石墨烯驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)及性能研究

李 潤 李 亨,＊ 王可勝 姜心成

(1．合肥工業(yè)大學(xué)航空結(jié)構(gòu)件成形制造與裝備安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥230009；2．合肥中南光電有限公司，安徽 合肥231600)

0 引言

柔性智能驅(qū)動(dòng)器能將外部能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能輸出，在人工肌肉、仿生軟體機(jī)器人、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備等領(lǐng)域具有廣泛的潛在應(yīng)用，因而受到了極大的關(guān)注[1]。到目前為止，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了利用各種外部刺激，包括電、光以及磁場等驅(qū)動(dòng)的柔性智能驅(qū)動(dòng)器。其中，驅(qū)動(dòng)器通過光或電驅(qū)動(dòng)的方式因其獨(dú)特的特點(diǎn)而引起廣泛的研究。對于電響應(yīng)驅(qū)動(dòng)器，電刺激很容易獲得，操作簡單可控。對于光響應(yīng)驅(qū)動(dòng)器，可以實(shí)現(xiàn)無線通信驅(qū)動(dòng)，遠(yuǎn)程控制，且豐富的光源尤其是自然界無盡的太陽光彌補(bǔ)了電驅(qū)動(dòng)的缺點(diǎn)。因此這兩種類型的驅(qū)動(dòng)器可以相互補(bǔ)償進(jìn)一步擴(kuò)大實(shí)際應(yīng)用。然而，大多數(shù)驅(qū)動(dòng)器通常只能響應(yīng)其中一種刺激，這表明了對雙響應(yīng)驅(qū)動(dòng)器的探究是非常重要的。

材料成分是柔性驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的重要因素。石墨烯具有二維結(jié)構(gòu)[2]，優(yōu)異的電熱轉(zhuǎn)換以及光熱轉(zhuǎn)換特點(diǎn)，已經(jīng)得到了廣泛的研究和應(yīng)用。盡管石墨烯可以通過能量轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的熱效應(yīng)使自身產(chǎn)生機(jī)械變形,但它們需要結(jié)合熱膨脹材料來制備柔性驅(qū)動(dòng)器。此外，在含聚合物的雙層薄膜復(fù)合結(jié)構(gòu)中，聚合物通常作為軟質(zhì)材料在復(fù)合結(jié)構(gòu)中作為膨脹層，起到受熱膨脹的作用。在這項(xiàng)工作中，利用石墨烯的電熱轉(zhuǎn)換特性、聚合物的熱膨脹性能與雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合，制備了一種石墨烯基驅(qū)動(dòng)器。通過滴涂法制備石墨烯膜，接著將石墨烯粘貼在PET膜上。該制備方法快速易操作，且制備的石墨烯/聚合物雙層薄膜驅(qū)動(dòng)器可以對電和光刺激產(chǎn)生雙響應(yīng)變形。該雙層薄膜驅(qū)動(dòng)器可以將電能和光能轉(zhuǎn)換成熱能，電刺激下能夠快速的響應(yīng)變形，在8秒內(nèi)可以產(chǎn)生約5 mm的變形位移，同時(shí)該驅(qū)動(dòng)器也實(shí)現(xiàn)了光照刺激下，在8秒內(nèi)產(chǎn)生約6 mm的變形位移。由于該驅(qū)動(dòng)器優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)性能，該類型的雙層薄膜驅(qū)動(dòng)器可以用于設(shè)計(jì)仿生智能器件。我們設(shè)計(jì)了一朵人造花，在光刺激下展開，撤掉光源回復(fù)到原始形狀。這些結(jié)果表明石墨烯雙層薄膜驅(qū)動(dòng)器在人工肌肉，軟體機(jī)器人領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。

1 驅(qū)動(dòng)器制備及表征

1．1 石墨烯/聚合物雙層薄膜驅(qū)動(dòng)器的制備過程

還原氧化石墨烯薄膜的制備：氧化石墨烯溶液購自南京先豐納米材料科技有限公司，購得厚度為60μm的PET自黏膜。氫碘酸是購自國藥化學(xué)試劑有限公司。氧化石墨烯膜是通過滴加10 ml氧化石墨烯溶液（2 mg mL－1）在玻璃片上，然后在60°C下干燥。所得氧化石墨烯膜浸入氫碘酸溶液中1小時(shí)，獲得還原的氧化石墨烯膜。接著，將還原的氧化石墨烯膜用乙醇反復(fù)清洗，以去除殘留的氫碘酸，得到所需的石墨烯膜。

石墨烯聚合物雙層薄膜驅(qū)動(dòng)器的制備：在還原的氧化石墨烯膜上直接復(fù)合黏性的聚合物膜（PET）。然后將石墨烯聚合物雙層薄膜驅(qū)動(dòng)器切割成預(yù)先設(shè)計(jì)的形狀，以滿足在實(shí)驗(yàn)中的需求。

1.2 石墨烯膜的表征

氧化石墨烯具有和石墨烯相似的單分子層的二維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。不同的是，在氧化石墨烯表面存在大量的極性含氧官能團(tuán)如羥基、環(huán)氧基和羧基等，這些含氧官能團(tuán)的存在增加了石墨烯結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。石墨烯膜擁有很好的層狀結(jié)構(gòu)，且呈波紋狀。這種結(jié)構(gòu)與含氧官能團(tuán)的引入有很大關(guān)系?；鶊F(tuán)間通過氫鍵相連，所以其在縱向可以形成很好的層狀結(jié)構(gòu)。石墨烯膜具有和氧化石墨烯相同的層狀結(jié)構(gòu),其表面粗糙，原因可能是氫碘酸進(jìn)入氧化石墨烯夾層發(fā)生氧化還原反應(yīng)，導(dǎo)致表面出現(xiàn)大量褶皺。

2 驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)機(jī)理

雙層薄膜驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生彎曲變形的原因是由于兩層薄膜材料的熱膨脹系數(shù)差異所導(dǎo)致的，熱膨脹系數(shù)差異越大，整體的彎曲變形越大。為了使雙層薄膜結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)較大的彎曲變形，理想的設(shè)計(jì)是使其中一層具有正的熱膨脹系數(shù)，能夠受熱膨脹，而另一層具有受熱后收縮的性能，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以使熱膨脹系數(shù)差異最大化，最終的機(jī)械變形輸出也最大。根據(jù)此驅(qū)動(dòng)機(jī)理，我們設(shè)計(jì)了石墨烯/聚合物雙層薄膜驅(qū)動(dòng)器，在此雙層薄膜結(jié)構(gòu)中，聚合物（PET）的熱膨脹系數(shù)（CTE≈60×10-6K-1）較大，而另外一層石墨烯薄膜熱膨脹系數(shù)為負(fù)且擁有獨(dú)特的熱收縮性能，由不同熱膨脹系數(shù)材料組成的雙層薄膜結(jié)構(gòu)在受熱時(shí)雙層薄膜之間產(chǎn)生熱變形失配，最終雙層薄膜結(jié)構(gòu)整體向石墨烯層彎曲。

對石墨烯聚合物雙層薄膜驅(qū)動(dòng)器的電驅(qū)動(dòng)性能進(jìn)行了研究。為了形成電流流通回路，雙層薄膜結(jié)構(gòu)被切割成U型形狀。U型石墨烯聚合物雙層薄膜驅(qū)動(dòng)器的開口端用導(dǎo)電銀膠連接并固定到電極上，使另一端可自由變形。其中，石墨烯作為電熱轉(zhuǎn)換元件，使施加于雙層薄膜驅(qū)動(dòng)器電極兩端的電壓通過石墨烯層的電阻轉(zhuǎn)化為焦耳熱，同時(shí)，由于聚合物層與石墨烯層之間良好的界面結(jié)合，石墨烯層所產(chǎn)生的熱量可以快速有效地傳遞到聚合物層，導(dǎo)致聚合物層受熱膨脹。在收縮層與膨脹層的協(xié)同作用下，石墨烯聚合物雙層結(jié)構(gòu)在電刺激下向石墨烯側(cè)彎曲。當(dāng)電輸入中斷后，熱量停止產(chǎn)生并且逐漸向周圍環(huán)境消散，導(dǎo)致雙層結(jié)構(gòu)逐漸恢復(fù)到初始的位置。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 電響應(yīng)驅(qū)動(dòng)

我們探究了石墨烯/聚合物雙層薄膜驅(qū)動(dòng)器的電驅(qū)動(dòng)性能。當(dāng)對石墨烯/聚合物雙層薄膜驅(qū)動(dòng)器施加12 V的驅(qū)動(dòng)電壓，在U型回路中能夠產(chǎn)生約60 mA的電流，導(dǎo)致雙層薄膜驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生焦耳熱。因此，驅(qū)動(dòng)器向石墨烯側(cè)彎曲。電刺激8秒后，這種雙層薄膜驅(qū)動(dòng)器的位移變化約為5 mm，當(dāng)關(guān)閉電源后7秒后驅(qū)動(dòng)器回復(fù)原形，隨著施加的驅(qū)動(dòng)電壓從4V增加到12 V，驅(qū)動(dòng)位移也在逐漸增大。圖1a和圖1b表示在驅(qū)動(dòng)電壓4 V、6 V、8 V、10 V、12 V下，驅(qū)動(dòng)器的最大彎曲位移與最大溫度之間的關(guān)系。由圖可知，驅(qū)動(dòng)器的溫度變化與變形位移的變化基本一致。在電熱效應(yīng)中，輸出的熱能取決于輸入電源的大小，該驅(qū)動(dòng)器在增加驅(qū)動(dòng)電壓的同時(shí)溫度的升高可以清楚地觀察到，進(jìn)一步揭示當(dāng)電壓施加在電極上時(shí)的電熱效應(yīng)。隨著電壓的增加，導(dǎo)致雙層薄膜驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生更大的熱響應(yīng)變形，驅(qū)動(dòng)器的變形位移也越大，因此可以通過調(diào)整驅(qū)動(dòng)電壓來控制變形位移的大小。

3.2 光響應(yīng)驅(qū)動(dòng)

為了實(shí)現(xiàn)光驅(qū)動(dòng)，在驅(qū)動(dòng)之前將驅(qū)動(dòng)器裁剪成矩型形狀，此驅(qū)動(dòng)器的上端固定在玻璃片上，另一端可以自由變形。當(dāng)模擬太陽光的光源從右側(cè)照射，驅(qū)動(dòng)器向石墨烯側(cè)彎曲，并在8秒內(nèi)產(chǎn)生約6 mm的彎曲位移，撤掉光源時(shí)在6秒內(nèi)完全回復(fù)到原始形狀，展示了該驅(qū)動(dòng)器的光學(xué)驅(qū)動(dòng)也是完全可逆的。該驅(qū)動(dòng)器的變形幅度可以通過調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度來進(jìn)行調(diào)控。圖1c和圖1d給出了光驅(qū)動(dòng)過程中詳細(xì)的位移與溫度的變化，驅(qū)動(dòng)器的位移變化隨著光照強(qiáng)度從73 mW cm-2增加到208 mW cm-2，彎曲位移也逐漸變大，彎曲位移的變化和溫度變化一致，證實(shí)了該驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)主要是因?yàn)楣鉄嵝?yīng)。在石墨烯/聚合物的雙層薄膜驅(qū)動(dòng)器上，石墨烯吸收光并轉(zhuǎn)化為熱能，由于良好的介面接觸導(dǎo)致聚合物膜可以快速地接收到石墨烯的熱能使得雙層膜的溫度升高，石墨烯/聚合物雙層薄膜驅(qū)動(dòng)器整體產(chǎn)生彎曲。

圖1 驅(qū)動(dòng)器的電/光驅(qū)動(dòng)性能

由于石墨烯/聚合物雙層薄膜驅(qū)動(dòng)器具有響應(yīng)速度快，相對較低的工作溫度以及光/電刺激雙響應(yīng)的特點(diǎn)，特別是該驅(qū)動(dòng)器的雙響應(yīng)特性在仿生領(lǐng)域可以進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。為了證明其在仿生領(lǐng)域的應(yīng)用，在這里，我們設(shè)計(jì)了一種具有光響應(yīng)特點(diǎn)的人造花。如圖3所示，這朵花由四塊石墨烯/聚合物雙層薄膜驅(qū)動(dòng)器組成，在無任何外部刺激的情況下是處于閉合狀態(tài)。當(dāng)施加光照刺激，在2秒內(nèi)快速響應(yīng)，花瓣展開，當(dāng)撤銷光照刺激時(shí)，在3秒內(nèi)快速回復(fù)到原始形狀。

圖2 光驅(qū)動(dòng)下花朵的開放

4 結(jié)論

本文利用具有優(yōu)異的電熱和光熱轉(zhuǎn)換性能的石墨烯和具有良好的熱膨脹系數(shù)的聚合物制備了雙響應(yīng)的薄膜驅(qū)動(dòng)器。該類型的柔性驅(qū)動(dòng)器響應(yīng)速度快且變形可逆，歸因于石墨烯的電熱和光熱轉(zhuǎn)換能力，聚合物的熱膨脹特性以及雙層薄膜結(jié)構(gòu)。施加12 V的低電壓刺激，該驅(qū)動(dòng)器能夠在8秒內(nèi)產(chǎn)生5 mm的彎曲位移，光照后，該驅(qū)動(dòng)器能夠在8秒內(nèi)產(chǎn)生6 mm的位移?；谶@種雙響應(yīng)驅(qū)動(dòng)器，設(shè)計(jì)了一朵人造花，它能夠在光刺激下開花，并且在撤銷外部的光照刺激后，能夠回復(fù)到原始形狀。這些結(jié)果顯示了石墨烯/聚合物雙層薄膜驅(qū)動(dòng)器在先進(jìn)的智能仿生器件中具有良好的應(yīng)用前景。