膜；

7、（4）制备cual/pdms-mxene驱动器：将步骤（3）制备的cual/pdms-mxene双层膜冷却至室温后进行切割，得到具有丰富变形特性和摩擦纳米发电功能的驱动器。

8、进一步地，步骤（1）中所用mxene分散液、pdms预聚物和固化剂的质量比为0.3:10:1。

9、进一步地，步骤（1）中所述mxene分散液的浓度为20 mg/ml。

10、进一步地，步骤（1）中水浴温度为35 ℃。

11、进一步地，步骤（1）中真空脱泡处理的时间为30分钟。

12、进一步地，步骤（2）中旋涂的转速为1000~2000 r/min。

13、进一步地，步骤（2）中所述固化的温度为80 ℃，时间为3小时。

14、进一步地，步骤（2）中所得pdms-mxene薄膜的厚度为80-120 μm。

15、进一步地，步骤（3）中单向拉伸的比例为5%。

16、进一步地，步骤（3）中所述直流磁控溅射的工作条件为：腔体真空度为5×10-4pa，工作真空度为0.6 pa，铜靶的溅射功率为80 w，铝靶的溅射功率为70 w，偏置电压为100 v，溅射时间为15 min。

17、进一步地，步骤（4）中，当切割的长度远大于宽度时，如长宽尺寸为20 mm×1 mm，可以得到具备弯曲变形、螺旋变形的驱动器；当切割的长度和宽度可比时，如长宽尺寸为20mm×20 mm，可以得到具有多稳态变形特性和摩擦纳米发电功能的驱动器。

18、本发明采用mxene掺杂进聚二甲基硅氧烷（pdms）制备复合薄膜，并经拉伸后在此薄膜上使用磁控溅射技术同时沉积cu、al薄膜。其中，pdms-mxene层和cual层的膨胀系数差异巨大，可以实现光热和溶剂驱动响应；在应力和边界效应的作用下，cual/pdms-mxene驱动器可以实现弯曲、各种角度螺旋的驱动变形；同时由于其表面出现的不同尺度的微观结构和单电极结构，使cual/pdms-mxene驱动器还具备高效的摩擦纳米发电性能。

19、本发明的有益效果在于：

20、（1）传统的双层异质结构驱动器通常功能单一，只能对环境中一种或多种刺激进行变形响应，且传统驱动器受到刺激后变形都是弯曲变形，存在变形形式单一、需要外部能量持续刺激等问题。本发明采用预拉伸后的薄膜进行磁控溅射，在应力和边界效应的共同作用下，驱动器可以实现弯曲变形和螺旋变形等丰富的变形。驱动器还具有多稳态特性，变形后不需要持续的外部刺激也能保持稳定，其弥补了传统驱动器的缺陷，改善了其性能。

21、（2）传统驱动器在实现电信号的传感功能时，普遍需要连接外部电源，限制了驱动器的发展。本发明通过添加一定含量的mxene，并采用磁控溅射技术共溅射cual膜，使驱动器具备了摩擦纳米发电的性能，同时通过预拉伸和约束型镀膜使双层膜具备了不同尺度的微观结构，提高了驱动器的摩擦纳米发电性能。

技术特征：

1.一种具有丰富变形和摩擦纳米发电功能的驱动器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的具有丰富变形和摩擦纳米发电功能的驱动器的制备方法，其特征在于：步骤1中所用mxene分散液、pdms预聚物和固化剂的质量比为0.3:10:1；

3. 根据权利要求1所述的具有丰富变形和摩擦纳米发电功能的驱动器的制备方法，其特征在于：步骤2中旋涂的转速为1000~2000 r/min。

4. 根据权利要求1所述的具有丰富变形和摩擦纳米发电功能的驱动器的制备方法，其特征在于：步骤2中所述固化的温度为80 ℃，时间为3小时。

5. 根据权利要求1所述的具有丰富变形和摩擦纳米发电功能的驱动器的制备方法，其特征在于：步骤2中所得pdms-mxene薄膜的厚度为80-120 μm。

6.根据权利要求1所述的具有丰富变形和摩擦纳米发电功能的驱动器的制备方法，其特征在于：步骤3中单向拉伸的比例为5%。

7. 根据权利要求1所述的具有丰富变形和摩擦纳米发电功能的驱动器的制备方法，其特征在于：步骤3中所述直流磁控溅射的工作条件为：腔体真空度为5×10-4 pa，工作真空度为0.6 pa，铜靶的溅射功率为80 w，铝靶的溅射功率为70 w，偏置电压为100 v，溅射时间为15 min。

8. 根据权利要求1所述的具有丰富变形和摩擦纳米发电功能的驱动器的制备方法，其特征在于：步骤4中所得驱动器的长宽尺寸为20 mm×1 mm或20 mm×20 mm。

9.一种如权利要求1~8任一方法制备的具有丰富变形和摩擦纳米发电功能的驱动器。

技术总结本发明公开了一种具有丰富变形和摩擦纳米发电功能的驱动器的制备方法，其是先制备PDMS‑MXene混合溶液，然后采用旋涂法将其均匀涂覆在玻璃片上并进行固化，得到厚度均匀的PDMS‑MXene薄膜，之后经单向拉伸后，采用直流磁控溅射的方式在其上同时沉积Cu、Al膜，得到CuAl/PDMS‑MXene双层膜，最后经切割，得到具有丰富变形特性和摩擦纳米发电功能的驱动器。本发明得到的CuAl/PDMS‑MXene双层膜具有丰富的变形形式，可以得到弯曲变形、螺旋变形的驱动器，或在应力和边界条件作用下具有多稳态特性及摩擦纳米发电性能的驱动器，其显著提高了驱动器的性能和应用范围。技术研发人员：郭巧杭,吴昌盛,康信,廖祉剑受保护的技术使用者：福建理工大学技术研发日：技术公布日：2024/7/25