專利名稱：包括復合材料的換能器和制造這種復合材料的方法
技術領域：
本發明涉及一種用于在機械能和電能之間轉換的彈性換能器。本發明還涉及一種 用于這樣的換能器的復合材料和一種用于制造這樣的復合材料的方法。
背景技術：
在位于彈性體的相對側上的兩個電極之間的電勢差可以產生電場，該電場導致吸 引力，并且因此導致在電極之間的庫侖力影響下的彈性體的偏斜。彈性體上電極的這種復 合材料可以以各種方式來用于起動和感測目的。在用作換能器的情況下，它們有時被稱為 電活性聚合物換能器(ΕΑΡ換能器)或人造肌肉。通常，期望提供換能器的依從性(complicance)以在特定方向上偏斜。這通常被 稱為各向異性結構。為了提供換能器的各向異性，引入了偏斜控制結構。該偏斜控制結構 可以是剛性構件，該剛性構件被施加到彈性體以限制在特定方向上的偏斜，或者該偏斜控 制結構可以由電極構成，這些電極被形成為使得偏斜主要在特定方向上是可能的。US 6，376，971公開了一種依從電極，該依從電極被定位為與聚合物接觸，使得當 在電極兩端施加電勢差時，在電極之間產生的電場將電極相對于彼此收縮，由此使聚合物 偏斜。因為電極是實質上剛性的材料，所以必須使得這些電極有紋理，以便使得這些電極依 從。US 6，376，971公開了一種平面依從電極，該平面依從電極被結構化并且提供單向 依從，其中在電荷分布層上以平行線的形式形成金屬跡線的圖案，兩者覆蓋聚合物的活性 區域。金屬跡線和電荷分布層被施加到聚合物的相對表面。電荷分布層有助于電荷在金屬 跡線之間的分布，并且是依從的。結果，結構化的電極允許在垂直于平行金屬跡線的依從方 向上的偏斜。通常，電荷分布層具有比電活性聚合物更大但是小于金屬跡線的電導。例如在US 2004/0012301中描述了其他的EAP換能器，其中在彈性材料的主體中 提供有波浪形部分。該波浪形形狀在特定方向上提供了換能器的依從。通常，在相對復雜的過程中提供偏斜控制結構的結構或形狀，并且因此提供已知 換能器的所設計的各向異性，所述過程例如包括在特定的微型圖案中涂敷各種層。這是復 雜的，并且可能引起在結構中的缺陷以及因此引起換能器的性能降低，特別是當偏斜控制 結構由復合材料的電極構成時。
發明內容
本發明的目的是提供一種具有替代復合材料的換能器，并且提供一種制造用于換 能器的復合材料的方法。具體地說，目的是提供一種可以以有效的方式來制造的換能器，并 且提供一種制造偏斜控制結構的替代方式，并且因此提供各向異性。根據第一方面，本發明提供一種用于在機械能和電能之間轉換的換能器，該換能 器包括層壓體，該層壓體具有在兩個電極層之間布置的彈性材料的第一層，每個電極層包 括塑性可變形材料的第二層和導電材料的第三層。
因為第二層是塑性可變形材料的，所以有可能通過將該層加熱來對其整形。在這 樣的整形過程中，加熱使得能夠對塑性可變形材料整形以提供在塑性變形后保留的特定形 狀。塑性可變形材料可以例如是金屬材料或塑料材料，或一般是可以通過塑性變形重 新整形以便保留所提供的新形狀的任何種類的材料。塑性變形在此表示材料在被增加并且然后去除負載之后保持變形。在一個實施例中，塑性可變形材料是可熱成形材料，該可熱成形材料在此表示其 在加熱后更容易變形，例如熱塑材料。通過使用熱塑材料，在加熱該材料后變形可能發生， 并且在隨后的冷卻之后，熱塑材料的形狀固定。可熱成形材料可以有助于通過使用在重新 整形工具和第二層之間的相對低的壓力來對第二層重新整形，并且因此不引起或基本上不 引起對于層壓體的損害。例如從文件EP 1919072中已知在這樣的換能器中引入多個層，然而不知道的是 通過引入變形的沒有某種方式的預應變的層來形成波紋，其中層的結果產生的波形具有至 少在與層本身的厚度相同數量級或范圍內的波幅。這導致層的形狀影響層主體的孔，而不 僅表面被處理。也已知通過附接到具有預應變的聚合物的硬層(例如，電極)來引入波紋，當釋放 聚合物時，該硬層由于其非彈性的性質而將“膨脹”或“紋理化”成經常為不規則的表面結 構，可在US 6，376，917中找到一個示例。然而，該層僅由于被固定到具有預應變的聚合物材料的表面而成形。例如，在本發明中引入的塑性可變形材料引入了用于形成諸如波紋的表面結構的 非常不同的方式，原因在于，對塑性可變形材料進行整形也對與其附接的(一個或多個)層 的表面進行整形。一旦以特定形狀成形，則塑性可變形材料可以構成偏斜控制結構，并且該偏斜控 制結構可以提供取決于方向的對變形的依從，即各向異性。“具有各向異性結構”表示“在一個方向上具有對伸展的依從并且在另一個方向 上對伸展的依從較小”，即在依從性較大的方向上伸展層壓體比在依從性較小的方向上需 要更小的力，或者表示層壓體可以在依從方向上比在依從性較小的方向上更大程度地伸 展，而不會過度伸展并且可能損害層壓體。替代地，塑性可變形材料可以對其他層之一整形，所述其他層之一然后可以再次 構成偏斜控制結構并且提供取決于方向的對變形的依從。具體地說，意欲使第二層偏離第 二層所屬的那個電極層的第三層。因此，通過使用塑性可變形材料，有可能在標準化的過程中制備層壓體的至少一 部分，并且隨后根據具體期望的各向異性來對塑性可變形材料重新整形。當第二層已經被整形時，第三層以及可能第一層的至少一部分可以采用第二層的 形狀，并且可選地，塑性可變形材料由此可以用于對層壓體的主要部分整形或用于對整個 層壓體整形。作為示例，可以在標準過程中提供第一層和第二層的至少一個，并且可以在標準 過程中結合這兩個層以形成標準化的電極層。可選地，也可以在這樣的兩個電極層之間結 合第一層，以形成具有標準的各向異性或完全沒有各向異性的標準化的層壓體。此時，第二層和第三層都可以是平坦層。第二層至少有可能作為市售標準產品從諸如金屬或熱塑材料 的塑性可變形材料帶或塑性可變形材料片的供應商獲得。在稍后的時間點，例如通過使用 真空成形過程來加熱和重新整形熱塑材料，因此可以為特定目的設計各向異性。可以在卷到卷(roll to roll)過程中制造這些層或整個層壓體。在一個實施例中，層壓體具有拉伸的片狀形狀，該片狀形狀在一個縱向方向上比 在垂直于縱向方向的橫向方向上更長，并且該片狀形狀在垂直于縱向和橫向方向的厚度方 向上相對薄。各向異性結構特別是可以提供在縱向方向上或在橫向方向上的依從。特別地，可 以在“無限”長度上提供復合材料，“無限”長度表示在縱向方向上比在其他方向上長得多， 例如，在縱向方向上是在橫向方向上的1000倍、10000倍或甚至更大倍數。特別地，電極層可以具有波紋形狀，該波紋形狀形成例如在垂直于縱向方向的橫 向方向上延伸的凸起和凹陷的表面部分，并且形狀或大小或形狀和大小兩者可以沿著至少 一個方向(例如，垂直于橫向方向的方向)周期性地改變。第三層可以位于第二和第一層之間。然而，為了向第三層提供電勢，可以有益的 是，布置第三層使得該第三層形成層壓體的導電外表面。因為第三層是導電的，所以可能期望以金屬材料來提供該層。因為這樣的材料通 常比彈性材料彈性可變形程度低，所以可能期望使用第三層作為偏斜控制結構或至少使第 三層形成偏斜控制結構的一部分。因此，可能期望根據期望的各向異性來對第三層整形。為了在對第三層整形的過程中使用第二層，可以有益的是，將第二層定位在第三 層和第一層之間。這允通過抵壓第三層的外部表面的整形工具來對第二層整形。可以進一步有益的是，提供具有在第二層厚度的1/10-1/1000范圍內的厚度的第 三層。當第二層被整形時，第三層的相對低的厚度可引起也對第三層整形，或至少可有助 于第二層足夠硬以將第三層保持在形成在第二層中的形狀。換能器的效率例如取決于第一層的偏斜程度。這再次取決于第一層的厚度和第一 層的彈性模數。已經發現有益的是，提供具有第二層厚度的10至100倍厚度的第一層，并 且使第一層的彈性模數比第二層的彈性模數低得多，例如使得第二層的彈性模數在第一層 的彈性模數的10至100倍的范圍中。進一步地，已經發現有益的是，提供具有比第一層的 介質擊穿更高的介質擊穿的第二層，再次例如高到1. 5至100倍。第二層可以包括選自由DuPont Teflon PFA膜構成的組的膜。第二層和第三層可以至少部分地由以下構成例如來自Goodfellow公司(參見 www. goodfellow. com)的標準聚對苯二甲酸乙二醇酯金屬鍍膜，例如構成第二層的聚對苯 二甲酸乙二醇酯膜，和構成第三層的鋁、銅、銀或類似的導電材料的金屬鍍層。第一層可以包括諸如硅凝膠材料的凝膠材料。第一和第二層還可以包括選自由嵌段共聚物和塊選擇性低聚物構成的組的材料。當層壓體準備好時，兩個電極層的第三層用作電極，并且第二層和第一層通過當 向電極施加電場時的庫侖力而變得可變形。通過至少兩個復合材料的堆疊可以獲得層壓體，其中每個復合材料包括抵靠電極 層布置的彈性材料的第一層，其中電極層仍然包括塑性可變形材料的第二層和導電材料的 第三層。這樣的兩個復合材料的堆疊提供了第一層鄰近電極層、電極層鄰近另一個第一層、該另一個第一層鄰近另一個電極層的結構。因為首先提及的第一層不被電極層圍繞，所以 該首先提及的第一層變得不活動。所述復合材料的堆疊可以包含超過2的任何數量的所述復合材料，例如5-50種復 合材料，以便可以在每個第二導電層上施加電場。為了完成換能器，僅需要對于導電層布線，使得可以施加電勢。根據期望的換能器 結構和容量，可以進一步折卷層壓體，或以其它方式將其形成為期望的形狀。如果層壓體是前述的“無窮”型，則可以通過卷起層壓體以形成具有多個卷繞物 (例如，10-1000個卷繞物)的管狀或圓形換能器來制造換能器。層壓體可以被卷起，使得該 層壓體在與這樣的卷起結構的軸向平行的方向上是依從的，或使得該層壓體在垂直于軸向 的方向(例如，在卷起結構的徑向)上最為依從。在第二方面，本發明提供一種用于換能器的復合材料。該復合材料包括抵靠電極 層布置的彈性材料的第一層，該電極層包括塑性可變形材料的第二層和導電材料的第三層。通常，所述復合材料可以包括已經關于本發明第一方面所述的任何特征。在第三方面，本發明提供一種制造用于EAP換能器的復合材料的方法，所述方法 包括步驟
a)提供塑性可變形材料的膜；
b)向膜的外表面施加導電材料層；
c)向膜的內表面施加未硬化的彈性體層；
d)經由例如通過使用加熱真空模具而產生的塑形變形來對膜重新整形；以及
e)使彈性體固化。優選地，彈性體和導電材料在重新整形之前被施加到膜。通常以下述順序來進行 所述步驟a)、b)、c)、d)、e)。然而，b)_e)的任何一個可以具有任何相繼順序，例如a)、d)、 13)、(3)、6)或者3)、(3)、(1)、13)、6)或者3)、13)、(1)、(3)、6)。在一個實施例中，在膜的重新整 形期間使彈性體固化。所述方法可以還包括根據本發明的第一和第二方面的獲得換能器或復合材料所 需的任何步驟。
具體實施例方式下面，將參考附圖更詳細地描述本發明的優選實施例，在附圖中
圖1示出用于在機械能和電能之間轉換的換能器。該換能器包括層壓體，該層壓體具 有在兩個電極層3、4之間布置的彈性材料的第一層2。圖2示出電極層3、4之一，電極層3、4都包括熱塑材料的第二層5和導電材料的
第三層6。第三層與第二層相比相對地薄，并且因為第二層和第三層緊固地粘合在一起，所 以當第二層被重新整形時，第三層容易地變形或被重新整形。因為第二層是熱塑層，所以可 以通過使用熱壓工具或加熱真空成形工具一下面稱為熱成形一來對該第二層整形。第一層 優選在電極層3、4中的至少一個熱成形之前被施加到該電極層3、4中的至少一個。圖3示出電極層，該電極層具有熱塑層5和導電層6，該導電層6仍未被重新整形。
在圖4中，還未固化或硬化的彈性體的層2已經被施加到導電層6的表面。在圖5中，電極層與加熱真空成形工具7接觸，該加熱真空成形工具7對電極層重 新整形并且提供波形，該波形有助于在垂直于波峰和波谷的方向上的伸展。在這個階段，層 2被硬化或固化，由此該層2支撐電極層的新形成的形狀。替代地，彈性體層被施加到熱塑層5，并且通過將真空成形工具壓到相對側一即壓 到導電層6—中來對電極層重新整形。圖6示出可以卷起以例如形成圓柱管狀換能器的層壓體。圖7示出換能器可以包括大量的層。
權利要求
1.一種用于在機械能和電能之間轉換的換能器，所述換能器包括層壓體，所述層壓體 具有在兩個電極層之間布置的彈性材料的第一層，每個電極層包括塑性可變形材料的第二 層和導電材料的第三層。
2.根據權利要求1所述的換能器，其中所述塑性可變形材料是熱塑材料。
3.根據權利要求1或2所述的換能器，其中所述電極層具有有助于各向異性伸展的形狀。
4.根據權利要求3所述的換能器，其中所述電極層具有波紋形狀，所述波紋形狀形成 凸起和凹陷的表面部分。
5.根據前述權利要求的任一項所述的換能器，其中所述電極層具有沿著至少一個方 向周期性地改變的形狀和/或大小。
6.根據前述權利要求的任一項所述的換能器，其中所述第三層形成所述層壓體的導 電外表面。
7.根據前述權利要求的任一項所述的換能器，其中所述第三層位于所述第二層和所 述第一層之間。
8.根據前述權利要求的任一項所述的換能器，其中所述第三層具有在所述第二層厚 度的1/10-1/1000范圍內的厚度。
9.根據前述權利要求的任一項所述的換能器，其中所述第二層具有在所述第一層厚 度的1/10-1/100范圍內的厚度。
10.根據前述權利要求的任一項所述的換能器，其中所述第二層具有比所述第一層的 介質擊穿更高的介質擊穿。
11.根據前述權利要求的任一項所述的換能器，其中所述第二層具有比所述第一層的 彈性模數更高的彈性模數。
12.根據前述權利要求的任一項所述的換能器，其中所述第二層包括選自由DuPont Teflon PFA膜構成的組中的膜。
13.根據前述權利要求的任一項所述的換能器，其中所述第一層包括凝膠材料。
14.根據權利要求13所述的換能器，其中所述凝膠材料是硅材料。
15.根據前述權利要求的任一項所述的換能器，包括與第一層交替的多個電極層。
16.一種用于換能器的復合材料，所述復合材料包括抵靠電極層布置的彈性材料的第 一層，所述電極層包括塑性可變形材料的第二層和導電材料的第三層。
17.根據權利要求16所述的復合材料，其中所述塑性可變形材料是熱塑材料。
18.一種以根據權利要求16或17所述的多種復合材料制成的換能器，所述復合材料 以堆疊方式布置。
19.一種制造用于EAP換能器的復合材料的方法，所述方法包括步驟-提供塑性可變形材料的膜；-向膜的內表面施加未硬化的彈性體；-通過所述塑性可變形材料的塑性變形來對所述膜重新整形；以及-使所述彈性體固化。
20.根據權利要求19所述的方法，其中在所述膜的重新整形期間使所述彈性體固化。
21.根據權利要求20所述的方法，其中對所述膜重新整形以在所述膜中提供波形形狀的圖案。
22.根據權利要求19-21所述的方法，其中通過使用加熱真空模具來使所述塑性可變 形材料塑性變形。
23.根據權利要求19-22的任一項所述的方法，其中以包括PTFE的材料制成所述膜。
24.根據權利要求19-23的任一項所述的方法，其中在重新整形之前，所述彈性體被 施加到所述膜。
25.根據權利要求19-24的任一項所述的方法，包括步驟將塑性可變形材料的附加 膜提供到所述彈性體上。
全文摘要
本發明提供一種用于在機械能和電能之間轉換的換能器。所述換能器包括EAP層壓體，該EAP層壓體具有在兩個電極層之間布置的彈性材料的層(2)，每個電極層包括塑性可變形材料的層(5)—例如金屬或熱塑材料—和導電材料的層(6)。由于塑性可變形材料的層，電極層可以被整形為可以提供換能器的各向異性特性的各種形狀。
文檔編號H01L41/047GK102067349SQ200980121555
公開日2011年5月18日 申請日期2009年6月4日 優先權日2008年6月9日
發明者基爾 H-E., 本斯利馬尼 M., 朱姆布魯姆 M., 特里森 M. 申請人:丹佛斯強力聚合公司