專利名稱：一種光致彎曲柔性導電基板及其制備方法
技術領域：
本發明屬于仿生技術領域，具體涉及一種光致彎曲柔性導電基板及其制備方法。
背景技術：
20世紀中期以來，人們越來越深刻認識到大自然的啟發對于開發新材料和新技術的重要性，從而提出仿生學概念并建立仿生學這一學科。隨著研究的發展，仿生學已成為自然科學的一個前沿和焦點。進入21世紀以來，隨著機器人開發的不斷深入以及人們對智能機械系統的強烈需求，作為機器人和智能機械系統驅動關鍵的人工肌肉已成為仿生學的研究重點。肌肉是生物學上可收縮的組織，具有信息傳遞、能量傳遞、廢物排除、能量供給、傳動以及自我修復功能。而人工肌肉是指在光、電、熱、磁等激勵下會產生彎曲、伸縮等類似自然肌肉的力學形變的材料，可廣泛用于仿生機器人、開關、傳感器等。人類很早就致力于仿生物肌肉和人工肌肉的研發了。研發初期，形狀記憶合金被嘗試作為人工肌肉材料，雖然它具有高能量密度和低比重等特點，但是同樣存在許多不利因素，比如形變不可預知性，響應速度慢以及使用尺寸受限等，這些都制約了其在人工肌肉材料方面的發展。點火星陶瓷因響應速度較形狀記憶合金快，成為了人工肌肉的另一個備選材料，但是由于脆性大，只能獲得小于1%的應變，發展也受到限制。由于材料的問題，人工肌肉一度陷入緩慢發展期，直到一類新型材料電活性聚合物(Electroactive polymers,EAP)的出現。EAP可以產生應變比電活性陶瓷大兩個數量級，并且較形狀記憶金屬響應快、密度小、回彈性大，另外具有類似生物肌肉的高抗撕裂強度及固有的振動阻尼性能等。從上個世界90年初開始，基于電活性聚合物材料的人工肌肉驅動器得到快速發展。電活性聚合物材料是指能夠在電流、電壓或電場作用下產生物理形變的聚合物材料，其顯著特征是能將電能轉換為機械能。2003年，Ikeda和俞燕蕾等人首先報道了光致彎曲液晶彈性體薄膜，研究了紫外光和可見光照射后向列相液晶彈性體薄膜的彎曲和恢復行為。觀察液晶彈性體薄膜在紫外光的照射下朝著入射光方向彎曲，可見光照射后薄膜恢復到最初的平展狀態。他們發現薄膜的彎曲行為是各向異性的，只沿著摩擦方向彎曲，而且加熱和采用量溶劑溶脹的方法以促進分子鏈段得運動對實現光致彎曲很重要。隨后，他們進一步實現了液晶彈性體薄膜的方向可控光致彎曲，使得多疇向列相液晶彈性體薄膜可沿著任意方向重復的彎曲。與二維運動模式的光致收縮相比，光致彎曲模式在人工手臂，微型機器人的應用方面更具優勢。光致彎曲薄膜的出現有效的將光能轉換為機械能。日本東京工業大學池田富樹利用光致彎曲發明了光驅動馬達。只要馬達的一邊持續照射紫外線，在另外一段持續照射可見光，馬達即可持續運轉。利用光能這一可再生能源，并直接將其轉換為機械能將會進一步的促進人工智能材料領域的發展。但是，目前的研究主要是通過光致彎曲產生的薄膜形變，進而作為執行器的動力，通常照明裝置也是另外搭建的平臺，從而未能真正實現光致彎曲執行器或機器人的一體化和微型化。到目前為止，基于光致彎曲聚合物材料的導電基板還沒有任何相關的報道。該基板可以有機的將光致彎曲柔性襯底和新型導電薄膜結合在一起，為實現光致彎曲執行器與內置光源一體化工作開展提供基礎支持。因此，如果能夠制備光致彎曲柔性導電基板就可以實現光致彎曲執行器的一體化和微型化，加快光致彎曲材料在人工肌肉領域的更為廣泛的應用和更快速的發展。

發明內容
本發明所要解決的的技術問題是如何提供一種光致彎曲柔性導電基板及其制備方法，該基板既可以作為光致彎曲執行器，又可以作為作為導電薄膜實現導通電路功能，進而可以應用于實現光致彎曲執行器與光源一體化技術上。本發明的技術方案為
一種光致彎曲柔性導電基板，包括光致彎曲柔性襯底和導電層，所述光致彎曲柔性襯底為光致彎曲聚合物材料，導電層附著在光致彎曲柔性襯底表面。進一步地，所述導電層的厚度小于或等于200 nm。進一步地，所述光致彎曲聚合物材料為交聯液晶聚合物、液晶凝膠、液晶彈性體、單相液晶或多相液晶中的一種或者多種。進一步地，所述導電層為石墨烯、碳納米管、金屬單質納米線、金屬合金納米線、金屬異質結納米線、氧化鋅或聚合物電極材料中的一種或多種。進一步地，所述金屬單質納米線為鐵納米線、銅納米線、銀納米線、金納米線、鋁納米線、鎳納米線、鈷納米線、錳納米線、鎘納米線、銦納米線、錫納米線、鎢納米線或鉬納米線中的一種。進一步地，所述金屬合金納米線為銅鐵合金納米線、銀鐵合金納米線、金鐵合金納米線、招鐵合金納米線、鎳鐵合金納米線、鈷鐵合金納米線、猛鐵合金納米線、鎘鐵合金納米線、銦鐵合金納米線、錫鐵合金納米線、鎢鐵合金納米線、鉬鐵合金納米線、銀銅合金納米線、金銅合金納米線、鋁銅合金納米線、鎳銅合金納米線、鈷銅合金納米線、錳銅合金納米線、鎘銅合金納米線、銀銅合金納米線、錫銅合金納米線、鎢銅合金納米線、鉬銅合金納米線、金銀合金納米線、鋁銀合金納米線、鎳銀合金納米線、鈷銀合金納米線、錳銀合金納米線、鎘銀合金納米線、銦銀合金納米線、錫銀合金納米線、鎢銀合金納米線、鉬銀合金納米線、招金合金納米線、鎳金合金納米線、鈷金合金納米線、猛金合金納米線、鎘金合金納米線、銦金合金納米線、錫金合金納米線、鶴金合金納米線、鈷鎳合金納米線、猛鎳合金納米線、鎘鎳合金納米線、銦鎳合金納米線、錫鎳合金納米線、鎢鎳合金納米線、鉬鎳合金納米線、鎘錳合金納米線、銦錳合金納米線、錫錳合金納米線、鎢錳合金納米線、鉬錳合金納米線、銦鎘合金納米線、錫鎘合金納米線、鎢鎘合金納米線、鉬鎘合金納米線、錫銦合金納米線、鎢銦合金納米線、鉬銦合金納米線、鎢錫合金納米線、鉬錫合金納米線或鉬鎢合金納米線中的一種。進一步地，所述金屬異質結納米線為銅鐵異質結納米線、銀鐵異質結納米線、金鐵異質結納米線、鋁鐵異質結納米線、鎳鐵異質結納米線、鈷鐵異質結納米線、錳鐵異質結納米線、鎘鐵異質結納米線、銦鐵異質結納米線、錫鐵異質結納米線、鎢鐵異質結納米線、鉬鐵異質結納米線、銀銅異質結納米線、金銅異質結納米線、鋁銅異質結納米線、鎳銅異質結納米線、鈷銅異質結納米線、錳銅異質結納米線、鎘銅異質結納米線、銀銅異質結納米線、錫銅異質結納米線、鎢銅異質結納米線、鉬銅異質結納米線、金銀異質結納米線、鋁銀異質結納米線、鎳銀異質結納米線、鈷銀異質結納米線、錳銀異質結納米線、鎘銀異質結納米線、銦銀異質結納米線、錫銀異質結納米線、鎢銀異質結納米線、鉬銀異質結納米線、鋁金異質結納米線、鎳金異質結納米線、鈷金異質結納米線、錳金異質結納米線、鎘金異質結納米線、銦金異質結納米線、錫金異質結納米線、鎢金異質結納米線、鈷鎳異質結納米線、錳鎳異質結納米線、鎘鎳異質結納米線、銦鎳異質結納米線、錫鎳異質結納米線、鎢鎳異質結納米線、鉬鎳異質結納米線、鎘錳異質結納米線、銦錳異質結納米線、錫錳異質結納米線、鎢錳異質結納米線、鉬錳異質結納米線、銦鎘異質結納米線、錫鎘異質結納米線、鎢鎘異質結納米線、鉬鎘異質結納米線、錫銦異質結納米線、鎢銦異質結納米線、鉬銦異質結納米線、鎢錫異質結納米線、鉬錫異質結納米線或鉬鎢異質結納米線中的一種。進一步地，所述聚合電極材料為聚(3，4-亞乙二氧基噻吩)_聚(苯乙烯磺酸)或3，4-聚乙烯二氧噻吩。本發明還公開了一種光致彎曲柔性導電基板的制備方法，包括以下步驟
①對表面粗糙度小于Inm的剛性基板(如玻璃或硅片)進行清洗，清洗后用干燥氮氣吹
干;
②采取滴涂或旋涂或噴涂或自組裝或噴墨打印或絲網印刷或輥涂或的方式在潔凈的剛性基板上制備導電層；
③在導電層上滴涂或旋涂或噴涂光致彎曲聚合物材料；
④對制備好導電層和光致彎曲柔性襯底的基片進行烘烤，然后采用紫外燈照射聚合；
⑤將固化粘結后的導電層和光致彎曲柔性襯底從剛性基板表面剝離，形成光致彎曲柔性導電基板；
⑥用紫外線照射光致彎曲柔性導電基板，根據彎曲特性確定材料液晶取向方向，然后沿取向方向切割材料至標準試件尺寸；
⑦測試柔性導電基板的光致彎曲特性、方阻和表面形貌。本發明與現有技術相比具有如下的有益效果
通過制備同時光致彎曲能力和導電能力的柔性基板，可以實現光致彎曲執行器與光源一體化和微型化，加快光致彎曲材料在人工肌肉領域的更為廣泛的應用和更快速的發展。


圖1是本發明的光致彎曲柔性導電基板的結構示意 其中，1、光致彎曲柔性襯底，2、導電層。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本發明作進一步說明。本發明的技術方案是提供一種光致彎曲柔性導電基板及其制備方法，如圖1所示，光致彎曲柔性導電基板的結構包括光致彎曲柔性襯底1，導電層2。導電層2通過熱交聯和紫外固化的方法很好的附著在光致彎曲柔性襯底I表面。本發明的光致彎曲柔性導電基板中的光致彎曲柔性襯底I在紫外光照射下會彎曲，在可見光照射下會平展，并且可以進行反復多次彎曲和平展測試。光致彎曲聚合物材料采用交聯液晶聚合物、液晶凝膠、液晶彈性體、單相液晶、多相液晶中的一種或者多種。本發明的光致彎曲柔性導電基板中的導電層2要求有較好的導電性能，可見光透過率高，包括石墨烯、碳納米管、金屬單質納米線、金屬合金納米線、金屬異質結納米線、氧化鋅、聚合物電極材料中的一種或多種。采用本發明制備的光致彎曲柔性導電基板的結構如下
光致彎曲柔性襯底/導電層
實施例1
如圖1所示，基板的光致彎曲柔性襯底I為交聯液晶聚合物，導電層2為碳納米管，所述導電層厚度為200 nm。整個器件結構描述為
交聯液晶聚合物/碳納米管 制備方法如下
①利用丙酮、乙醇溶液和去離子水對表面粗糙度小于I nm的玻璃基片表面進行超聲清洗，清洗后用干燥氮氣吹干。②采用旋涂的方法制備碳納米管導電層，旋涂時轉速為1000轉/秒，時長30s，膜厚200 nm，然后對基片進行130°C熱退火；
③將交聯液晶聚合物滴涂在基板上，先將基板加熱至100°C，加熱10分鐘。然后降溫至清亮點84°C，用波長為545 nm，光強為2. 4 mff/cm2的紫外燈引發下聚合3小時固化。④將固化后的光致彎曲柔性導電基板從剛性玻璃上剝離下來，然后采用254 nm紫外線照射，根據彎曲特性，確定液晶取向方向，然后沿取向方向剪裁基板，獲得標準尺寸試件。⑤將做好的光致彎曲柔性導電基板放置在手套箱中進行測試，手套箱為99. 9%的氮氣氛圍。主要測試柔性導電基板的光致彎曲特性、方阻。⑥采用SEM測試薄膜的表面形貌。實施例2
如圖1所示，基板的光致彎曲柔性襯底I為液晶凝膠，導電層為銀納米線，所述導電層厚度為180 nm。整個器件結構描述為
液晶凝膠/銀納米線 制備流程與實施例1相似。實施例3
如圖1所示，基板的光致彎曲柔性襯底I為液晶彈性體，導電層2為銀納米線，所述導電層的厚度為160 nm。整個器件結構描述為
液晶彈性體/金納米線 制備流程與實施例1相似。實施例4
如圖1所示，基板的光致彎曲柔性襯底I為單相液晶，導電層2為銅納米線，所述導電層的厚度為140 nm。整個器件結構描述為
單相液晶/銅納米線 制備流程與實施例1相似。實施例5 如圖1所示，基板的光致彎曲柔性襯底I為多相液晶，導電層2為聚(3，4-亞乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)，所述導電層的厚度為120 nm。整個器件結構描述為
多相液晶/聚(3，4-亞乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)
制備流程與實施例1相似。實施例6
如圖1所示，基板的光致彎曲柔性襯底I為多相液晶，導電層2為聚(3，4-亞乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)與銀納米線混合導電薄膜，所述導電層的厚度為100 nm。整個器件結構描述為
多相液晶/聚(3，4-亞乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)銀納米線 制備流程與實施例1相似。實施例7
如圖1所示，基板的光致彎曲柔性襯底I為單相液晶，導電層2為氧化鋅，所述導電層的厚度為80 nm。整個器件結構描述為
單相液晶/氧化鋒 制備流程與實施例1相似。實施例8
如圖1所示，基板的光致彎曲柔性襯底I為液晶彈性體，導電層2為石墨烯與銀納米線混合導電薄膜，所述導電層的厚度為60 nm。整個器件結構描述為
液晶彈性體/石墨烯銀納米線 制備流程與實施例1相似。實施例9
如圖1所示，基板的光致彎曲柔性襯底I為液晶凝膠，導電層為聚(3，4-亞乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)與石墨烯混合導電薄膜，所述導電層的厚度為40 nm。整個器件結構描述為
液晶凝膠/聚(3，4-亞乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)石墨烯 制備流程與實施例1相似。實施例10
如圖1所示，基板的光致彎曲柔性襯底I為液晶彈性體，導電層2為石墨烯，所述導電層的厚度為10 nm。整個器件結構描述為
液晶彈性體/石墨稀 制備流程與實施例1相似。實施例11
如圖1所示，基板的光致彎曲柔性襯底I為單相液晶，導電層2為金銀合金納米線，所述導電層的厚度為90 nm。整個器件結構描述為
單相液晶/金銀合金納米線 制備流程與實施例1相似。實施例12
如圖1所示，基板的光致彎曲柔性襯底I為單相液晶，導電層2為金銀合金納米線與石墨烯混合導電薄膜，所述導電層的厚度為150 nm。整個器件結構描述為 單相液晶/金銀合金納米線石墨烯 制備流程與實施例1相似。實施例13
如圖1所示，基板的光致彎曲柔性襯底I為多相液晶，導電層2為金銅合金納米線，所述導電層的厚度為130 nm。整個器件結構描述為
多相液晶/金銅合金納米線 制備流程與實施例1相似。實施例14
如圖1所示，基板的光致彎曲柔性襯底I為多相液晶，導電層2為銀銅合金納米線。整個器件結構描述為
多相液晶/銀銅合金納米線(135 nm)
制備流程與實施例1相似。實施例15
如圖1所示，基板的光致彎曲柔性襯底I為液晶彈性體，導電層2為鎳銀合金納米線，所述導電層的厚度為110 nm。整個器件結構描述為
液晶彈性體/鎳銀合金納米線 制備流程與實施例1相似。實施例16
如圖1所示，基板的光致彎曲柔性襯底I為液晶彈性體，導電層為銀鎳合金納米線，所述導電層的厚度為170 nm。整個器件結構描述為
液晶彈性體/銀鎳合金納米線 制備流程與實施例1相似。實施例17
如圖1所示，基板的光致彎曲柔性襯底I為液晶彈性體，導電層為銀鎳異質結納米線，所述導電層厚度為120 nm。整個器件結構描述為
液晶彈性體/銀鎳異質結納米線 制備流程與實施例1相似。實施例18
如圖1所示，基板的光致彎曲柔性襯底I為液晶凝膠，導電層為銅鈷異質結納米線，所述導電層的厚度為170 nm。整個器件結構描述為
液晶彈性體/銅鈷異質結納米線(90 nm)
制備流程與實施例1相似。實施例19
如圖1所示，基板的光致彎曲柔性襯底I為多相液晶，導電層為鎢鎳異質結納米線，所述導電層厚度為50 nm。整個器件結構描述為
液晶彈性體/鎢鎳異質結納米線 制備流程與實施例1相似。實施例20
如圖1所示，基板的光致彎曲柔性襯底I為多相液晶，導電層為鎢鎳異質結納米線與石墨烯混合導電薄膜，所述導電層厚度為110 nm。整個器件結構描述為 液晶彈性體/鎢鎳異質結納米線石墨烯 制備流程與實施例1相似。
權利要求
1.一種光致彎曲柔性導電基板，其特征在于包括光致彎曲柔性襯底和導電層，所述光致彎曲柔性襯底為光致彎曲聚合物材料，導電層附著在光致彎曲柔性襯底表面。
2.根據權利要求1所述的一種光致彎曲柔性導電基板，其特征在于所述光致彎曲聚合物材料為交聯液晶聚合物、液晶凝膠、液晶彈性體、單相液晶或多相液晶中的一種或者多種。
3.根據權利要求1所述的一種光致彎曲柔性導電基板，其特征在于所述導電層的厚度小于或等于200 nm。
4.根據權利要求1所述的一種光致彎曲柔性導電基板，其特征在于所述導電層為石墨烯、碳納米管、金屬單質納米線、金屬合金納米線、金屬異質結納米線、氧化鋅或聚合物電極材料中的一種或多種。
5.根據權利要求4所述的一種光致彎曲柔性導電基板，其特征在于所述金屬單質納米線為鐵納米線、銅納米線、銀納米線、金納米線、鋁納米線、鎳納米線、鈷納米線、錳納米線、鎘納米線、銦納米線、錫納米線、鎢納米線或鉬納米線中的一種。
6.根據權利要求4所述的一種光致彎曲柔性導電基板，其特征在于所述金屬合金納米線為銅鐵合金納米線、銀鐵合金納米線、金鐵合金納米線、鋁鐵合金納米線、鎳鐵合金納米線、鈷鐵合金納米線、錳鐵合金納米線、鎘鐵合金納米線、銦鐵合金納米線、錫鐵合金納米線、鎢鐵合金納米線、鉬鐵合金納米線、銀銅合金納米線、金銅合金納米線、鋁銅合金納米線、鎳銅合金納米線、鈷銅合金納米線、猛銅合金納米線、鎘銅合金納米線、銀銅合金納米線、錫銅合金納米線、鎢銅合金納米線、鉬銅合金納米線、金銀合金納米線、鋁銀合金納米線、鎳銀合金納米線、鈷銀合金納米線、錳銀合金納米線、鎘銀合金納米線、銦銀合金納米線、錫銀合金納米線、鎢銀合金納米線、鉬銀合金納米線、鋁金合金納米線、鎳金合金納米線、鈷金合金納米線、猛金合金納米線、鎘金合金納米線、銦金合金納米線、錫金合金納米線、鶴金合金納米線、鈷鎳合金納米線、猛鎳合金納米線、鎘鎳合金納米線、銦鎳合金納米線、錫鎳合金納米線、鶴鎳合金納米線、鉬鎳合金納米線、鎘猛合金納米線、銦猛合金納米線、錫錳合金納米線、鎢錳合金納米線、鉬錳合金納米線、銦鎘合金納米線、錫鎘合金納米線、鎢鎘合金納米線、鉬鎘合金納米線、錫銦合金納米線、鎢銦合金納米線、鉬銦合金納米線、鎢錫合金納米線、鉬錫合金納米線或鉬鎢合金納米線中的一種。
7.根據權利要求4所述的一種光致彎曲柔性導電基板，其特征在于所述金屬異質結納米線為銅鐵異質結納米線、銀鐵異質結納米線、金鐵異質結納米線、鋁鐵異質結納米線、鎳鐵異質結納米線、鈷鐵異質結納米線、錳鐵異質結納米線、鎘鐵異質結納米線、銦鐵異質結納米線、錫鐵異質結納米線、鎢鐵異質結納米線、鉬鐵異質結納米線、銀銅異質結納米線、金銅異質結納米線、鋁銅異質結納米線、鎳銅異質結納米線、鈷銅異質結納米線、錳銅異質結納米線、鎘銅異質結納米線、銀銅異質結納米線、錫銅異質結納米線、鎢銅異質結納米線、鉬銅異質結納米線、金銀異質結納米線、鋁銀異質結納米線、鎳銀異質結納米線、鈷銀異質結納米線、錳銀異質結納米線、鎘銀異質結納米線、銦銀異質結納米線、錫銀異質結納米線、鎢銀異質結納米線、鉬銀異質結納米線、鋁金異質結納米線、鎳金異質結納米線、鈷金異質結納米線、錳金異質結納米線、鎘金異質結納米線、銦金異質結納米線、錫金異質結納米線、鎢金異質結納米線、鈷鎳異質結納米線、錳鎳異質結納米線、鎘鎳異質結納米線、銦鎳異質結納米線、錫鎳異質結納米線、鎢鎳異質結納米線、鉬鎳異質結納米線、鎘錳異質結納米線、銦錳異質結納米線、錫錳異質結納米線、鎢錳異質結納米線、鉬錳異質結納米線、銦鎘異質結納米線、錫鎘異質結納米線、鎢鎘異質結納米線、鉬鎘異質結納米線、錫銦異質結納米線、鎢銦異質結納米線、鉬銦異質結納米線、鎢錫異質結納米線、鉬錫異質結納米線或鉬鎢異質結納米線中的一種。
8.根據權利要求4所述的一種光致彎曲柔性導電基板，其特征在于所述聚合電極材料為聚(3，4-亞乙二氧基噻吩)_聚(苯乙烯磺酸)或3，4-聚乙烯二氧噻吩。
9.一種光致彎曲柔性導電基板的制備方法，包括以下步驟 ①對表面粗糙度小于Inm的剛性基板進行清洗，清洗后用干燥氮氣吹干； ②采取滴涂或旋涂或噴涂或自組裝或噴墨打印或絲網印刷或輥涂或的方式在潔凈的剛性基板上制備導電層； ③在導電層上滴涂或旋涂或噴涂光致彎曲聚合物材料； ④對制備好導電層和光致彎曲柔性襯底的基片進行烘烤，然后采用紫外燈照射聚合； ⑤將固化粘結后的導電層和光致彎曲柔性襯底從剛性基板表面剝離，形成光致彎曲柔性導電基板； ⑥用紫外線照射光致彎曲柔性導電基板，根據彎曲特性確定材料液晶取向方向，然后沿取向方向切割材料至標準試件尺寸； ⑦測試柔性導電基板的光致彎曲特性、方阻和表面形貌。
全文摘要
本發明公開了一種光致彎曲柔性導電基板及其制備方法，包括光致彎曲柔性襯底和導電層，所述光致彎曲柔性襯底為光致彎曲聚合物材料，導電層附著在光致彎曲柔性襯底表面。通過制備同時具備光致彎曲能力和導電能力的柔性基板，可以實現光致彎曲執行器與光源一體化和微型化，加快光致彎曲材料在人工肌肉領域的更為廣泛的應用和更快速的發展。
文檔編號B32B33/00GK103029355SQ201210502
公開日2013年4月10日 申請日期2012年11月30日 優先權日2012年11月30日
發明者陳珉, 于軍勝, 馬柱, 鄭毅帆 申請人:電子科技大學