一种电致动氧化石墨烯/金属双层薄膜及其制备方法

摘要

本发明涉及一种电致动氧化石墨烯/金属双层薄膜及其制备方法，所述薄膜为非对称薄膜，且氧化石墨烯薄膜内部具有狭缝状柔性的孔洞。制备方法包括：将氧化石墨分散液经过细胞粉碎，得到氧化石墨烯溶胶，热蒸发，得到氧化石墨烯薄膜；将氧化石墨烯薄膜通过高真空电阻蒸发镀膜法蒸镀金属，得到电致动氧化石墨烯/金属双层薄膜。本发明的制备方法简单、成本低，可规模化生产，所获得的氧化石墨烯/金属双层薄膜具有稳定的结构和优良的电致形变性能，在柔性电致动器、微型机器人和人造肌肉等领域具有重要应用价值。

说明书

技术领域

本发明属于电致动薄膜领域，特别涉及一种电致动氧化石墨烯/金属双层薄膜及其制备方 法。

背景技术

致动材料可以定义为一种材料或者系统，在外界环境诸如光、电、热、气氛、磁场和压 力等激发源的刺激下做出能重复的改变位置或形态的响应能力，具有此类性能的材料我们称 为致动材料。根据材料的性质不同，致动材料则分为无机致动材料(形状记忆合金、电活性陶 瓷等)和有机致动材料(高分子液晶材料、电致动聚合物材料和电活性橡胶等)。而致动材料按 其受外界刺激因素不同主要可分为：电致动材料，光致动材料，磁致动材料，热致动材料以 及化学环境致动材料等。

致动材料的控制是材料能够实际应用的关键。对于现代生活来说，电是相对容易并且方 便控制的因素，我们可以通过调节电压或者电流的大小，随意的改变电信号的强弱，来调控 致动材料的物理性能和结构形状，因此电致动材料作为智能致动的多功能化应用提供了很好 的发展方向。常规的电致动材料有形状记忆合金、电活性陶瓷、高分子液晶材料、电致动聚 合物材料、电活性橡胶等。电活性陶瓷的响应速度快，但是脆性大，只能获得1％的应变，常 用做数码相机的电动对焦器件。有机的电致动材料高分子液晶高分子液晶材料、电致动聚合 物材料、电活性橡胶等的稳定性比较弱。由此可知，现有的关于电致动材料的大量科研工作 仍存在很多问题：1、形状记忆合金、电活性陶瓷的质量大，形变需要的电压大，无法很好的 应用在日常生活中；2、无机类的电动材料电刺激下机械形变量小，极大的限制其应用；3、 高分子液晶材料和电活性聚合物等电致动材料的化学稳定性、耐热差，限制了电致动材料的 推广应用。

2004年英国科学家首次分离制备出石墨烯以来，其特殊的结构和优异的性能吸引了广大 科研人员的关注。目前，以石墨烯片层为单元制备不同维度的宏观石墨烯基材料已经有大量 研究，然而电致动石墨烯基材料的研究极少有文献报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种电致动氧化石墨烯/金属双层薄膜及其制备方法， 该方法简单、成本低，可规模化生产，所获得的氧化石墨烯/金属双层薄膜具有稳定的结构和 优良的电致形变性能。

本发明的一种电致动氧化石墨烯/金属双层薄膜，所述薄膜为非对称薄膜，且氧化石墨烯 薄膜内部具有狭缝状柔性的孔洞。

所述孔洞的孔径为0.1μm～10μm。

所述电致动氧化石墨烯/金属双层薄膜的厚度为1μm～100μm。

本发明的一种电致动氧化石墨烯/金属双层薄膜的制备方法，包括：

(1)将氧化石墨分散液经过细胞粉碎，得到氧化石墨烯溶胶，热蒸发，得到氧化石墨烯 薄膜；

(2)将步骤(1)得到的氧化石墨烯薄膜通过高真空电阻蒸发镀膜法蒸镀金属，得到电 致动氧化石墨烯/金属双层薄膜。

所述步骤(1)中氧化石墨分散液的浓度为2～30mg/mL；溶剂为蒸馏水。

所述氧化石墨分散液为：将氧化石墨加入蒸馏水中配成一定的浓度的分散液。

所述步骤(1)中细胞粉碎的时间为1～10h。

所述细胞粉碎采用细胞粉碎仪。

所述步骤(1)中热蒸发的温度为40～80℃，时间为5～20h。

所述热蒸发的方式为：将氧化石墨烯溶胶置于聚四氟乙烯或聚丙烯等培养皿中，然后在 烘箱中进行热蒸发。

所述步骤(2)中高真空电阻蒸发镀膜法的条件为真空度小于3×10^-3Pa；蒸镀金属速率为 0.1～5nm/s；蒸镀金属的时间为30～300s。

所述步骤(2)中金属为铝、铜、银或金。

本发明提出了用溶剂蒸发法和高真空电阻蒸发镀膜法制备一种电致动氧化石墨烯/金属 双层薄膜的方法，该方法易操作，成本低，具有广泛的应用前景。

通过控制氧化石墨烯溶胶的浓度、体积和高真空蒸镀金属的速率和时间来制备不同厚度 的氧化石墨烯/金属双层薄膜，制备可控性好，获得的氧化石墨烯/金属双层薄膜两侧具有明显 的物理化学性质差异，赋予了非对称薄膜在外界刺激时产生非对称的响应，即在加电流时该 薄膜两侧出现力的不平衡，宏观上表现出电致变形的效果。

所述非对称电致动材料是由氧化石墨烯薄膜和金属薄膜组装而成：用细胞粉碎仪剥离水 中的氧化石墨得到氧化石墨烯溶胶，将氧化石墨烯溶胶倒入聚四氟乙烯、聚丙烯等培养皿并 置于烘箱中，水分蒸干后获得氧化石墨烯薄膜，用高真空电阻蒸发镀膜机在氧化石墨烯薄膜 的单侧表面蒸镀金属铝、铜、银和金等金属，即得氧化石墨烯/金属双层薄膜。

本方法通过特殊两步的成膜方法制备非对称的薄膜，该薄膜两侧成分截然不同且各自稳 定，通过蒸发溶剂的方法获得的氧化石墨烯薄膜内部具有大量狭缝状柔性的孔洞，使之在外 界刺激下更容易发生机械变形。在相同的电刺激下，氧化石墨烯层和金属层不同的机械响应 是该薄膜电致动表现的根本原因。

有益效果

(1)本发明的操作方法简单，制备过程方便快速；

(2)本发明所制备的电致动氧化石墨烯/金属双层薄膜具有优异的电化学稳定性，能够在 加电压的情况下较快的产生机械形变并恢复到初始状态，在其变形的过程中电导率基本不发 生变化；

(3)本发明所制备的电致动氧化石墨烯/金属双层薄膜与传统的电动机、齿轮、链条和皮 带等传动方式相比有其特殊的优势，该电致动过程没有复杂机械装置，摩擦损耗小、便于微 型化具有较高的电能向机械能转化效率，在柔性电致动器、微型机器人和人造肌肉等领域具 有重要应用价值。

附图说明

图1为实施例1中氧化石墨烯/金双层薄膜的制备过程；

图2为实施例1中氧化石墨烯/金双层薄膜的XRD图；

图3为实施例1中氧化石墨烯/金双层薄膜的SEM图；其中，a为薄膜断面图；b为薄膜断面 靠近金侧的局部放大电镜图，c、d分别为薄膜的氧化石墨烯侧和金侧的表面电镜图；

图4为实施例1中氧化石墨烯/金双层薄膜在5V直流电下的电致动变形的红外热成型图像；

图5为实施例2中氧化石墨烯/金双层薄膜在4V直流电下的电致动变形的红外热成型图像(a) 和数码照片(b)；

图6为实施例2中氧化石墨烯/金双层薄膜在4V间隔直流电下的时间-电流曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不 用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可 以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

在室温下，称取氧化石墨120mg，置于100mL的烧杯中，然后加蒸馏水60mL配成浓 度为2mg/mL的分散液，然后用细胞粉碎仪处理2h得到氧化石墨烯溶胶60mL；将60mL 氧化石墨烯溶胶倒入直径为15cm聚四氟乙烯培养皿中，随后将盛有氧化石墨烯溶胶的聚四 氟乙烯培养皿置于60℃烘箱温度中保温8h，即得到氧化石墨烯薄膜；将制备的氧化石墨烯 薄膜固定在高真空电阻蒸发镀膜机蒸镀板上，采用金作为蒸镀源材料，打开真空镀膜机，分 别打开机械泵和分子泵抽真空，待真空度小于3×10^-3Pa时，打开蒸镀电源，调节金的蒸镀速 率至0.4nm/s，蒸镀200s即可得到氧化石墨烯/金双层薄膜。图1详细的描述了制备氧化石墨 烯/金双层薄膜的具体过程，从图1的第3、5步可以清晰的看出，采用蒸发法和高真空电阻 蒸法镀膜法可以便捷、大面积的制备氧化石墨烯薄膜和氧化石墨烯/金双层薄膜。图2为本实 施例制备的氧化石墨烯/金双层薄膜的XRD图谱，可以看出：氧化石墨烯薄膜和氧化石墨烯/ 金双层薄膜在2θ＝10.5°时有相同的峰，说明蒸发法制备的氧化石墨烯薄膜具有类似抽滤、 刮涂法获得的石墨烯薄膜的层层堆叠结构，通过高真空电阻蒸发镀膜法蒸镀金后氧化石墨烯 侧的结晶状态没有变化；氧化石墨烯/金薄膜的2θ＝38.4°和2θ＝44.4°存在两个衍射峰，分别 对应着金单质的(111)和(200)晶面，对应着金的PDFNo.65-2870卡片。图3是氧化石墨烯/ 金双层薄膜的场发射扫描电镜图片：a为薄膜断面的电镜图片，b为薄膜断面靠近金侧的局部 放大电镜图，c、d分别为薄膜的氧化石墨烯侧和金侧的表面电镜图片，从电镜上可以看出该 薄膜非对称的结构。将氧化石墨烯/金双层薄膜如图4示意图悬挂并接通直流电，前30s是接 通5V直流电薄膜的变形过程，30s以后无电压薄膜的恢复过程，该过程可多次重复，具有 很好的稳定性。

实施例2

在室温下，称取氧化石墨300mg，置于100mL的烧杯中，然后加蒸馏水60mL配成浓 度为2mg/mL的分散液，然后用细胞粉碎仪处理2h得到氧化石墨烯溶胶60mL；将60mL 氧化石墨烯溶胶倒入直径为15cm聚四氟乙烯培养皿中，随后将盛有氧化石墨烯溶胶的聚四 氟乙烯培养皿置于60℃烘箱温度中保温10h，即得到氧化石墨烯薄膜；将制备的氧化石墨烯 薄膜固定在高真空电阻蒸发镀膜机蒸镀板上，采用金作为蒸镀源材料，打开真空镀膜机，分 别打开机械泵和分子泵抽真空，待真空度小于3×10^-3Pa时，打开蒸镀电源，调节金的蒸镀速 率至0.4nm/s，蒸镀200s即可得到氧化石墨烯/金双层薄膜。用激光裁剪成如图5所示，在加 4V直流电压时卷曲的薄膜电致变形情况，由此可知，该氧化石墨烯/金薄膜不仅有较好的电 致动性能，而且还可以通过形状设计，实现变形的多样性。图6是该氧化石墨烯/金薄膜在4V 间隔直流电下循环200次的时间-电流曲线，由图看出该薄膜循环变形过程中电流稳定，说明 该电致动薄膜在其变形的过程中电导率基本不发生变化。

实施例3

在室温下，称取氧化石墨120mg，置于100mL的烧杯中，然后加蒸馏水60mL配成浓 度为？mg/mL的分散液，然后用细胞粉碎仪处理2h得到氧化石墨烯溶胶60mL；将60mL 氧化石墨烯溶胶倒入直径为15cm聚四氟乙烯培养皿中，随后将盛有氧化石墨烯溶胶的聚四 氟乙烯培养皿置于60℃烘箱温度中保温8h，即得到氧化石墨烯薄膜；将制备的氧化石墨烯 薄膜固定在高真空电阻蒸发镀膜机蒸镀板上，采用银作为蒸镀源材料，打开真空镀膜机，分 别打开机械泵和分子泵抽真空，待真空度小于3×10^-3Pa时，打开蒸镀电源，调节金的蒸镀速 率至0.4nm/s，蒸镀200s即可得到氧化石墨烯/银双层薄膜。