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CN108622408A - PVC-gel薄膜制备方法及PVC-gel薄膜扑翼飞行机构及其制备方法 - Google Patents

PVC-gel薄膜制备方法及PVC-gel薄膜扑翼飞行机构及其制备方法 Download PDF

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CN108622408A CN201810456190.6A CN201810456190A CN108622408A CN 108622408 A CN108622408 A CN 108622408A CN 201810456190 A CN201810456190 A CN 201810456190A CN 108622408 A CN108622408 A CN 108622408A
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Abstract

本发明公开了一种PVC‑gel薄膜制备方法及PVC‑gel薄膜扑翼飞行机构及其制备方法，包括扑翼翅膀和硅橡胶骨架，扑翼翅膀采用PVC‑gel薄膜制成，PVC‑gel薄膜的上下对应设置有正极和负极，PVC‑gel薄膜贯穿设置在硅橡胶骨架上构成柔性扑翼飞行机构，通过对正极和负极施加方波电压调节扑翼翅膀的煽动频率。本发明结构简单、可控性强、可控煽动频率，通过对正极和负极施加方波电压调节扑翼翅膀的煽动频率，在加电过程中基本不产生噪声。

Description

PVC-gel薄膜制备方法及PVC-gel薄膜扑翼飞行机构及其制备 方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种基于PVC-gel薄膜在电场中蠕变发生弯曲变形原理的柔性扑翼飞行机构及其制备方法和制备PVC-gel薄膜的方法。
背景技术
扑翼是一种模仿鸟类和昆虫飞行，基于仿生学原理设计制造的新型飞行器类型的重要结构。扑翼飞行机构与固定翼和旋翼飞行相比，具有独特的优点：如原地或小场地起飞，极好的飞行机动性和空中悬停性能以及飞行费用低廉，可以用很小的能量进行长距离飞行，因此更适合在长时间无能源补充及远距离条件下执行任务。加州理工学院与AeroVironment公司等单位共同研制的“Microbat”微型扑翼飞行器是最早的电动微型扑翼飞行器，它是一种仿生飞行方式的微型扑翼飞行器，它机翼的形状是模仿昆虫的翅膀，用微型机电系统MEMS(Micro Electro Mechanical System)技术加工制作成的。荷兰的Delft大学研制的“Delfly”微型扑翼飞行器，它的外观看起来像一只大蜻蜓，其机翼由两对翅膀组合而成，其质量为17g，具有X翼结构和V型尾翼，可以自由越过障碍物并进行慢飞。但目前扑翼飞行机构的驱动基本是由电动或者气动驱动，需要相应的的复杂装备。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构简单、可控性强、可控煽动频率的扑翼飞行机构以及PVC-gel薄膜制备方法和基于PVC-gel薄膜扑翼飞行机构的制备方法。
本发明采用以下技术方案：
一种基于PVC-gel薄膜的扑翼飞行机构，包括扑翼翅膀和硅橡胶骨架，扑翼翅膀采用PVC-gel薄膜制成，PVC-gel薄膜的上下对应设置有正极和负极，PVC-gel薄膜贯穿设置在硅橡胶骨架上构成柔性扑翼飞行机构，通过对正极和负极施加方波电压调节扑翼翅膀的煽动频率。
具体的，正极为金属萡片，负极为碳纳米管薄膜且与PVC-gel薄膜形状相同。
进一步的，PVC-gel薄膜的形状为流线型长条状。
进一步的，金属萡片的厚度为100～500μm，碳纳米管薄膜的厚度为20～50μm。
具体的，PVC-gel薄膜的厚度为200～600μm。
具体的，方波电压的频率为1～20Hz，电压为0～500V。
一种基于PVC-gel薄膜扑翼飞行机构的制备方法，包括以下步骤：
S1、切割金属萡片作为正极；
S2、裁剪碳纳米管薄膜制成负极；
S3、配制PVC溶液通过3D打印技术制成PVC-gel薄膜，采用柔性材料通过3D打印或浇筑制成硅橡胶骨架；
S4、将步骤S2制备的碳纳米管薄膜、步骤S3制备的PVC-gel薄膜和步骤S1制备的金属萡片通过步骤S3制备的PVC溶液粘接在一起构成扑翼翅膀，装入步骤S3制备的硅橡胶骨架上制成柔性扑翼飞行机构。
具体的，步骤S4中，配制PVC溶液具体为：
以聚氯乙烯、己二酸丁二酯和四氢呋喃为原料；己二酸丁二酯和四氢呋喃按质量比1：(2～4)混合均匀，然后加入聚氯乙烯颗粒，聚氯乙烯和己二酸丁二酯的质量比为1：(1～4)，然后经磁力搅拌1～2h混合，至聚氯乙烯颗粒在混合溶液中充分溶解并均匀分散制成PVC溶液。
本发明还公开了一种PVC-gel薄膜的制备方法，以聚氯乙烯、己二酸丁二酯、四氢呋喃为原料混合制成粘稠溶液，利用直写3D打印技术或者浇筑技术制成PVC-gel薄膜。
具体的，聚氯乙烯和己二酸丁二酯的质量比为1:(1～4)；己二酸丁二酯和四氢呋喃的质量比为1:(2～4)，磁力搅拌1～2h制成粘稠溶液。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种基于PVC-gel薄膜的扑翼飞行机构，在扑翼翅膀的上下分别设置正极和负极，扑翼翅膀贯穿设置在硅橡胶骨架4上构成柔性扑翼飞行机构，通过对正负电极施加一定频率的方波电压，引起PVC-gel薄膜在正负极之间的来回煽动，改变方波电压的频率，能够改变扑翼翅膀的煽动频率，在加电过程中基本不产生噪声。
进一步的，正极采用金属萡片，负极采用碳纳米管薄膜，碳纳米管薄膜较为柔软，能和PVC-gel薄膜较好的粘接在一起，具有尺寸小、噪音弱、灵活性强、的特点。
进一步的，正极采用金属萡片，负极采用碳纳米管薄膜，碳纳米管薄膜较为柔软，能和PVC-gel薄膜较好的粘接在一起，这样碳纳米管薄膜能够随着PVC-gel的煽动而煽动，能够保证正负极材料之间的较强电场一直作用在PVC-gel薄膜上。
进一步的，金属萡片的厚度为100～500μm，尽可能的减轻结构重量，碳纳米管薄膜几十微米的厚度能较好的和PVC-gel薄膜粘接在一起，这样能够保证PVC-gel薄膜在弯曲变形的过程中，也能处在较强的电场之中。
本发明还公开了一种基于PVC-gel薄膜扑翼飞行机构的制备方法，通过设定好的程序切割正极材料不锈钢金属萡片；裁剪制成负极用碳纳米管薄膜；通过3D打印技术分别打印制备PVC-gel薄膜和硅橡胶骨架；配制PVC溶液，将制备的碳纳米管薄膜和PVC-gel薄膜、金属萡片粘接在一起构成扑翼翅膀，装入硅橡胶骨架制成柔性扑翼飞行机构，结构简单，不需复杂装配。
进一步的，聚氯乙烯(PVC)和己二酸丁二酯(DBA)的质量比为1：(1～4)；己二酸丁二酯(DBA)与四氢呋喃(THF)的质量比例为1：(2～4)，将聚氯乙烯、己二酸丁二酯、四氢呋喃混合搅拌形成溶液，配置成的溶液可以使用于3D直写打印，能够打印出具体的形状并快速固化成型。
本发明还公开了一种PVC-gel薄膜制备方法，以聚氯乙烯、己二酸丁二酯、四氢呋喃为原料混合制成粘稠溶液，利用直写3D打印技术或者浇筑技术制成PVC-gel薄膜，3D打印PVC-gel薄膜可以快速成型固定的形状。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为PVC gel薄膜弯曲变形原理图，其中，(a)为未加电压时PVC-gel薄膜状态，(b)为加上直流电压后，PVC-gel向阳极发生弯曲变形；
图2为本发明PVC gel扑翼结构与正负极材料示意图；
图3为本发明基于PVC gel电致变弯曲原理的扑翼飞行机构的示意图；
图4为300微米厚PVC-gel薄膜煽动频率随电压频率变化关系图。
其中：1.金属萡片；2.PVC-gel薄膜；3.碳纳米管薄膜；4.硅橡胶骨架。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1，本发明提供了基于PVC-gel薄膜的柔性扑翼飞行机构，根据PVC-gel的电致变弯曲原理，在不同频率的方波电压下能够使扑翼翅膀产生不同的煽动频率。将此特性应用于扑翼飞行器领域。
利用3D打印技术制作以PVC-gel薄膜或硅橡胶为原料的PVC-gel翅膀；由PVC-gel翅膀、碳纳米管薄膜柔性负极材料、金属萡片正极材料和硅橡胶骨架组成，通过对正极和负极施加不同频率的方波电压能够调节PVC-gel翅膀的煽动频率。
请参阅图3，本发明一种基于PVC-gel薄膜的柔性扑翼飞行机构，包括扑翼翅膀、正负电极材料和硅橡胶骨架4，正极材料为金属萡片1，厚度为100～400μm；负极材料为碳纳米管薄膜3，厚度为20～50μm。扑翼翅膀采用PVC-gel薄膜2制备而成，PVC-gel薄膜2的厚度为200～600μm，PVC-gel薄膜2与碳纳米管薄膜3形状相同，且设置在金属萡片1和碳纳米管薄膜3之间，金属萡片1位于PVC-gel薄膜2上部，碳纳米管薄膜3位于PVC-gel薄膜2下部，硅橡胶骨架4上开有通孔，金属萡片1、PVC-gel薄膜2和碳纳米管薄膜3贯穿设置在硅橡胶骨架4上构成柔性扑翼飞行机构。
PVC-gel薄膜2的形状为流线型长条状，PVC-gel薄膜2与碳纳米管薄膜3粘接成一体式结构。
给扑翼飞行机构的正负极施加频率为1～20Hz、电压0～400V的方波电压，PVC-gel薄膜2能够快速向正极弯曲，撤去电压后因为自身弹性，又能快速的恢复为原始状态。经测试，本机构设计的扑翼可以跟随方波电压的频率上下煽动。
PVC-gel薄膜2具体制备如下：以聚氯乙烯(PVC)、己二酸丁二酯(DBA)和四氢呋喃(THF)为原料按照如下质量比混合成粘稠溶液，PVC：DBA＝1:(1～4)，DBA:THF＝1:(2～4)，利用直写3D打印技术或者浇筑技术制成厚度200～600μm的PVC-gel薄膜2。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图2和图3，本发明一种基于PVC-gel薄膜的柔性扑翼飞行机构的制作过程如下：
S1、根据建模的模型形状设定的程序切割正极材料不锈钢金属萡片1；
金属萡片1与PVC-gel薄膜的中间部分形状和大小相同，用于覆盖PVC-gel薄膜。
S2、裁剪得到负极碳纳米管薄膜3；
碳纳米管薄膜3的形状与PVC-gel薄膜的形状一致，以便两者能够粘接在一起。
S3、配制PVC溶液通过3D打印技术制成PVC-gel薄膜2，采用柔性材料通过3D打印或浇筑制成硅橡胶骨架4，PVC-gel薄膜打印成长条状；
S4、配制PVC溶液，将负极碳纳米管薄膜3和PVC-gel薄膜2粘接在一起，使其能够随着PVC-gel薄膜的弯曲而弯曲。
以聚氯乙烯(PVC)、己二酸丁二酯(DBA)、四氢呋喃(THF)为原料；按照四氢呋喃(THF)与己二酸丁二酯(DBA)按照一定的质量比混合均匀，然后将聚氯乙烯(PVC)颗粒按照一定质量比例溶解于其中，磁力搅拌1-2h混合均匀，直至PVC颗粒在混合溶液溶解并均匀分散。
请参阅图4，根据实验测得数据可知，PVC-gel在不同频率的500v方波电压下煽动频率能够随着频率的电压频率的改变而改变，最高煽动频率可以达到15Hz，通经实验证明，过对柔性扑翼飞行机构的正负电极施加不同频率的方波电压，其可控性良好。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于PVC-gel薄膜的扑翼飞行机构，其特征在于，包括扑翼翅膀和硅橡胶骨架(4)，扑翼翅膀采用PVC-gel薄膜(2)制成，PVC-gel薄膜(2)的上下对应设置有正极和负极，PVC-gel薄膜(2)贯穿设置在硅橡胶骨架(4)上构成柔性扑翼飞行机构，通过对正极和负极施加方波电压调节扑翼翅膀的煽动频率。
2.根据权利要求1所述的一种基于PVC-gel薄膜的扑翼飞行机构，其特征在于，正极为金属萡片(1)，负极为碳纳米管薄膜(3)且与PVC-gel薄膜(2)形状相同。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于PVC-gel薄膜的扑翼飞行机构，其特征在于，PVC-gel薄膜(2)的形状为流线型长条状。
4.根据权利要求2所述的一种基于PVC-gel薄膜的扑翼飞行机构，其特征在于，金属萡片(1)的厚度为100～500μm，碳纳米管薄膜(3)的厚度为20～50μm。
5.根据权利要求1所述的一种基于PVC-gel薄膜的扑翼飞行机构，其特征在于，PVC-gel薄膜(2)的厚度为200～600μm。
6.根据权利要求1所述的一种基于PVC-gel薄膜的扑翼飞行机构，其特征在于，方波电压的频率为1～20Hz，电压为0～500V。
7.一种制备权利要求1至6中任一项所述基于PVC-gel薄膜扑翼飞行机构的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、切割金属萡片(1)作为正极；
S2、裁剪碳纳米管薄膜(3)制成负极；
S3、配制PVC溶液通过3D打印技术制成PVC-gel薄膜(2)，采用柔性材料通过3D打印或浇筑制成硅橡胶骨架(4)；
S4、将步骤S2制备的碳纳米管薄膜(3)、步骤S3制备的PVC-gel薄膜(2)和步骤S1制备的金属萡片(1)通过步骤S3制备的PVC溶液粘接在一起构成扑翼翅膀，装入步骤S3制备的硅橡胶骨架(4)上制成柔性扑翼飞行机构。
8.根据权利要求7所述的一种基于PVC-gel薄膜扑翼飞行机构的制备方法，其特征在于，步骤S4中，配制PVC溶液具体为：
以聚氯乙烯、己二酸丁二酯和四氢呋喃为原料；己二酸丁二酯和四氢呋喃按质量比1：(2～4)混合均匀，然后加入聚氯乙烯颗粒，聚氯乙烯和己二酸丁二酯的质量比为1：(1～4)，然后经磁力搅拌1～2h混合，至聚氯乙烯颗粒在混合溶液中充分溶解并均匀分散制成PVC溶液。
9.一种PVC-gel薄膜的制备方法，其特征在于，以聚氯乙烯、己二酸丁二酯、四氢呋喃为原料混合制成粘稠溶液，利用直写3D打印技术或者浇筑技术制成PVC-gel薄膜(2)。
10.根据权利要求9所述的一种PVC-gel薄膜制备方法，其特征在于，聚氯乙烯和己二酸丁二酯的质量比为1:(1～4)；己二酸丁二酯和四氢呋喃的质量比为1:(2～4)，磁力搅拌1～2h制成粘稠溶液。
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