一种基于光驱动的可展开柔性机构及其制备方法

摘要

本发明涉及一种基于光驱动的可展开柔性机构及其制备方法，所述可展开柔性机构是由平板状结构沿单一方向卷绕折叠形成，包括紧密贴合的活性层和惰性层；所述活性层的热膨胀系数为所述惰性层的热膨胀系数的5～18倍；所述活性层中包含光响应填料和平行均匀分布的低膨胀系数(热膨胀系数为3×10‑6～8×10‑6℃‑1)的纤维/纱线；制备方法为：先将所述纤维/纱线排列在玻璃板上，再将包含光响应填料和物质b的原料I刮涂至排列所述纤维/纱线的玻璃板的表面上形成活性层；然后将原料II刮涂至活性层上形成惰性层，即得到平板状的薄膜；最后将所述平板状的薄膜在溶剂中萃取，得到基于光驱动的可展开柔性机构。本发明的柔性可展开机构，制备简单、波长选择性强、折叠程度大。

权利要求

1.一种基于光驱动的可展开柔性机构，其特征是：所述可展开柔性机构是由平板状结构沿单一方向卷绕折叠形成；所述可展开柔性机构在光照条件下能够完全展开为平板状结构；所述平板状结构包括紧密贴合的活性层和惰性层；

所述活性层的热膨胀系数为所述惰性层的热膨胀系数的5 18倍；

~

所述活性层中包含光响应填料和平行均匀分布的低膨胀系数的纤维/纱线；所述纤维/纱线平行排列在所述活性层内部；所述纤维/纱线铺层的方向垂直于所述可展开柔性机构的折叠方向；

所述光响应填料为碳纳米材料、金纳米粒子、银纳米粒子、偶氮苯和偶氮苯衍生物的一种；

‑6 ‑6  ‑1

所述低膨胀系数的纤维/纱线是指热膨胀系数为3×10 8×10 ℃ 的纤维/纱线，所~

述低膨胀系数的纤维/纱线的热膨胀系数小于所述活性层的热膨胀系数；

所述纤维/纱线为聚酰亚胺纤维/纱线、玻璃纤维/纱线或碳纤维/纱线；

所述惰性层的厚度为0.7 1.05mm，所述惰性层的厚度是所述活性层厚度的1/5 1/4。

~ ~

2.根据权利要求1所述的一种基于光驱动的可展开柔性机构，其特征在于，所述活性层为双层结构，且第一层由所述光响应填料、聚合物a和所述纤维/纱线组成，第二层由聚合物a组成；所述惰性层由聚合物c组成；

所述第一层中，所述光响应填料的质量为所述聚合物a的1% 5%；

~

所述第一层和所述第二层之间的厚度差值为0.1 0.2mm，且第一层的厚度小于第二层~

的厚度；

所述紧密贴合是指所述活性层的第一层、所述活性层的第二层和所述惰性层依次紧密贴合；

所述聚合物a为聚二甲基硅氧烷、聚偏氟乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯中的一种；

所述聚合物c为聚酰亚胺和聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种基于光驱动的可展开柔性机构，其特征在于，所述活性层为单层结构，所述活性层由所述光响应填料、聚合物a和所述纤维/纱线组成；所述惰性层由聚合物c组成；

所述活性层中，所述光响应填料的质量为所述聚合物a的1% 5%。

~

4.根据权利要求1所述的一种基于光驱动的可展开柔性机构，其特征在于，所述平板状结构为矩形。

5.根据权利要求1所述的一种基于光驱动的可展开柔性机构，其特征在于，所述纤维/纱线的排列密度为50 100根/10cm。

~

6.根据权利要求1所述的一种基于光驱动的可展开柔性机构，其特征在于，所述可展开柔性机构在光照条件下可完全展开时对应的收纳比为0.05 0.35。

~

7.如权利要求1 6中任一项所述的一种基于光驱动的可展开柔性机构的制备方法，其~

特征是：先将所述纤维/纱线排列在玻璃板上，再将原料I刮涂至排列所述纤维/纱线的玻璃板的表面上形成活性层；然后将原料II刮涂至活性层上形成惰性层，即得到平板状的薄膜；

最后将所述平板状的薄膜在溶剂中萃取，得到基于光驱动的可展开柔性机构；

所述原料I中包含光响应填料和物质b；所述物质b在所述溶剂中被完全萃取出；所述物质b为二甲基硅油或有机染料，所述有机染料为科莱恩CLARIANT有机颜料83号y固黄。

8.根据权利要求7所述的一种基于光驱动的可展开柔性机构的制备方法，其特征在于，所述活性层为单层结构，可展开柔性机构的制备步骤为：（1）在玻璃板上铺放平行排列的所述纤维/纱线；并且，将物质b和光响应填料添加到聚合物a中形成混合物；

所述物质b的质量为所述聚合物a的15% 30%；

~

（2）采用刮涂的工艺将混合物涂覆至排列所述纤维/纱线的玻璃板的表面上，并确保将所述纤维/纱线被所述混合物完全浸润包裹，放入烘箱在60 80℃条件下固化2h 4h成膜，形~ ~

成萃取层；

（3）采用刮涂的工艺将聚合物c涂覆在所述萃取层的表面，放入烘箱在60 80℃条件固~

化2h 4h成膜形成惰性层，即得到由萃取层和惰性层构成的薄膜；

~

（4）将薄膜沿着垂直于所述纤维/纱线的铺层的方向裁剪得到平板状的薄膜；

所述平板状的薄膜的长宽比为20:3 20:4，长度为150 200cm；

~ ~

（5）将所述平板状的薄膜在溶剂中萃取物质b得到基于光驱动的可展开柔性薄膜机构；

所述萃取时间为24 48h；

~

所述溶剂为正己烷、丙醇或者三氯甲烷。

9.根据权利要求7所述的一种基于光驱动的可展开柔性机构的制备方法，其特征在于，所述活性层为双层结构，可展开柔性机构的制备步骤为：（1）在玻璃板上铺放平行排列的所述纤维/纱线；并且，将物质b和光响应填料添加到聚合物a中形成混合物；

所述物质b的质量百分比为所述聚合物a的15% 30%；所述物质b为二甲基硅油或有机染~

料；

（2）采用刮涂的工艺将混合物涂覆至排列所述纤维/纱线的玻璃板的表面上，并确保将所述纤维/纱线被所述混合物完全浸润包裹，放入烘箱在60 80℃条件下固化2h 4h成膜，形~ ~

成萃取层；

（3）采用刮涂的工艺将聚合物a涂覆在所述萃取层的表面，放入烘箱在60 80℃条件下~

固化2h 4h成膜形成活性层的第二层；

~

（4）采用刮涂的工艺将聚合物c涂覆在所述活性层的第二层的表面，放入烘箱在60 80~

℃条件下固化2h 4h成膜形成惰性层，即得到由萃取层、活性层的第二层和惰性层构成的薄~

膜；

（5）将薄膜沿着垂直于所述纤维/纱线的铺层的方向裁剪得到平板状的薄膜；所述平板状的薄膜的长宽比为20:3 20:4，长度为150 200cm；

~ ~

（6）将所述平板状的薄膜在溶剂中萃取物质b得到基于光驱动的可展开柔性薄膜机构；

所述萃取时间为24 48h；

~

所述溶剂为正己烷、丙醇或者三氯甲烷。

说明书

一种基于光驱动的可展开柔性机构及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于可展开机构技术领域，涉及一种基于光驱动的可展开柔性机构及其制备方法。

背景技术

[0002] 从可展开机构的应用方面来讲，由于受到运载火箭载荷舱的空间及运载能力的限制，各种空间探测设备，例如大型天线、太阳能帆板等都是以折叠压缩状态送入太空的，然
后展开并组装成所需要的几何构形。因此，可展开机构由于其便于运输的特点，在航天航空
领域得到了广泛应用，这也使得小体积、轻质的空间探测设备发展成为一种趋势。这类机构
通常具有两种稳定的状态，即完全折叠/折叠的状态和完全展开成平直的状态，当成折叠状
态时，这种机构整体的体积较小，进入工作环境后，机构在自身或外界驱动力作用下逐步展
开，达到完全展开的工作状态。

[0003] 从材料方面来讲，传统的空间探测机构大多都是采用不同刚性构件连接而成的，通过这些构件之间运动从而发生相对运动。随着科学技术的发展进步，人们对于空间探索
探测设备的机构要求也越来越高，由最初的刚性机构，转变为半刚性，以及现在越来越多的
薄膜结构的空间探测机构，这一趋势的发生主要是由于可展开机构薄膜的质轻体小、便携
的优点。

[0004] 从驱动形式来讲，无论是刚性可展开机构还是薄膜状可展开机构，都需要一定的驱动力来促使该可展开机构发生状态的改变。刚性机构一般采用的驱动方法都是机械外力
驱动，众所周知，能源短缺是人类迫在眉睫需要解决的问题，因此能源利用和材料开发是当
今的研究热点。与其他外部刺激相比，光驱动的响应方式具有无线控制、光源丰富、波长选
择性强等明显优点，此外它还是一种清洁能源，具有易于切换和精确操作的特性。

[0005] 目前关于可展开机构的研究：专利CN202010392299.5、CN202010010219.5中涉及到的可展开机构都是刚性的，且结构设计较为复杂，大多需要刚性铰链和刚性杆构成，该可
展开机构展开过程中冲击大且质量较重。专利CN 201910787715.9提供了一种薄膜天线人
形杆环状可展开机构，但是该薄膜的展开和收缩都是依靠复杂的驱动系统完成的，该驱动
系统包括驱动装置、齿轮传动装置、滚筒传动装置等，这种驱动装置不仅质量和体积较大而
且结构设计也较为复杂。

[0006] 整体而言，目前在柔性薄膜可展开机构方面，尤其是以光为驱动方式的薄膜状驱动器在空间探测设备领域方面的应用尚没有完善的研究，并且随着空间探测需求和要求的
提高，传统的刚性或者半刚性的可展开机构存在质量大、机构繁琐和制备成本较高的缺陷。
因此，为了满足空间探测的需求，设计一种制备方法简单、结构简单、低价、节约能源以及折
叠程度(收纳比)较大的，并且集合结构和功能一体化的光驱动全柔性可展开机构是至关重
要且具有实用价值的。

发明内容

[0007] 本发明的目的是解决现有技术中存在的上述问题，提供一种结构简单、低价、折叠程度大、节约能源的结构/功能一体化的光驱动全柔性空间可展开机构及其制备方法。本发
明基于光致驱动器优异的驱动性能，设计了一种空间可展开机构，该可展开机构可应用于
诸如太阳能帆板、月球车、天线等空间探测设备中。本发明的柔性可展开机构，具有制备简
单、无线控制、光源丰富、波长选择性强、轻量化、节约空间等优点。

[0008] 为达到上述目的，本发明采用的方案如下：

[0009] 一种基于光驱动的可展开柔性机构，所述可展开柔性机构是由平板状结构沿单一方向卷绕折叠形成(类似于胶带的卷绕过程)；所述可展开柔性机构在光照条件下可完全展
开为平板状结构；所述平板状结构的正投影面为矩形；所述平板状结构包括紧密贴合的活
性层和惰性层；

[0010] 所述活性层的热膨胀系数为所述惰性层的热膨胀系数的5～18倍，若膨胀系数之差太小，则在光照以后产生的驱动力过小，不能够使该可展开机构发生展开行为；

[0011] 所述活性层中包含光响应填料和平行均匀分布的低膨胀系数的纤维/纱线，光响应填料的加入可以增加光热转换效率，低膨胀系数纤维/纱线的加入可以束缚薄膜的折叠
方向；所述纤维/纱线平行排列在所述活性层内部；所述纤维/纱线的铺层的方向垂直于所
述可展开柔性机构的折叠方向；

[0012] 所述低膨胀系数的纤维/纱线是指热膨胀系数为3×10‑6～8×10‑6℃‑1的纤维/纱线，所述低膨胀系数的纤维/纱线的热膨胀系数小于所述活性层的热膨胀系数。

[0013] 作为优选的技术方案：

[0014] 如上所述的一种基于光驱动的可展开柔性机构，所述活性层为双层结构，且第一层由所述光响应填料、聚合物a和所述纤维/纱线组成，第二层由聚合物a组成；所述惰性层
由聚合物c组成；

[0015] 所述第一层中，所述光响应填料的质量为所述聚合物a的1％～5％；此时光热效应较好；

[0016] 所述第一层和所述第二层之间的厚度差值为0.1～0.2mm，且第一层的厚度小于第二层的厚度，第一层的厚度比第二层的小，是为了让第二层聚合物a的热膨胀系数发挥更大
的作用，因为第一层中由于纤维和光响应物质的添加，使得这一层的热膨胀系数低于第二
层，如果第一层太厚，则不利于光照驱动展开；

[0017] 所述紧密贴合是指所述活性层的第一层、所述活性层的第二层和所述惰性层依次紧密贴合。

[0018] 如上所述的一种基于光驱动的可展开柔性机构，所述活性层为单层结构，所述活性层由所述光响应填料、聚合物a和所述纤维/纱线组成；所述惰性层由聚合物c组成；

[0019] 所述活性层中，所述光响应填料的质量为所述聚合物a的1％～5％。此时光热效应较好。

[0020] 如上所述的一种基于光驱动的可展开柔性机构，所述聚合物a为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚偏氟乙烯(PVDF)和聚甲基丙烯酸甲酯中的一种；

[0021] 所述光响应填料为碳纳米材料、金纳米粒子、银纳米粒子、偶氮苯和偶氮苯衍生物的一种；

[0022] 所述聚合物c为聚酰亚胺和聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种；

[0023] 如上所述的一种基于光驱动的可展开柔性机构，所述惰性层的厚度为0.7～1.05mm，所述惰性层的厚度是所述活性层厚度的1/5～1/4。这主要是因为惰性层厚度太大，
则其刚度也会变大，从而造成驱动困难，因此这一层厚度应为活性层厚度的1/5～1/4。

[0024] 如上所述的一种基于光驱动的可展开柔性机构，所述纤维/纱线的排列密度为50～100根/10cm；所述纤维/纱线为聚酰亚胺纤维/纱线、玻璃纤维/纱线或碳纤维/纱线。其
3
中，聚酰亚胺纤维/纱线的密度为1.43～1.52g/cm ，线密度50D～200D；强度16～28cN/
dtex，弹性模量为2～4GPa。该纤维/纱线不仅能满足本发明中低热膨胀系数的要求，还能满
足该发明作为空间可展开机构在空间上的力学、热学以及化学稳定性等方面的要求。，纤
维/纱线铺层密度也决定了折叠程度的大小，密度越大，折叠程度越大，但是并不是铺层密
度越大越好，过大的铺层密度会使得薄膜刚性过大，柔软度减小，从而造成折叠和驱动困难
的问题，因此一般纤维/纱线铺层密度为50～100根/10cm。

[0025] 如上所述的一种基于光驱动的可展开柔性机构，所述可展开柔性机构在光照条件下可完全展开时对应的收纳比为0.05～0.35。

[0026] 通过对其主要参数的控制，可以得到不同收纳比的可展开机构。例如假设初始状2
态下薄膜完全展开，则SF的范围0.34～0.8m ；假设物质b含量15％时，纤维/纱线/纱线铺层
密度50根/10cm，薄膜长*宽为150*22.5cm，折叠程度大约为65％，则SF为0.34，SD为0.12；假
设物质b含量30％时，纤维/纱线/纱线铺层密度100根/10cm，薄膜长*宽为200*40cm，折叠程
度大约为95％，则SF为0.8，SD为0.04；因此，SD的范围为0.04～0.12，最终得到的收纳比k的
范围为0.05～0.35。

[0027] 收纳比k被用来衡量机构的折叠效率，k的表达式如下:

[0028]

[0029] SD表示可展机构在完全折叠状态下垂直于板面的投影面积，SF表示可展机构在完全展开状态下垂直于板面的投影面积。k越大，表示机构的折叠效率越高。

[0030] 本发明还提供如上所述的一种基于光驱动的可展开柔性机构的制备方法，先将所述纤维/纱线排列在玻璃板上，再将原料I刮涂至排列所述纤维/纱线的玻璃板的表面上形
成活性层；然后将原料II刮涂至活性层上形成惰性层，即得到平板状的薄膜；最后将所述平
板状的薄膜在溶剂中萃取，得到基于光驱动的可展开柔性机构；

[0031] 所述原料I中包含光响应填料和物质b；所述物质b在所述溶剂中被完全萃取出。

[0032] 作为优选的技术方案：

[0033] 如上所述的一种基于光驱动的可展开柔性机构的制备方法，所述活性层为单层结构，可展开柔性机构的制备步骤为：

[0034] (1)在玻璃板上铺放平行排列的所述纤维/纱线；并且，将物质b和光响应填料添加到聚合物a中形成混合物；

[0035] 所述物质b的质量为所述聚合物a的15％～30％；物质b含量的多少会影响折叠程度(收纳比)的大小，两者呈正比例关系，但并不是物质b含量越大越好，若含量较大，会使得
萃取后的第一层体积和厚度大幅度减小，不足以支撑形成折叠状结构；反之，若含量较小，
会使得萃取后的第一层体积和厚度变化很小，则其折叠程度就会很小，收纳比也较小，不能
满足实际工程需要；所述物质b为二甲基硅油或有机染料；

[0036] (2)采用刮涂的工艺将混合物涂覆至排列所述纤维/纱线的玻璃板的表面上，并确保将所述纤维/纱线被所述混合物完全浸润包裹，放入烘箱在60～80℃条件下固化2h～4h
成膜，形成活性层；

[0037] (3)采用刮涂的工艺将聚合物c涂覆在所述活性层的表面，放入烘箱在60～80℃条件固化2h～4h成膜形成惰性层；

[0038] (4)沿着垂直于所述纤维/纱线的铺层的方向裁剪得到平板状的薄膜；

[0039] 所述平板状的薄膜的长宽比为20:3～20:4，长度为150～200cm；

[0040] (5)将所述平板状的薄膜在溶剂中萃取物质b得到基于光驱动的可展开柔性薄膜机构；所述萃取时间根据厚度确定，为24～48h，保证萃取完全；

[0041] 所述溶剂为正己烷、丙醇或者三氯甲烷。

[0042] 如上所述的一种基于光驱动的可展开柔性机构的制备方法，所述活性层为双层结构，可展开柔性机构的制备步骤为：

[0043] (1)在玻璃板上铺放平行排列的所述纤维/纱线；并且，将物质b和光响应填料添加到聚合物a中形成混合物；

[0044] 所述物质b的质量为所述聚合物a的15％～30％；所述物质b为二甲基硅油或有机染料；

[0045] (2)采用刮涂的工艺将混合物涂覆至排列所述纤维/纱线的玻璃板的表面上，并确保将所述纤维/纱线被所述混合物完全浸润包裹，放入烘箱在60～80℃条件下固化2h～4h
成膜，形成萃取层；

[0046] (3)采用刮涂的工艺将聚合物a涂覆在所述萃取层的表面，放入烘箱在60～80℃条件下固化2h～4h成膜形成活性层的第二层；所述萃取层与所述第二层的厚度相等；由于两
层之间都具有聚合物a，因此两层之间接触的地方可以紧密贴合；

[0047] (4)采用刮涂的工艺将聚合物c涂覆在所述活性层的第二层的表面，放入烘箱在60～80℃条件下固化2h～4h成膜形成惰性层；

[0048] (5)沿着垂直于所述纤维/纱线的铺层的方向裁剪得到平板状的薄膜；所述平板状的薄膜的长宽比为20:3～20:4，长度为150～200cm；

[0049] (6)将所述平板状的薄膜在溶剂中萃取物质b得到基于光驱动的可展开柔性薄膜机构；所述萃取时间根据厚度确定，为24～48h，保证萃取完全，由于萃取过程中物质b的减
少，因此第一层的厚度减小了0.1～0.2mm；

[0050] 所述溶剂为正己烷、丙醇或者三氯甲烷。

[0051] 本发明的原理如下：

[0052] 本发明的一种基于光驱动的可展开柔性机构，初步包括两层，这两层具有较大的热膨胀系数差异从而使得薄膜具有较大的驱动变形和较大的收纳比，第一层(活性层)为光
响应填料掺杂聚合物a和一种可以在有机溶剂中被萃取出来的物质b混合，其中光响应填料
的添加是为了使得该可展开机构具有较快的响应速度，同时采用低膨胀系数的纤维/纱线
约束折叠方向(纤维/纱线铺层的方向垂直于折叠方向)；第二层(惰性层)为具有较小热膨
胀系数的聚合物c薄膜。活性层中的光响应填料可以增加光热转换效率；物质b的萃取可以
使薄膜不同层之间表现出明显的体积差异，呈现出弯曲现象；而纤维/纱线/纱线的添加可
以约束弯曲发生的方向，从而形成折叠；需要注意的是为了让这种层状结构之间的粘结性
较好，在使用过程中不发生分层现象，因此第一层中的聚合物a和第二层中的聚合物c应具
有良好的粘结性。最终通过有机溶剂将第一层中的物质b萃取/吸附出来，得到一张折叠状
的光响应薄膜。同时也由于第一层中物质b的减少使得第一层(活性层)的厚度减小，与第二
层(惰性层)之间的热膨胀差异减小，从而使得两层之间的光‑热膨胀变形大幅度减小，因此
本发明在这两层中间再添加一层聚合物a层(活性层)形成三层结构的光致可展开柔性薄膜
机构，增大活性层厚度，增大变形和收纳比。活性层和惰性层之间的热膨胀系数之差决定了
可展开的程度，一般来讲热膨胀系数之差至少应为5～18倍。随后通过有机溶剂将第一层中
的物质b吸附出来，得到一张折叠状的光响应薄膜，该薄膜在不工作时，也就是没有光照时，
薄膜呈折叠状态；当受到光照时，薄膜会逐渐展开呈平板状。

[0053] 结合以上三层中体积和厚度的变化，可以得出如下结论：由于三层结构中不同层体积的变化不同，可以使得该薄膜机构向惰性层方向发生变形，此外，由于低膨胀系数的纤
维/纱线对其变形方向的约束，该薄膜机构垂直于纱线铺层方向呈折叠状态，纱线铺层密度
也决定了折叠程度的大小，密度越大，折叠程度越大。

[0054] 总的来说，薄膜发生折叠主要依靠的是物质b的萃取和低膨胀系数纱线对其弯曲方向的约束；而薄膜的展开主要依靠的是活性层和惰性层之间总的热膨胀系数差异，一般
来讲热膨胀系数之差应为5～18倍，且光响应填料起光热转换的作用。

[0055] 有益效果

[0056] (1)本发明的基于光驱动的可展开柔性机构，满足了目前空间探测方面关于柔性薄膜可展开机构的需求，通过多层非对称结构设计和有机溶剂对物质b的萃取作用，制成折
叠状薄膜结构，通过光驱动的响应方式，使得该折叠状薄膜发生可展开的现象，驱动过程相
对简单，节约能源；

[0057] (2)本发明的基于光驱动的可展柔性开机构，制备简单、无线控制、光源丰富、波长选择性强、轻量化、节约空间等优点，可应用于诸如太阳能帆板、月球车、天线等空间探测设
备中。

附图说明

[0058] 图1为本发明的基于光驱动的可展柔性机构的示意图。

具体实施方式

[0059] 下面结合具体实施方式，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。

[0060] 本发明实施例中所采用的聚酰亚胺纤维长丝、玻璃纤维长丝、碳纤维长丝、聚二甲基硅氧烷、聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺和聚对苯二甲酸乙二醇酯，具体如下：

[0061]  牌号 热膨胀系数
‑6 ‑1
聚酰亚胺长丝 江苏奥神新材料股份有限公司S35 3×10 ℃
# ‑6 ‑1
玻璃长丝 南京玻璃纤维研究院高强2 4×10 ℃
‑6 ‑1
碳纤维长丝 上海碳素厂编号141111 8×10 ℃
‑6 ‑1
聚二甲基硅氧烷 / 320×10 ℃
‑6 ‑1
聚偏氟乙烯 / 130×10 ℃
‑6 ‑1
聚甲基丙烯酸甲酯 / 100×10 ℃
‑6 ‑1
聚酰亚胺 / 20×10 ℃
‑6 ‑1
聚对苯二甲酸乙二醇酯 / 30×10 ℃

[0062] 实施例1

[0063] 一种基于光驱动的可展开柔性机构的制备方法，具体步骤为：

[0064] (1)在玻璃板上铺放平行均匀排列的热膨胀系数为3×10‑6℃‑1的聚酰亚胺纱线，排列密度为50根/10cm；并且，将物质b(二甲基硅油)和光响应填料(碳纳米材料)添加到聚
合物a(聚二甲基硅氧烷)中形成混合物；二甲基硅油的质量为聚二甲基硅氧烷的15％；碳纳
米材料的质量为聚二甲基硅氧烷的1％；

[0065] (2)采用刮涂的工艺将步骤(1)制得的混合物涂覆至排列纤维/纱线的玻璃板的表面上，并确保将纤维/纱线被混合物完全浸润包裹，放入烘箱在60℃条件下固化4h成膜，形
成厚度为1.8mm的萃取层(后续薄膜在溶剂中萃取后，萃取层会变成活性层)；

[0066] (3)采用刮涂的工艺将聚二甲基硅氧烷涂覆在萃取层的表面，放入烘箱在60℃条件下固化4h成膜形成活性层的第二层，活性层的第二层的厚度与萃取层相同；

[0067] (4)采用刮涂的工艺将聚合物c(聚酰亚胺)涂覆在活性层的第二层的表面，放入烘箱在60℃条件下固化4h成膜形成惰性层，惰性层的厚度为0.7mm；即得到由萃取层、活性层
的第二层和惰性层构成的薄膜；

[0068] (5)将薄膜沿着垂直于纤维/纱线的铺层的方向裁剪得到平板状的薄膜(矩形)；平板状的薄膜的长宽比为20:3，长度为150cm；

[0069] (6)将平板状的薄膜在正己烷中萃取二甲基硅油，萃取时间为24h，在萃取过程中，平板状的薄膜沿单一方向(即垂直于纤维/纱线的铺层的方向)不断卷绕折叠得到基于光驱
动的可展开柔性薄膜机构。

[0070] 如图1所示，该可展开柔性薄膜机构在光照条件下能够完全展开为平板状结构，平板状结构由活性层的第一层、活性层的第二层和惰性层依次紧密贴合构成；其中，活性层的
第一层由碳纳米材料、聚二甲基硅氧烷和聚酰亚胺纤维长丝(位于活性层的第一层内部)组
成，活性层的第二层由聚二甲基硅氧烷组成，活性层第二层的厚度比活性层第一层的厚度
大0.1mm；惰性层由聚酰亚胺组成；惰性层的厚度为0.7mm；惰性层的厚度是活性层厚度的1/
5；平板状结构完全展开时对应的收纳比为0.35。

[0071] 实施例2

[0072] 一种基于光驱动的可展开柔性机构的制备方法，具体步骤为：

[0073] (1)在玻璃板上铺放平行均匀排列的热膨胀系数为4×10‑6℃‑1的玻璃纤维长丝，排列密度为70根/10cm；并且，将物质b(二甲基硅油)和光响应填料(金纳米粒子)添加到聚
合物a(聚偏氟乙烯)中形成混合物；二甲基硅油的质量为聚偏氟乙烯的19％；金纳米粒子的
质量为聚偏氟乙烯的3％；

[0074] (2)采用刮涂的工艺将步骤(1)制得的混合物涂覆至排列纤维/纱线的玻璃板的表面上，并确保将纤维/纱线被混合物完全浸润包裹，放入烘箱在65℃条件下固化4h成膜，形
成厚度为1.9mm的萃取层(后续薄膜在溶剂中萃取后，萃取层会变成活性层的第一层)；

[0075] (3)采用刮涂的工艺将聚偏氟乙烯涂覆在萃取层的表面，放入烘箱在65℃条件下固化4h成膜形成活性层的第二层，活性层的第二层的厚度与萃取层相同；

[0076] (4)采用刮涂的工艺将聚合物c(聚对苯二甲酸乙二醇酯)涂覆在活性层的第二层的表面，放入烘箱在65℃条件下固化4h成膜形成惰性层，惰性层的厚度为0.74mm；即得到由
萃取层、活性层的第二层和惰性层构成的薄膜；

[0077] (5)将薄膜沿着垂直于纤维/纱线的铺层的方向裁剪得到平板状的薄膜(矩形)；平板状的薄膜的长宽比为20:3，长度为160cm；

[0078] (6)将平板状的薄膜在丙醇中萃取二甲基硅油，萃取时间为30h，在萃取过程中，平板状的薄膜沿单一方向(即垂直于纤维/纱线的铺层的方向)不断卷绕折叠得到基于光驱动
的可展开柔性薄膜机构。

[0079] 该可展开柔性薄膜机构在光照条件下能够完全展开为平板状结构，平板状结构由活性层的第一层、活性层的第二层和惰性层依次紧密贴合构成；其中，活性层的第一层由金
纳米粒子、聚偏氟乙烯和玻璃纤维长丝(位于活性层的第一层内部)组成，活性层的第二层
由聚偏氟乙烯组成，活性层第二层的厚度比活性层第一层的厚度大0.1mm；惰性层由聚对苯
二甲酸乙二醇酯组成；惰性层的厚度为0.74mm；惰性层的厚度是活性层厚度的1/5；平板状
结构完全展开时对应的收纳比为0.26。

[0080] 实施例3

[0081] 一种基于光驱动的可展开柔性机构的制备方法，具体步骤为：

[0082] (1)在玻璃板上铺放平行均匀排列的热膨胀系数为4×10‑6℃‑1的玻璃纤维长丝，排列密度为80根/10cm；并且，将物质b(二甲基硅油)和光响应填料(银纳米粒子)添加到聚
合物a(聚甲基丙烯酸甲酯)中形成混合物；二甲基硅油的质量为聚甲基丙烯酸甲酯的22％；
银纳米粒子的质量为聚甲基丙烯酸甲酯的4％；

[0083] (2)采用刮涂的工艺将步骤(1)制得的混合物涂覆至排列纤维/纱线的玻璃板的表面上，并确保将纤维/纱线被混合物完全浸润包裹，放入烘箱在70℃条件下固化3h成膜，形
成厚度为2mm的萃取层(后续薄膜在溶剂中萃取后，萃取层会变成活性层)；

[0084] (3)采用刮涂的工艺将聚甲基丙烯酸甲酯涂覆在萃取层的表面，放入烘箱在68℃条件下固化3.3h成膜形成活性层的第二层，活性层的第二层的厚度与萃取层相同；

[0085] (4)采用刮涂的工艺将聚合物c(聚酰亚胺)涂覆在活性层的第二层的表面，放入烘箱在70℃条件下固化3h成膜形成惰性层，惰性层的厚度为0.95mm；即得到由萃取层、活性层
的第二层和惰性层构成的薄膜；

[0086] (5)将薄膜沿着垂直于纤维/纱线的铺层的方向裁剪得到平板状的薄膜(矩形)；平板状的薄膜的长宽比为20:4，长度为170cm；

[0087] (6)将平板状的薄膜在三氯甲烷中萃取二甲基硅油，萃取时间为36h，在萃取过程中，平板状的薄膜沿单一方向(即垂直于纤维/纱线的铺层的方向)不断卷绕折叠得到基于
光驱动的可展开柔性薄膜机构。

[0088] 该可展开柔性薄膜机构在光照条件下能够完全展开为平板状结构，平板状结构由活性层的第一层、活性层的第二层和惰性层依次紧密贴合构成；其中，活性层的第一层由银
纳米粒子、聚甲基丙烯酸甲酯和玻璃纤维长丝(位于活性层的第一层内部)组成，活性层的
第二层由聚甲基丙烯酸甲酯组成，活性层第二层的厚度比活性层第一层的厚度大0.2mm；惰
性层由聚酰亚胺组成；惰性层的厚度为0.95mm；惰性层的厚度是活性层厚度的1/4；平板状
结构完全展开时对应的收纳比为0.21。

[0089] 实施例4

[0090] 一种基于光驱动的可展开柔性机构的制备方法，具体步骤为：

[0091] (1)在玻璃板上铺放平行均匀排列的热膨胀系数为8×10‑6℃‑1的碳纤维长丝，排列密度为90根/10cm；并且，将物质b(科莱恩CLARIANT有机颜料83号y固黄)和光响应填料
(偶氮苯)添加到聚合物a(聚二甲基硅氧烷)中形成混合物；科莱恩CLARIANT有机颜料83号y
固黄的质量为聚二甲基硅氧烷的27％；偶氮苯的质量为聚二甲基硅氧烷的5％；

[0092] (2)采用刮涂的工艺将步骤(1)制得的混合物涂覆至排列纤维/纱线的玻璃板的表面上，并确保将纤维/纱线被混合物完全浸润包裹，放入烘箱在75℃条件下固化3h成膜，形
成厚度为2.1mm的萃取层(后续薄膜在溶剂中萃取后，萃取层会变成活性层)；

[0093] (3)采用刮涂的工艺将聚二甲基硅氧烷涂覆在萃取层的表面，放入烘箱在72℃条件下固化2.8h成膜形成活性层的第二层，活性层的第二层的厚度与萃取层相同；

[0094] (4)采用刮涂的工艺将聚合物c(聚对苯二甲酸乙二醇酯)涂覆在活性层的第二层的表面，放入烘箱在75℃条件下固化3h成膜形成惰性层，惰性层的厚度为1mm；即得到由萃
取层、活性层的第二层和惰性层构成的薄膜；

[0095] (5)将薄膜沿着垂直于纤维/纱线的铺层的方向裁剪得到平板状的薄膜(矩形)；平板状的薄膜的长宽比为20:4，长度为190cm；

[0096] (6)将平板状的薄膜在正己烷中萃取科莱恩CLARIANT有机颜料83号y固黄，萃取时间为40h，在萃取过程中，平板状的薄膜沿单一方向(即垂直于纤维/纱线的铺层的方向)不
断卷绕折叠得到基于光驱动的可展开柔性薄膜机构。

[0097] 该可展开柔性薄膜机构在光照条件下能够完全展开为平板状结构，平板状结构由活性层的第一层、活性层的第二层和惰性层依次紧密贴合构成；其中，活性层的第一层由偶
氮苯、聚二甲基硅氧烷和碳纤维长丝(位于活性层的第一层内部)组成，活性层的第二层由
聚二甲基硅氧烷组成，活性层第二层的厚度比活性层第一层的厚度大0.2mm；惰性层由聚对
苯二甲酸乙二醇酯组成；惰性层的厚度为1mm；惰性层的厚度是活性层厚度的1/4；平板状结
构完全展开时对应的收纳比为0.11。

[0098] 实施例5

[0099] 一种基于光驱动的可展开柔性机构的制备方法，具体步骤为：

[0100] (1)在玻璃板上铺放平行均匀排列的热膨胀系数为3×10‑6℃‑1的聚酰亚胺纤维长丝，排列密度为100根/10cm；并且，将物质b(科莱恩CLARIANT有机颜料83号y固黄)和光响应
填料(AB‑OC4H8‑R)添加到聚合物a(聚偏氟乙烯)中形成混合物；科莱恩CLARIANT有机颜料
83号y固黄的质量为聚偏氟乙烯的30％；AB‑OC4H8‑R的质量为聚偏氟乙烯的3％；

[0101] (2)采用刮涂的工艺将步骤(1)制得的混合物涂覆至排列纤维/纱线的玻璃板的表面上，并确保将纤维/纱线被混合物完全浸润包裹，放入烘箱在80℃条件下固化2h成膜，形
成厚度为2.2.mm的萃取层(后续薄膜在溶剂中萃取后，萃取层会变成活性层)；

[0102] (3)采用刮涂的工艺将聚偏氟乙烯涂覆在萃取层的表面，放入烘箱在80℃条件下固化2h成膜形成活性层的第二层，活性层的第二层的厚度与萃取层相同；

[0103] (4)采用刮涂的工艺将聚合物c(聚酰亚胺)涂覆在活性层的第二层的表面，放入烘箱在80℃条件下固化2h成膜形成惰性层，惰性层的厚度为1.05mm；即得到由萃取层、活性层
的第二层和惰性层构成的薄膜；

[0104] (5)将薄膜沿着垂直于纤维/纱线的铺层的方向裁剪得到平板状的薄膜(矩形)；平板状的薄膜的长宽比为20:4，长度为200cm；

[0105] (6)将平板状的薄膜在丙醇中萃取科莱恩CLARIANT有机颜料83号y固黄，萃取时间为48h，在萃取过程中，平板状的薄膜沿单一方向(即垂直于纤维/纱线的铺层的方向)不断
卷绕折叠得到基于光驱动的可展开柔性薄膜机构。

[0106] 该可展开柔性薄膜机构在光照条件下能够完全展开为平板状结构，平板状结构由活性层的第一层、活性层的第二层和惰性层依次紧密贴合构成；其中，活性层的第一层由
AB‑OC4H8‑R、聚偏氟乙烯和聚酰亚胺纤维长丝(位于活性层的第一层内部)组成，活性层的
第二层由聚偏氟乙烯组成，活性层第二层的厚度比活性层第一层的厚度大0.2mm；惰性层由
聚酰亚胺组成；惰性层的厚度为1.05mm；惰性层的厚度是活性层厚度的1/4；平板状结构完
全展开时对应的收纳比为0.05。

[0107] 实施例6

[0108] 一种基于光驱动的可展开柔性机构的制备方法，制备步骤为：

[0109] (1)在玻璃板上铺放平行均匀排列的热膨胀系数为3×10‑6℃‑1的聚酰亚胺纤维长丝，聚酰亚胺纤维长丝的排列密度为60根/10cm；并且，将物质b(二甲基硅油)和光响应填料
(碳纳米材料)添加到聚合物a(聚二甲基硅氧烷)中形成混合物；二甲基硅油的质量为聚二
甲基硅氧烷的18％；光响应填料的质量为聚二甲基硅氧烷的3％；

[0110] (2)采用刮涂的工艺将步骤(1)制得的混合物涂覆至排列纤维/纱线的玻璃板的表面上，并确保将纤维/纱线被混合物完全浸润包裹，放入烘箱在65℃条件下固化4h成膜，形
成萃取层；

[0111] (3)采用刮涂的工艺将聚合物c(聚酰亚胺)涂覆在萃取层的表面，放入烘箱在65℃条件固化4h成膜形成惰性层，即得到由萃取层和惰性层构成的薄膜；

[0112] (4)将薄膜沿着垂直于所述纤维/纱线的铺层的方向裁剪得到平板状的薄膜(矩形)；平板状的薄膜的长宽比为20:3，长度为160cm；

[0113] (5)将平板状的薄膜在正己烷中萃取二甲基硅油，萃取时间为24h，在萃取的过程中，平板状的薄膜沿单一方向(即垂直于纤维/纱线的铺层的方向)不断卷绕折叠得到基于
光驱动的可展开柔性薄膜机构。

[0114] 该可展开柔性薄膜机构在光照条件下可完全展开为平板状结构，平板状结构包括紧密贴合的活性层和惰性层；活性层由碳纳米材料、聚二甲基硅氧烷和聚酰亚胺纤维长丝
(位于活性层内部)组成；惰性层由聚酰亚胺组成，惰性层的厚度是活性层厚度的1/5，厚度
为0.8mm。

[0115] 制得的可展开柔性机构在光照条件下可完全展开时对应的收纳比为0.29。

[0116] 实施例7

[0117] 一种基于光驱动的可展开柔性机构的制备方法，制备步骤为：

[0118] (1)在玻璃板上铺放平行均匀排列的热膨胀系数为8×10‑6℃‑1的碳纤维长丝，碳纤维长丝的排列密度为80根/10cm；并且，将物质b(科莱恩CLARIANT有机颜料83号y固黄)和
光响应填料(偶氮苯)添加到聚合物a(聚偏氟乙烯)中形成混合物；科莱恩CLARIANT有机颜
料83号y固黄的质量为聚偏氟乙烯的22％；光响应填料的质量为聚偏氟乙烯的4％；

[0119] (2)采用刮涂的工艺将步骤(1)制得的混合物涂覆至排列纤维/纱线的玻璃板的表面上，并确保将纤维/纱线被混合物完全浸润包裹，放入烘箱在70℃条件下固化3h成膜，形
成萃取层；

[0120] (3)采用刮涂的工艺将聚合物c(聚对苯二甲酸乙二醇酯)涂覆在萃取层的表面，放入烘箱在70℃条件固化3h成膜形成惰性层，即得到由萃取层和惰性层构成的薄膜；

[0121] (4)将薄膜沿着垂直于所述纤维/纱线的铺层的方向裁剪得到平板状的薄膜(矩形)；平板状的薄膜的长宽比为20:3，长度为170cm；

[0122] (5)将平板状的薄膜在丙醇中萃取科莱恩CLARIANT有机颜料83号y固黄，萃取时间为30h，在萃取的过程中，平板状的薄膜沿单一方向(即垂直于纤维/纱线的铺层的方向)不
断卷绕折叠得到基于光驱动的可展开柔性薄膜机构。

[0123] 该可展开柔性薄膜机构在光照条件下可完全展开为平板状结构，平板状结构包括紧密贴合的活性层和惰性层；活性层由偶氮苯、聚偏氟乙烯和碳纤维长丝(位于活性层内
部)组成；惰性层由聚对苯二甲酸乙二醇酯组成，惰性层的厚度是活性层厚度的1/4，厚度为
0.9mm。

[0124] 制得的可展开柔性机构在光照条件下可完全展开时对应的收纳比为0.21。