一种叠层结构形状记忆聚合物驱动器及其驱动方法

本发明涉及软体驱动器/执行器，具体为一种叠层结构形状记忆聚合物驱动器及其驱动方法。

背景技术：

1、形状记忆聚合物(shape-memory polymers,smps)是一种可编程的智能形变材料，它能够在光、电、磁、热等外界刺激下改变自身的形状并且对外做功。这种类似生物肌肉的驱动特性使得smps被广泛应用于人工肌肉及软体驱动器的设计及制备。

2、smps驱动器具有选材广、形变大、可编程、易加工、成本低等优势，在智能机械手、软体及人形机器人、空间可展开结构等领域极具工程应用前景。

3、现有技术公开了一种基于屈曲结构的双向形状记忆聚合物驱动器，包括由双向形状记忆聚合物组成的主动单元；以主动单元为中心，主动单元的外侧对称布置有由屈曲结构组成的从动单元；主动单元处于拉伸状态，从动单元处于压缩状态，主动单元和从动单元至少在两端互相连接并达到应力平衡状态。利用屈曲结构作为2w-smps驱动器的被动部分，既能为主动单元的拉伸取向提供所需应力，又能减小对主动单元形变的约束，还能方便地实现伸缩模式的驱动。

4、其存在以下技术问题：

5、需要增加外部热源，且无法实现弯曲和摆动驱动；回程依赖于屈曲结构驱动器结构自身的被动降温，导致降温过程中驱动器变形缓慢、响应速度不可调控、效率低下；主动单元必须为双向形状记忆聚合物，制备材料局限较大。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是：提供一种叠层结构形状记忆聚合物驱动器及其驱动方法，无需设置外部热源，能够实现弯曲驱动，响应速度可控，制备材料局限较小。

2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种叠层结构形状记忆聚合物驱动器，包括由热塑性聚合物构成的从动层以及两个由形状记忆聚合物构成的主动层；

4、两个主动层的一个侧面分别紧密连接于从动层的两个侧面，

5、主动层具有电热响应特性，每个主动层的电热响应可单独控制从而具有形变的独立性；

6、从动层处于压缩状态，两个主动层均处于拉伸状态，主动层和从动层两者达到应力平衡状态。

7、进一步地，主动层的基体材料包括三元乙丙橡胶、聚氨酯、聚己内酯或乙烯-醋酸乙烯共聚物。

8、进一步地，主动层内嵌入电热丝或嵌入含导电填料的形状记忆聚合物复合材料以在主动层内部形成电热线路，主动层外部设置有连接于电热线路的电极或导电片。

9、进一步地，电热丝包括镍铬合金丝、铁铬铝合金丝、碳纤维丝，导电填料包括碳纳米管、碳纳米纤维、石墨、碳黑或金属颗粒。

10、进一步地，主动层电热线路包括由填充有导电填料的形状记忆聚合物复合材料构成的蛇形结构，蛇形结构的间隙中设有由形状记忆聚合物构成的主动层基体，主动层基体分别与蛇形结构和从动层紧密连接。

11、进一步地，主动层中的电热线路为可拉伸结构，且在拉伸编程后能均匀加热主动层。

12、进一步地，从动层的热变形温度高于主动层的最高驱动温度。

13、进一步地，主动层和从动层通过热压成型，再通过热键合或胶粘紧密结合。

14、一种叠层结构形状记忆聚合物驱动器的驱动方法，包括如下步骤，

15、利用两个主动层形变的独立性，选择性地对两个主动层通电，使两个主动层分别产生不同的电热响应进而产生不同的受热收缩，实现驱动器弯曲形变和摆动驱动。

16、进一步地，通过调节两个主动层通电的电热功率，实现控制驱动器的响应速度和形变程度。

17、总的说来，本发明具有如下优点：

18、由于每个主动层的电热响应可单独控制，利用通电时的焦耳效应加热主动层，避免了现有smps驱动器需要增加外部热源的问题。主动层采用形状记忆聚合物，而无需局限为双向形状记忆聚合物，材料局限较小。设计为“三明治”叠层结构，用从动层将两个主动层分隔开，既能为主动层的拉伸取向提供所需应力，又能起到阻隔热量传递的作用，保证每个驱动器主动层的独立形变，实现驱动器弯曲和摆动驱动。进一步，从结构设计出发，利用主动层形变的独立性，可克服现有驱动器因降温速率难以控制导致的回程速率低的缺点，有效解决其形变缓慢、响应速度不可调控、效率低下的问题。此外，驱动器的内应力还可通过热-机械编程高效调控，不同的内应力可使驱动器具有不同的形变能力和变形响应速度。因此，通过本发明可获得选材广、应用场景多样、驱动应变可人为调控、驱动性能优异的形状记忆聚合物驱动器。

技术特征：

1.一种叠层结构形状记忆聚合物驱动器，其特征在于：包括由热塑性聚合物构成的从动层以及两个由形状记忆聚合物构成的主动层；

2.根据权利要求1所述的一种叠层结构形状记忆聚合物驱动器，其特征在于：主动层的基体材料包括三元乙丙橡胶、聚氨酯、聚己内酯或乙烯-醋酸乙烯共聚物。

3.根据权利要求1所述的一种叠层结构形状记忆聚合物驱动器，其特征在于：主动层基体内嵌入电热丝或嵌入含导电填料的形状记忆聚合物复合材料以在主动层内部形成电热线路，主动层外部设置有连接于电热线路的电极或导电片。

4.根据权利要求3所述的一种叠层结构形状记忆聚合物驱动器，其特征在于：电热丝包括镍铬合金丝、铁铬铝合金丝、碳纤维丝，导电填料包括碳纳米管、碳纳米纤维、石墨、碳黑或金属颗粒。

5.根据权利要求1所述的一种叠层结构形状记忆聚合物驱动器，其特征在于：主动层包括填充有导电填料的蛇形结构，蛇形结构的间隙中设有由形状记忆聚合物构成的主动层基体，主动层基体分别与蛇形结构和从动层紧密连接。

6.根据权利要求3所述的一种叠层结构形状记忆聚合物驱动器，其特征在于：主动层中的电热线路为可拉伸结构，且在拉伸编程后能均匀加热主动层。

7.根据权利要求1所述的一种叠层结构形状记忆聚合物驱动器，其特征在于：从动层的热变形温度高于主动层的最高驱动温度。

8.根据权利要求1所述的一种叠层结构形状记忆聚合物驱动器，其特征在于：主动层和从动层通过热压成型，再通过热键合或胶粘紧密结合。

9.如权利要求1-8任一项所述的一种叠层结构形状记忆聚合物驱动器的驱动方法，其特征在于：包括如下步骤，

10.根据权利要求9所述的一种叠层结构形状记忆聚合物驱动器的驱动方法，其特征在于：通过调节两个主动层通电的电热功率，实现控制驱动器的响应速度和形变程度。

技术总结本发明涉及一种叠层结构形状记忆聚合物驱动器及其驱动方法，驱动器包括由热塑性聚合物构成的从动层以及两个由形状记忆聚合物构成的主动层；两个主动层的一个侧面分别紧密连接于从动层的两个侧面，主动层具有电热响应特性，每个主动层的电热响应可单独控制从而具有形变的独立性；从动层处于压缩状态，两个主动层均处于拉伸状态，主动层和从动层两者达到应力平衡状态。从动层既能为主动层的拉伸取向提供所需应力，又能起到阻隔热量传递的作用，保证每个主动层的独立形变，实现驱动器弯曲和摆动驱动。克服现有驱动器因降温速率难以控制导致的回程速率低的缺点，有效解决其形变缓慢、响应速度不可调控、效率低下的问题。技术研发人员：王晋,何懿洪,李弘宇受保护的技术使用者：华南理工大学技术研发日：技术公布日：2024/11/14