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WO2005115910A1 - Aktor auf der basis geometrisch anisotroper nanopartikel - Google Patents

Aktor auf der basis geometrisch anisotroper nanopartikel Download PDF

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WO2005115910A1
WO2005115910A1 PCT/EP2005/004053 EP2005004053W WO2005115910A1 WO 2005115910 A1 WO2005115910 A1 WO 2005115910A1 EP 2005004053 W EP2005004053 W EP 2005004053W WO 2005115910 A1 WO2005115910 A1 WO 2005115910A1
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WO
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actuator
actuator according
webs
nanoparticles
electrode
Prior art date
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PCT/EP2005/004053
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English (en)
French (fr)
Inventor
Torsten Koker
Ulrich Gengenbach
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Original Assignee
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
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Publication date
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Priority to EP05733845A priority patent/EP1748952A1/de
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Ceased legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Definitions

  • the invention relates to an actuator, in particular a translation or bending actuator, based on electrically and mechanically contacted geometrically anisotropic nanoparticles, in particular tubes or fibers with diameters in the nanometer range, for example carbon nanotubes, according to the first claim.
  • Actuators are used to convert electrical energy directly into a mechanical actuating movement and thus form essential components for many technical systems, especially in robotics or switching technology.
  • Actuators of the type mentioned at the outset are based on so-called electromechanical functional materials. In the case of such materials, a change in the shape or the mechanical properties are in direct interaction with an applied electrical current, an electrical field or an electrical voltage. Typical representatives of these actuators are based on piezoelectric or electrostrictive materials.
  • Actuators with nanotubes represent a new and particularly interesting concept.
  • CNTs are exceptionally thermally and chemically stable.
  • the length of CNTs is approximately 100 nm to well over 100 ⁇ m. If charges are injected into the CNTs via a voltage or current source, an electrochemical double layer is formed with the electrolytes. This double layer changes the length of the covalent bonds between the carbon atoms and thus the length and the diameter of the CNT.
  • the tensile strength of CNTs is 30,000 N / mm 2 (in comparison: high-strength steel: approx. 1,900 N / mm 2 , high-strength carbon fibers: approx. 4,900 N / mm 2 ), with an elongation at break (in the tensile test) of over 5% becomes.
  • CNTs Basically, two designs of CNTs are common, namely single-walled (single-walled carbon nanotubes, SWCNTs) and multi-walled (multi-walled carbon nanotubes, MWCNTs).
  • Single-walled CNTs are seamless hollow cylinders that consist of a graphite layer wound around the tube axis.
  • SWCNTS are preferably formed into tube clusters with a preferred orientation, whereby the individual SWCNTs are held together by van der Waals forces.
  • a reliable statement about the electrical properties of SWCNT clusters is currently not possible because the individual SWCNTs do not have uniform helicities and therefore have different electrical properties.
  • the electrical properties of CNT clusters also depend on which SWCNTs (metallic or semiconducting) of a pipe cluster can be electrically contacted.
  • SWCNTs range in diameter from 0.4 to 5 nm.
  • Multi-walled CNTs mentioned for example in [3]
  • MWCNTs Multi-walled CNTs
  • SWCNTs SWCNTs
  • a statement about the electrical properties is problematic, since the individual SWCNTs of a MWCNT have fundamentally different helicities and thus different electrical properties.
  • the access of the electrolyte is practically only unhindered to the outside CNT.
  • CNTs metallic or semiconducting
  • Usual outside diameters of MWCNTs are in the range from 1.4 to 200 nm.
  • the modulus of elasticity of individual SWCNTs is approximately 1,000,000 N / mm 2 (in comparison: steel at approx. 210,000 N / mm 2 ). It is fundamentally larger than that of SWCNT clusters, since the individual CNTs in a cluster are only held together by van der Waals forces.
  • the modulus of elasticity of MWCNTs is influenced by the introduction of force into the MWCNT and at most reaches the values of individual SWCNTs. If the force is idealized in and out via the same tube of a MWCNT, the modulus of elasticity is comparable to that of a SWCNT. If the force is introduced and discharged via different SWCNTs, a telescope-like system is created, the elastic modulus of which cannot be sensibly determined.
  • CNTs are particularly interesting for actuators for applications in microsystem, medical or nanotechnology as well as for biomedical applications (e.g. as an artificial muscle).
  • Such actuators have the following interesting properties in particular:
  • [4] describes, for example, a corresponding actuator concept in which a large number of CNTs are combined, that is to say bundled, to form a macroscopic layer, the so-called “bucky paper” layer, as the active electrode of the actuator.
  • the CNTs here have a clear preferred direction
  • translation and bending actuators are proposed.
  • the object of the invention is therefore to propose an improved actuator concept based on geometrically anisotropic nanoparticles, in particular nanotubes such as CNTs.
  • the actuator is to be improved with regard to higher actuator forces, resilience, rigidity, elongation and deflection frequencies.
  • the essential basic idea of the invention consists in ideally all, preferably at least 80% or better still 90% of the nanoparticles or tubes, in particular CNTs, in the actuator in a preferred direction, preferably parallel to one another with a maximum angular deviation of ⁇ 20 °, to form rows of particles or to align particle bundles and to connect them electrically and mechanically to one another via webs, which preferably extend perpendicularly to the named orientation (actuator layer).
  • a plurality of such actuator layers can furthermore be arranged one behind the other in the tensile or compressive stress direction.
  • all materials are suitable as nanoparticles, on the surface of which a double layer is formed in an electrolyte.
  • a double layer causes a change in the lattice spacing and thus a change in the shape of the nanoparticles.
  • An influence can basically be observed for all connection types.
  • the special advantage of CNTs or other nanotubes lies in the maximum possible ratio of surface (with double layer) to volume and thus in an optimal use of the aforementioned effect.
  • the compound is formed from a reaction product from the Web-side and particle-side materials, which, like the reaction product, has an electrical conductivity. Furthermore, each of the nanoparticles is connected to at least two webs, as a result of which a significant increase in the actuator rigidity can be achieved.
  • the active electrode for example, a number of webs are applied to a substrate and a dispersion with the nanoparticles around them. By applying a high-frequency alternating voltage between the webs, the nanoparticles are deposited on the webs in parallel in a desired manner via dielectrophoretic forces corresponding to the electrical field lines, bridging the spaces between the webs. In further steps, the excess dispersion is removed and an electrical connection between the nanoparticles and the webs is carried out via a previously mentioned reaction.
  • actuator layers made of webs and nanoparticles can be realized in different ways, for example by simply stacking several layers or by rolling or folding one layer. Repeated deposition of nanoparticles and webs at the desired contact points and by initiating the aforementioned reaction (e.g. annealing the electrode at approx. 900 ° C) leads to the above-mentioned layer composite.
  • the webs consist of a carbide-forming conductor material, preferably a metal, both the conductor material and the carbide being no electrical insulator.
  • the webs preferably consist of a transition metal such as titanium or silicon.
  • the webs have a coating of the materials mentioned.
  • a metal carbide forms at the contact points between the CNTs and the web due to a solid-state reaction, which mechanically resiliently connects CNTs and webs to one another and is electrically conductive.
  • the actuator preloaded by means of elastic elements is not only suitable as a pressure actuator, but also advantageously as a pull actuator, with an elastic preload no longer being necessary due to the reduced risk of buckling of the CNTs.
  • the contact points can also be coated with additional metal of the above-mentioned type after the aforementioned deposition of the CNTs, as a result of which the ends of the CNTs are completely embedded in the metal carbide after the solid-state reaction, with an almost negligible electrical contact resistance between CNTs and adjusts the bridge.
  • the composite of nanoparticles and webs forms the active electrode of the actuator. Like any counterelectrode, these are located in a liquid or solid electrolyte (saline solution or other, mentioned in [1] to [4]) and are connected to the poles of a voltage or current source.
  • the nanoparticles are electrically charged by electrically controlling the webs.
  • An electrical field is created in the electrolyte, which acts electrostatically on the electrolytes and binds them to nanoparticles, which forms an electrochemical double layer and leads to the significant change in length of the nanoparticles.
  • the change in length also changes the distance between the webs, which can be tapped at the ends of the actuator as an actuator movement (expansion or contraction).
  • the webs can also be fixed with elements with low rigidity relative to a base body and / or pre-stressed with elastic elements.
  • the number of actuator layers arranged one above the other perpendicular to the direction of tension or compression of the actuator directly influences the rigidity of the actuator in the aforementioned manner.
  • the aforementioned complete or almost complete alignment of the nanoparticles and the cohesive connection to the webs not only advantageously result in a particularly high rigidity of the actuator, but also offers, since only one, no fraction the nanoparticle is disordered, a much better one
  • Fig. 3 shows the basic structure of a translation actuator
  • Fig. 4 shows the basic structure of a bending actuator.
  • FIGS. 1 a and b The centerpiece of the invention, the active electrode, is shown in FIGS. 1 a and b, where FIG. 1 b shows a sectional illustration of the active electrode along the line AA (see FIG. 1 a).
  • This consists of a plurality of actuator layers 1, comprising a plurality of CNTs 2 arranged parallel to one another and webs 3 arranged orthogonally to them.
  • the active electrode has one end via a web with a fixed bearing 4 connected and performs the actuator actuation movement 6 via its free end, preferably also formed by a web as the end piece 5.
  • 1 a are elastic elements 7 for the
  • the CNTs are not arranged in a cluster, but preferably in a plane parallel to one another (cf. FIG. 1 b). This ensures an unhindered access of ions of the electrolyte, which considerably reduces possible delays and irregularities in an actuating movement.
  • FIG. 2 shows a schematic enlarged detail of a transition area between a CNT and a web, shown in FIG. 1b with the marking B.
  • a CNT 2 meets the web 3 made of a conductor metal, which is chemically and locally limited at the contact point to one Carbide area 8 is converted.
  • the carbide area serves the integral and thus stable mechanical and electrical connection between the CNTs and the web.
  • both the active electrode 9 and the counter electrode 10 (passive electrically conductive electrode) of the actuator are introduced into a common electrolyte 11 and are introduced via a voltage - Or current source 12 with a potential difference, preferably charged with opposite polarity.
  • both the active electrode 9 and the counterelectrode 10 are located in the electrolyte 11.
  • the counterelectrode in the illustrated bending actuator is also designed as a composite of CNTs and webs in the aforementioned manner.
  • a voltage or current source 12 also serves to electrically charge the electrodes a potential difference, preferably opposite pole. Small electrical charges result in the two electrodes
  • Electrodes as shown in FIG. 4, mechanically coupled to one another via an electrically insulating connecting element 13, the actuator introduces one in a manner comparable to a bimetal strip
  • Actuator concept can be rigidity and the maximum force and
  • CNTs can be used for the implementation of actuators, in particular the described embodiments, namely both individual metallic SWCNTs, individual semiconducting SWCNTs, a mixture of individual metallic and individual semiconducting SWCNTs, SWCNT clusters as well as MWCNTs and mixtures of SWCNTs and MWCNTs ,
  • the CNT types mentioned differ in particular and, as explained at the outset, in the specific electrical resistance and in the elastic modulus. With regard to the modulus of elasticity, the use of individual SWCNTs or correctly contacted MWCNTs for an actuator with high rigidity, high force and elongation is sensible.
  • Salt solutions with alkali metal ions and halide ions e.g.
  • actuator layer geometrically anisotropic nanoparticle, nanotube, CNT 3 web 4 fixed bearing 5 end piece 6 positioning movement, direction of action 7 elastic elements 8 carbide area 9 active electrode 10 counter electrode 11 electrolyte 12 electrical voltage or current source 13 connecting element

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Abstract

Aktor mit mindestens einer aktiven Elektrode und mindestens eine Gegenelektrode in einem Elektrolyten, wobei die aktive Elektrode mindestens zwei Stege (3) aus einem elektrisch leitfähigen Material mit einer Vielzahl von orthogonal auf diesen aufgesetzter und in eine Vorzugsrichtung unidirektional orientierter Nanoröhrchen (2) umfasst, wobei zwischen den Nanoröhrchen und den Stegen eine elektrisch leitfähige Verbindung besteht und Elektrode und Gegenelektrode über eine Spannungs- oder Stromquelle mit einem Potentialunterschied beaufschlagbar ist. Aufgabe den Aktor hinsichtlich höherer Aktorkräfte und Ausschlagfrequenzen zu verbessern. Die Aufgabe wird dadurch gelöst dass die Nanoröhrchen beidseitig mit je einem Steg verbunden sind und die Verbindung stoffschlüssig ist.

Description

Aktor auf der Basis geometrisch anisotroper Nanopartikel
Gegenstand der Erfindung ist ein Aktor, insbesondere ein Transla- tions- oder Biegeaktor, auf der Basis elektrisch und mechanisch kontaktierter geometrisch anisotroper Nanopartikel, insbesondere Röhrchen oder Fasern mit Durchmessern im Nanometerbereich, beispielsweise Kohlenstoff-Nanoröhrchen, gemäß des ersten Patentanspruchs .
Aktoren dienen der direkten Umsetzung von elektrischer Energie in eine mechanische Stellbewegung und bilden damit wesentliche Bauelemente für viele technische Systeme, insbesondere in der Robotik oder Schalttechnik.
Aktoren der eingangs genannten Art basieren auf sog. elektrome- chanischen Funktionsmaterialien. Bei derartigen Materialien stehen eine Änderung der Gestalt oder der mechanischen Eigenschaften in direkter Wechselwirkung zu einem anliegenden elektrischen Strom, einem elektrischen Feld oder einer elektrischen Spannung. Typische Vertreter dieser Aktoren basieren auf piezoelektrischen oder elektrostriktiven Materialien.
Ein neues und besonders interessantes Konzept stellen Aktoren mit Nanorohrchen dar. In diesen kommen Röhren (Hohlzylinder) mit Durchmessern im Nanometerbereich aus Kohlenstoff (carbon nanotubes = CNTs) in einem Elektrolyten als aktive Elemente zur Erzeugung einer Aktorbewegung zum Einsatz. CNTs sind außergewöhnlich thermisch und chemisch stabil. Die Länge von CNTs betragen ca. 100 nm bis weit über 100 μm. Werden über eine Spannungs- oder Stromquelle Ladungen in die CNTs injiziert, so bildet sich mit den Elektrolytionen eine elektrochemische Doppelschicht. Durch diese Doppelschicht verändert sich die Länge der kovalenten Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen und damit die Länge und der Durchmesser der CNT.
Der spezifische elektrische Widerstand von metallischen und halbleitenden CNTs (abhängig von der Ausrichtung der hexagonalen Struktur des Graphitgitters zur Röhrenachse = Helizität) unterscheidet sich signifikant voneinander. Metallische CNTs weisen bei idealer
Betrachtung praktisch keinen spezifischen elektrischen Widerstand auf, da die Elektronen im Nanorohrchen nahezu ballistisch, d.h. ohne Streuungsverluste, geleitet werden. Wird ein derartiger CNT jedoch mit Metallkontakten kontaktiert, so entsteht an jeder Kontaktstelle ein Übergangswiderstand im kΩ-Bereich. Bei halbleitenden CNTs hängt der spezifische Widerstand von der angelegten Spannung ab, wobei dieser im Bereich von ca. -0,5 V bis 0,5 V je nach Kontaktierung einige MΩ beträgt. Die Strom- / Spannungskennlinie ist im Bereich von etwa
-1 V bis 1 V nichtlinear. Durch Anlegen einer Gatespannung über eine dritte Elektrode an einem halbleitenden CNT ähnlich wie in einem Feldeffekttransistor ist diese Nichtlinearität der Kennlinie unterdrückbar und der spezifische Widerstand reduzierbar.
Die Zugfestigkeit von CNTs liegen bei 30.000 N/mm2 (im Vergleich: hochfester Stahl: ca. 1.900 N/mm2, hochfeste Kohlenstofffasern: ca. 4.900 N/mm2) , wobei eine Bruchdehnung (im Zugversuch) von über 5 % erreicht wird.
Grundsätzlich sind zwei Bauformen von CNTs geläufig, nämlich einwandige (single-walled carbon nanotubes, SWCNTs) und mehrwandige (multi-walled carbon nanotubes, MWCNTs) .
Einwandige CNTs (SWCNTs) , beschrieben in [1] bis [3] , sind nahtlose Hohlzylinder, die aus einer um die Röhrenachse aufgewickelten Graphitschicht bestehen. Sie sind je nach Orientierung der hexagonalen Struktur des Graphitgitters zur Röhrenachse (Helizität) metallisch leitend oder halbleitend. SWCNTS formieren sich bevorzugt zu Rohrcluster mit einer Vorzugsausrichtung, wobei die einzelnen SWCNTs über van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten werden. Eine zuverlässige Aussage über elektrischen Eigenschaften von SWCNT- Cluster ist derzeit nicht möglich, da die einzelnen SWCNTs keine einheitlichen Helizitäten und damit unterschiedliche elektrische Eigenschaften aufweisen. Die elektrischen Eigenschaften von CNT- Cluster hängen auch davon ab, welche SWCNTs (metallische oder halbleitende) eines Rohrclusters elektrisch kontaktiert werden. Die
Durchmesser von SWCNTs liegen im Bereich von 0,4 bis 5 nm.
Mehrwandige CNTs (MWCNTs), erwähnt beispielsweise in [3], bestehen hingegen aus mehreren koaxial ineinander angeordneten einwandigen CNTs unterschiedlichen Durchmessers. Auch hier ist eine Aussage über die elektrischen Eigenschaften problematisch, da die einzelnen SWCNTs einer MWCNT grundsätzlich unterschiedliche Helizitäten und damit unterschiedliche elektrische Eigenschaften aufweisen. Zudem ist der Zugang des Elektrolyten praktisch nur zu dem außen liegenden CNT ungehindert möglich. Wie bei SWCNT- Clustern spielt es auch hier eine Rolle, welche CNTs (metallische oder halbleitende) einer MWCNT elektrisch kontaktiert sind. Übliche Außendurchmesser von MWCNTs liegen im Bereich von 1,4 bis 200 nm.
Der E-Modul von einzelnen SWCNTs (metallischen und halbleitend) beträgt ungefähr 1.000.000 N/mm2 (im Vergleich: Stahl bei ca. 210.000 N/mm2) . Er ist grundsätzlich größer als der von SWCNT-Clustern, da die einzelnen CNTs in einem Cluster nur über van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten werden. Der E-Modul von MWCNTs wird dagegen durch Krafteinleitung in den MWCNT beeinflusst und erreicht maximal die Werte einzelner SWCNT. Wird die Kraft idealisiert über dieselbe Röhre eines MWCNT ein- und ausgeleitet, so ist der E-Modul mit dem einer SWCNT vergleichbar. Wird die Kraft über unterschiedliche SWCNTs ein- und ausgeleitet, so entsteht ein teleskopartiges System, dessen E- Modul sich nicht sinnvoll ermitteln lässt.
Aufgrund dieser Eigenschaften sind CNTs für Aktoren insbesondere für Anwendungen in der Mikrosystem-, Medizin- oder Nanotechnologie sowie für biomedizinische Anwendungen (z.B. als künstlicher Muskel) interessant. Derartige Aktoren weisen insbesondere folgende interessante Eigenschaften auf:
• Großer reversibler Dehnungsbereich der aktiven Elemente des elektrisch angesteuerten unbelasteten Aktors (bis ca. 1,6 %) bereits bei geringen elektrischen Spannungen (ca. 1 V) und geringe Ansteuerströmen, d.h. ein hoher Wirkungsgrad
• Hohe Dynamik erzielbar Linearer Zusammenhang zwischen Ein- und Ausgangsgrößen Hoher Elastizitätsmodul der aktiven Elemente, dadurch hohe Aktorkräfte erzielbar In festen und flüssigen Elektrolyten funktionsfähig Integrierbar in Materialien (Smart Materials) Skalierbar über geeignete AVT (Aufbau- und Verbindungstechniken) Hohe Lebensdauer Anwendungen auch bei höheren Temperaturen (bis ca. 1000 °C) Hohe volumetrische und gravimetrische Arbeitskapazitäten
[4] beschreibt beispielsweise ein entsprechendes Aktorkonzept, bei dem eine Vielzahl von CNTs zu einer makroskopischen Schicht, der sog. „Bucky-Paper"-Schicht als aktive Elektrode des Aktors zusammengefasst, d. h. gebündelt ist. Dabei weisen die CNTs hierin eine eindeutige Vorzugsrichtung auf. Es werden auf dieser Basis Translations- und Biegeaktoren vorgeschlagen.
In [3] werden für das Einbringen einer Vorzugsrichtung von CNTs zudem für die Ausrichtung der Nanorohrchen bekannte- physikalische oder chemische Methoden vorgeschlagen, beispielsweise durch elektrische, magnetische und/oder elektromagnetische Felder und / oder unter Einfluss von Ultraschall in einer sedmentierenden Tensidsuspension.
Derartige Aktoren weisen mit dem verwendeten Bucky-Paper eine im Vergleich zu den einzelnen CNTs extrem hohe Nachgiebigkeit (ca. um den Faktor 2200 höhere) auf. Ein derartiger Aktor ist mechanisch auch bei weitem nicht so belastbar. Folglich ist auch mit einer starken Abhängigkeit der Aktordehnung von den am Aktor angreifenden Kräften zu erwarten, sowie prinzipbedingt ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung und auftretende Hysterese des Dehnungsverhaltens. Außerdem erfolgt der Zugang der Elektrolytionen zu den CNTs im Innern des Bucky-Papers im Vergleich zu den außen liegenden CNTs erst verzögert, was auch in Verbindung mit der geringen elektrischen Leitfähigkeit' von Bucky-Paper die maximal möglichen Ausschlagfrequenzen der Aktoren einschränkt, aber auch zu einer höheren Verlustwärme und zu einer geringer Aktordehnung führt. Ferner ist auch mit Umstrukturierungs- und Setzungsvorgängen im relativ lockeren Bucky-Paper-Gefüge und damit verstärkt mit zyklenabhängigier Degradationseffekten der Aktoren zu rechnen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Aktorkonzept auf der Basis von geometrisch anisotropen Nanopartikeln, insbesondere Nanorohrchen wie CNTs vorzuschlagen. Insbesondere soll der Aktor hinsichtlich höherer Aktorkräfte, Belastbarkeit, Steifigkeit, Dehnung und Ausschlagfrequenzen verbessert werden.
Die Aufgabe wird durch einen Aktor gemäß des ersten Patentanspruchs gelöst. Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen wieder.
Der wesentliche Grundgedanke der Erfindung besteht darin, idealer weise alle, vorzugsweise mindestens 80 % oder besser noch 90 % der Nanopartikel oder -röhrchen, insbesondere CNTs, im Aktor in eine Vorzugsrichtung, vorzugsweise parallel zueinander mit einer maximalen Winkelabweichung von ±20°, zu Partikelreihen oder Partikelbündel auszurichten und über Stege, die sich vorzugsweise senkrecht zur genannten Ausrichtung erstrecken, elektrisch und mechanisch miteinander fest zu verbinden (Aktorschicht). In der Zug- bzw. Druckbeanspruchungsrichtung können weiterhin mehrere solcher Aktorschichten hintereinander angeordnet sein.
Als Nanopartikel eignen sich grundsätzlich alle Materialien, auf dessen Oberfläche sich in einem Elektrolyten eine Doppelschicht ausbildet. Eine derartige Doppelschicht bewirkt eine Änderung der Gitterabstände und damit eine Formänderung der Nanopartikel. Ein Einfluss ist grundsätzlich bei allen Verbindungsarten zu beobachten. Der besondere Vorteil von CNTs oder anderen Nanoröhren liegt dabei im maximal möglichen Verhältnis von Oberfläche (mit Doppelschicht) zu Volumen und damit in einer optimalen Ausnutzung des zuvor genannten Effekts.
Ein weiteres wesentliches Detail der Erfindung betrifft dabei die stoffschlüssige Verbindung zwischen den Nanopartikeln und den Stegen. Die Verbindung bildet sich aus einem Reaktionsprodukt aus den Stegseitigen und Partikelseitigen Materialien, wobei diese als auch das Reaktionsprodukt eine elektrische Leitfähigkeit aufweist. Ferner ist jedes der Nanopartikel mit mindestens zwei Stegen verbunden, wodurch eine signifikante Erhöhung der Aktorsteifigkeit erzielbar wird.
Zur Herstellung der aktiven Elektrode wird beispielsweise eine Anzahl von Stegen auf ein Substrat aufgebracht und von einer Dispersion mit den Nanopartikeln umspült. Durch das Anlegen einer hochfrequenten Wechselspannung zwischen den Stegen werden die Nanopartikel über dielektrophoretische Kräfte entsprechend der elektrischen Feldlinien in gewünschter Art und Weise parallel zueinander auf den Stegen abgeschieden, wobei sie die Zwischenräume zwischen den Stegen überbrücken. In weiteren Schritten folgen ein Entfernen der überschüssigen Dispersion und eine elektrische Verbindung zwischen den Nanopartikeln und den Stegen über eine vorgenannte Reaktion.
Mehrere übereinander liegende Aktorschichten aus Stegen und Nanopartikeln lassen sich auf verschiedener Weise realisieren, beispielsweise über ein einfaches Übereinanderschichten mehrerer Schichten oder durch Aufrollen oder Falten einer Schicht. Auch mehrmaliges Abscheiden von Nanopartikeln und Stegen an den gewünschten Kontaktstellen und durch Einleiten der zuvor genannten Reaktion (z.B. Glühen der Elektrode bei ca. 900 °C) führt zu dem genannten Schichtverbund.
Bei einer beispielhaften und nicht den Erfindergedanken einschränkenden Verbindung von CNTs (oder Kohlenstofffasern) mit Stegen bestehen die Stege aus einem Karbid bildenden Leitermaterial-, vorzugsweise einem Metall, wobei sowohl das Leitermaterial als auch das Karbid kein elektrischer Isolator ist. Vorzugweise bestehen die Stege aus einem Übergangsmetall wie Titan -oder aus Silizium. Alternativ weisen die Stege eine Beschichtung aus den genannten Materialien auf. Bei Temperaturen von ca. 900 °C bildet sich an den Kontaktstellen zwischen den CNTs und dem Steg durch eine Festkörperreaktion ein Metallkarbid, welches CNTs und Stege mechanisch belastbar und elektrisch leitfähig miteinander verbindet. Ein auf diese Weise her- gestellter über elastische Elemente vorgespannter Aktor eignet sich nicht nur als Druckaktor, sondern in vorteilhafter Weise auch als Zugaktor, wobei eine elastische Vorspannung aufgrund der reduzierten Knickgefahr der CNTs nicht mehr erforderlich ist. Zur weiteren Verbesserung der Kontaktierung können die Kontaktstellen auch zusätzlich nach der vorgenannten Abscheidung der CNTs mit zusätzlichem Metall der o. g. Art beschichtet werden, wodurch die Enden der CNTs nach der Festkörperreaktion völlig im Metallkarbid eingebettet sind, wobei sich auch hier ein nahezu vernachlässigbarer elektrischer Übergangswiderstand zwischen CNT und Steg einstellt.
Der Verbund aus Nanopartikel und Stegen bildet die aktive Elektrode des Aktors. Diese befinden sich wie auch ggf. eine Gegenelektrode in einem flüssigen oder festen Elektrolyt (Kochsalzlösung oder auch andere, in [1] bis [4] genannten) und sind an die Pole eine Spannungs- oder Stromquelle angeschlossen. Mit einer elektrischen Ansteuerung der Stege werden die Nanopartikel elektrisch aufgeladen. Es entsteht im Elektrolyten ein elektrisches Feld, welches elektrostatisch auf die Elektrolytionen wirkt und diese an Nanopartikel anbindet, wodurch sich eine elektrochemische Doppelschicht ausbildet und zu der signifikanten Längenänderung der Nanopartikel führt.
Da die Nanopartikel mechanisch mit den Stegen verbunden sind, ändert sich mit der Längenänderung auch der Abstand zwischen den Stegen, was als Aktorbewegung (Expansion oder Kontraktion) von außen an den Enden des Aktors abgegriffen werden kann. Die Stege können weiterhin über Elemente mit geringer Steifigkeit gegenüber einem Grundkörper fixiert und / oder mit elastischen Elementen vorgespannt sein.
Die Anzahl der vorgenannten senkrecht zur Zug- bzw. Druckbeanspruchungsrichtung des Aktors übereinander angeordneten Aktorschichten beeinflusst in vorgenannter Weise direkt die Steifigkeit des Aktors. Die genannte vollständige oder nahezu vollständige Ausrichtung der Nanopartikel sowie die stoffschlüsseig Verbindung an die Stege bewirken in vorteilhafter Weise nicht nur eine besonders hohe Steifigkeit des Aktors, sondern bietet, da nur eine keine Fraktion der Nanopartikel ungeordnet ist, eine erheblich bessere
Berechnungsgrundlage für eine zuverlässige Bestimmung der Aktoreigenschaften. Steifigkeit, maximale Kraft und Stellweg des Aktors ist ferner durch die Anzahl und Dicke Schichten aus CNTs und Stegen.
Die besonderen Vorteile der Erfindung sind zusammengefasst folgende: Größeres Dehnungsvermögen bei gleichen Aktorabmessungen oder gleichgroßes Dehnungvermögen bei kleineren Aktorabmessungen
- Besonders hohe Stellkräfte und Belastbarkeit
- Besonders hohe Stellfrequenzen und -geschwindigkeiten Besonders geringe Langzeitdegradation Besonders hohe Aktorsteifigkeit, dadurch geringere Abhängigkeit der Dehnung von den am Aktor angreifenden Kräften Linearer und kalkulierbarer Zusammenhang zwischen Aktoreingang (elektrische Spannung oder Strom) und Aktorausgang (Dehnung oder Biegung bzw. Kraft oder Biegemoment) Effizienterer Materialeinsatz Höherer Wirkungsgrad
Die Erfindung wird im Folgenden mit Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 a und b die aktive Elektrode des Aktors in zwei Ansichten,
Fig. 2 eine Detailaufnahme der Verbindung zwischen CNT und Steg,
Fig. 3 den prinzipiellen Aufbau eines Translationsaktors sowie
Fig. 4 den prinzipiellen Aufbau eines Biegeaktors.
Das Kernstück der Erfindung, die aktive Elektrode zeigen Fig. 1 a und b, wobei Fig. 1 b eine Schnittdarstellung der aktiven Elektrode entlang der Linie A - A (vgl. Fig. 1 a) wiedergibt. Diese besteht aus mehreren Aktorschichten 1, umfassend eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneter CNTs 2 und orthogonal zu diesen angeordneten Stegen 3. Die aktive Elektrode ist in der dargestellten Ausführungsform mit einem Ende über einen Steg mit einem Festlager 4 verbunden und führt über sein freies Ende, vorzugsweise ebenfalls durch einen Steg als Endstück 5 gebildet, die Aktorstellbewegung 6 durch. Ferner sind in Fig. 1 a elastische Elemente 7 für die
Vorspannung eines Druckaktors und zur Führung der Stege 3 wiedergegeben .
Die CNTs sind in der aktiven Elektrode der dargestellten Ausführungsform nicht clusterförmig sondern vorzugsweise in einer Ebene parallel zueinander angeordnet (vgl. Fig. 1 b) . Hierdurch ist ein ungehinderter Zugang von Ionen des Elektrolyten sichergestellt, was mögliche Verzögerungen und Ungleichmäßigkeiten einer Stellbewegung erheblich reduziert.
Fig. 2 zeigt eine schematische Detailvergrößerung eines Übergangsbereichs zwischen einem CNTs und einem Steg, dargestellt in Fig. 1 b mit der Markierung B. Im Übergangsbereich trifft ein CNT 2 auf den Steg 3 aus einem Leitermetall, welches chemisch und lokal begrenzt am Kontaktpunkt zu einem Karbidbereich 8 umgewandelt wird. Der Karbidbereich dient der stoffschlüssigen und damit stabilen mechanischen und elektrischen Verbindung zwischen dem CNTs und dem Stegen.
Fig. 3 zeigt in einer prinzipiellen Darstellung den Aufbau eines Translationsaktors vorzugsweise für lineare Stellbewegungen 6. Bei diesem sind sowohl die aktive Elektrode 9 wie auch die Gegenelektrode 10 (passive elektrisch leitende Elektrode) des Aktors in einem gemeinsamen Elektrolyten 11 eingebracht und werden über eine Spannungs- oder Stromquelle 12 mit einem Potentialunterschied, vorzugsweise gegenpolig elektrisch aufgeladen.
Fig. 4 zeigt dagegen den prinzipiellen Aufbau eines Biegeaktors vorzugsweise für Schwenkbewegungen. Auch hier befinden sich sowohl die aktive Elektrode 9 wie auch die Gegenelektrode 10 im Elektrolyten 11. Im Gegensatz zu dem in Fig. 3 dargestellten Aktor ist bei dem dargestellten Biegeaktor auch die Gegenelektrode als Verbund aus CNTs und Stegen in vorgenannter Weise ausgeführt. Eine Spannungs- oder Stromquelle 12 dient der elektrischen Aufladung der Elektroden mit einem Potentialunterschied, vorzugsweise gegenpolig. Geringe elektrische Aufladungen bewirken in den beiden Elektroden
Formänderungen mit unterschiedlichem Vorzeichen. Sind die beiden
Elektroden, wie in Fig. 4 wiedergegebene mechanisch über ein elektrisch isolierendes Verbindungselement 13 miteinander gekoppelt, so führt der Aktor vergleichbar mit einem Bimetallstreifen eine
Biegebewegung als Aktorstellbewegung 6 aus. Auch bei diesem
Aktorkonzept lassen sich Steifigkeit und die maximale Kraft und
Dehnung durch die oben beschriebenen Maßnahmen beeinflussen.
Für die Realisierung von Aktoren, insbesondere der beschriebenen Ausführungsformen sind grundsätzlich alle Typen von CNTs verwendbar, und zwar sowohl einzelne metallische SWCNTs, einzelne halbleitende SWCNTs, Gemisch aus einzelnen metallischen und einzelnen halbleitenden SWCNTs, SWCNT-Cluster wie auch MWCNTs und Mischungen aus SWCNTs und MWCNTs. Wichtig ist jedoch ein synchrones (mikroskopisches) oder quasisynchrones (makroskopisches) Ausdehnungsverhalten bei Injektion von Ladungen in die CNTs. Die genannten CNT-Typen unterscheiden sich insbesondere und wie eingangs erläutert im spezifischen elektrischen Widerstand und im E-Modul. In Bezug auf den E-Modul ist danach die Verwendung von einzelnen SWCNTs oder von richtig kontaktierten MWCNTs für einen Aktor mit hoher Steifigkeit, großer kraft und Dehnung sinnvoll.
Da es für die Ausnutzung der elektromechanischen Eigenschaft von CNTs notwendig ist, diese elektrisch aufzuladen und da ein linearer Zusammenhang zwischen Eingangsgröße (Strom oder Spannung) und Ausgangsgröße (Dehnung / Biegung bzw. Kraft / Biegemoment) ohne zusätzlichen Aufwand wünschenswert ist, ist aus dieser Sicht die Verwendung von metallischen SWCNTs für den Aktor zu bevorzugen. In Bezug auf E-Modul und spezifischer elektrischen Widerstand sind daher einzelne metallische SWCNTs für die Realisierung eines Aktors mit den oben beschriebenen Eigenschaften besonders günstig, was eine Verwendung der anderen aufgeführten CNT-Arten jedoch nicht ausschließt. Als Elektrolyte kommen alle Ionenträger, insbesondere aber wässrigen
Salzlösungen mit Alkalimetallionen und Halogenidionen (z.B.
Kochsalzlösung) , Festkörperelektrolyte, verdünnte Schwefelsäure oder wässrige KOH-Lösung in Frage.
Literatur
[1] R.H.Baughman et al.: Carbon Nanotube Actuators; Science, Vol. 284 (21 May 1999) S.1340-1344 [2] G. Sun et al.: Dimensional Changes as a Function of Carge In- jection in Single-Walled Carbon Nanotubes; J. Am. Chem. Soc. 124 (2002) S.15076-15080 [3] DE 102 44 312 AI [4] WO 00/50771
Bezugszeichenliste
1 Aktorschicht 2 Geometrisch anisotropes Nanopartikel, Nanorohrchen, CNT 3 Steg 4 Festlager 5 Endstück 6 Stellbewegung, Wirkrichtung 7 Elastische Elemente 8 Karbidbereich 9 Aktive Elektrode 10 Gegenelektrode 11 Elektrolyt 12 Elektrische Spannungs- oder Stromquelle 13 Verbindungselement

Claims

Patentansprüche :
1. Aktor mit mindestens einer aktiven Elektrode (9) in einem Elektrolyten (11), die mindestens zwei Stege (3) aus einem elektrisch leitfähigen Material mit einer Vielzahl von auf diesen aufgesetzter und in einer Vorzugsrichtung unidirektional orientierter geometrisch anisotroper Nanopartikel (2) umfasst, wobei zwischen den Nanopartikeln und den Stegen eine elektrisch leitfähige Verbindung besteht und Elektrode über eine Spannungsoder Stromquelle (12) mit einem Potentialunterschied zu einer Masse beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel (2) jeweils mit mindestens zwei Stegen verbunden sind und die Verbindung stoffschlüssig ist.
2. Aktor nach Anspruch 1, umfassend mindestens eine Gegenelektrode (10) als Masse im Elektrolyten (11) .
3. Aktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel überwiegend Nanorohrchen umfassen und mindestens 80 % aller Nanorohrchen in die Vorzugsrichtung mit maximal ±20° Abweichung weisen.
4. Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Nanopartikel aus Kohlenstoff, die Stege aus einem Karbid bildenden Leitermaterial bestehen oder mit dem Leitermaterial beschichtet sind und die Verbindung zum überwiegenden Teil aus einem Karbid des Leitermaterials besteht, wobei sowohl das Leitermaterial als auch das Karbid ein elektrischer Leiter oder Halbleiter ist.
5. Aktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitermaterial Titan oder Silizium enthalten.
6. Aktor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel einwandige oder mehrwandige Nanorohrchen sind.
7. Aktor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege einer Elektrode untereinander elektrisch kurzgeschlossen sind.
8. Aktor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel (2) zwischen zwei Stegen (3) jeweils ein Bündel oder eine Partikelreihe bilden, die mit einem Steg je eine Aktorschicht (1) bilden und die aktive Elektrode mindestens zwei in Vorzugsrichtung mechanisch hintereinander geschaltete Aktorschichten umfasst.
9. Aktor nach einem der vorgenannten Ansprüche für Translationsstellbewegungen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ende der aktiven Elektrode (9) über einen Steg (3) mit einem Festlager (4) verbunden ist und vom Festlager ausgehend die Vorzugrichtung die Wirkrichtung (6) vorgibt.
10. Aktor nach einem der vorgenannten Ansprüche für Biegebewegungen, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Elektrode parallel zu einem dehnsteifen Element angeordnet und mit diesem mechanisch gekoppelt ist.
11. Aktor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das dehnsteife Element eine Gegenelektrode ist und die aktive Elektrode und die Gegenelektrode an gegenüber liegenden Seiten eines elektrisch isolierendes Verbindungselements (13) angeordnet mechanisch miteinander gekoppelt sind.
12. Aktor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode entsprechend einer aktiven Elektrode ausgebildet ist.
13. Aktor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (9), Gegenelektrode (10) und Verbindungselement (13) mit einem Ende mit einem Festlager (4) verbunden ist und
Wirkrichtung (6) eine Schwenkbewegung des anderen Endes umfasst
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019011572A1 (de) * 2017-07-10 2019-01-17 Technische Universität Darmstadt Anordnung von kohlenstoffnanoröhren und ein verfahren zu deren herstellung

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102005034323B4 (de) * 2005-07-22 2011-07-21 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., 51147 Aktuator mit Nanotubes
JP4894930B2 (ja) * 2007-12-27 2012-03-14 株式会社村田製作所 アクチュエータシステムおよびその制御方法
CN101493561B (zh) * 2008-01-21 2012-03-14 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 碳纳米管驱动器及采用其的镜头模组、相机模组
DE102008023726B4 (de) 2008-05-15 2011-01-27 Karlsruher Institut für Technologie Implantierbare Vorrichtung zur Herstellung der Akkomodationsfähigkeit unter Nutzung interner Energie
DE102010030034B4 (de) 2010-06-14 2016-02-18 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Aktuator mit Nanotubes
FR2963445B1 (fr) * 2010-08-02 2013-05-03 Nanomade Concept Surface tactile et procede de fabrication d'une telle surface
JP2016046953A (ja) * 2014-08-25 2016-04-04 ソニー株式会社 トランスデューサおよび電子機器

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10126606A1 (de) * 2001-05-31 2002-12-19 Infineon Technologies Ag Nano-Wandler-Anordnung
DE10244312A1 (de) * 2002-09-23 2004-04-01 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Aktuator mit Nanotubes, insbesondere Carbon-Nanotubes, Schichten aus Kohlenstoff-Nanotubes sowie ihre Herstellung und Anwendung

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0262637B1 (de) * 1986-09-29 1995-03-22 Mitsubishi Chemical Corporation Piezoelektrischer Antrieb
US6781284B1 (en) * 1997-02-07 2004-08-24 Sri International Electroactive polymer transducers and actuators
US6682677B2 (en) * 2000-11-03 2004-01-27 Honeywell International Inc. Spinning, processing, and applications of carbon nanotube filaments, ribbons, and yarns
US6764628B2 (en) * 2002-03-04 2004-07-20 Honeywell International Inc. Composite material comprising oriented carbon nanotubes in a carbon matrix and process for preparing same

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10126606A1 (de) * 2001-05-31 2002-12-19 Infineon Technologies Ag Nano-Wandler-Anordnung
DE10244312A1 (de) * 2002-09-23 2004-04-01 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Aktuator mit Nanotubes, insbesondere Carbon-Nanotubes, Schichten aus Kohlenstoff-Nanotubes sowie ihre Herstellung und Anwendung

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BAUGHMAN ET AL: "Carbon Nanotube Actuators", SCIENCE, AMERICAN ASSOCIATION FOR THE ADVANCEMENT OF SCIENCE,, US, vol. 284, 21 May 1999 (1999-05-21), pages 1340 - 1344, XP002270608, ISSN: 0036-8075 *
FRAYSSE J ET AL: "Carbon nanotubes acting like actuators", CARBON, vol. 40, no. 10, August 2002 (2002-08-01), pages 1735 - 1739, XP004371673, ISSN: 0008-6223 *
HAQUE M H ET AL: "Carbon-nanotube-sheet actuator-theoretical and experimental investigations", PROCEEDINGS OF THE SPIE - THE INTERNATIONAL SOCIETY FOR OPTICAL ENGINEERING SPIE-INT. SOC. OPT. ENG USA, vol. 5385, no. 1, 15 March 2004 (2004-03-15) - 18 March 2004 (2004-03-18), pages 249 - 259, XP002334172, ISSN: 0277-786X *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019011572A1 (de) * 2017-07-10 2019-01-17 Technische Universität Darmstadt Anordnung von kohlenstoffnanoröhren und ein verfahren zu deren herstellung

Also Published As

Publication number Publication date
US7829054B2 (en) 2010-11-09
DE102004025603A1 (de) 2005-12-22
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CA2552046A1 (en) 2005-12-08
US20100237744A1 (en) 2010-09-23
EP1748952A1 (de) 2007-02-07
JP2008500189A (ja) 2008-01-10

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