极具潜力的高性能材料
2019年10月1日 Read time: MinutesMinute
智能有机硅层压板
由电极和超薄有机硅薄膜组成的层压板具有电活性特性，可用于测量运动，而且还可以根据需要进行延展和收缩。未来，瓦克将把这些层压板用来生产用于制作传感器和执行机构的预制电子元件，客户只需安装好所需电气连接即可。
在汽车中，大约有300个执行机构——从动力传动系统到中控锁系统——分工执行各项功能：调整前照灯、校准后视镜以及调节收音机音量等等。这些执行机构可将电脉冲转化为动能。执行机构不仅在汽车工程领域发挥关键作用，同时在机器人、电气工程和医疗技术等方面也至关重要。尤其是基于电活性聚合物的创新产品，更是凭借诸多优势而在这些行业内越来越受欢迎。
瓦克早在2013年就以ELASTOSIL® Film为品牌推出的超薄高精度有机硅薄膜是一款极具潜力的高性能材料。“我们现在已经将这项技术转化成了实际的产品，因而能够更快地将它们投入市场。”瓦克有机硅全球业务开发部门负责有机硅薄膜全球市场营销的Renate Glowacki说道。
瓦克的NEXIPAL®层压板生产厂。电极印刷工艺非常灵活，因此可根据客户具体需求进行定制。
纵向一体化
在层压板的生产过程中，瓦克实施了纵向一体化战略，从而在供应链上向工业应用更接近了一步。瓦克与德国萨尔大学（University of Saarland）合作开发的一款层压板在“2019年国际塑料及橡胶展”（2019年10月16日-23日，德国杜塞尔多夫）上亮相，参观者可以亲身体验这款层压板的传感器和执行机构功能。
由于具有介电性能，有机硅弹性体被归为电活性聚合物（EAP）一类。“将一片有机硅薄膜嵌在一对电极之间，这样一层层堆积起来，便可以得到一块层压板。”Andreas Köllnberger博士这样介绍说，他在瓦克有机硅薄膜的开发过程中发挥了至关重要的作用。给层压板施加电压后，就变成了一个柔性电容器。“由于带有正负电荷，电极的正极和负极电荷载流子便会互相吸引，使两极之间的有机硅薄膜发生形变，而薄膜会变得更薄，同时更长、更宽。” Köllnberger博士说道，“所以，有机硅薄膜的体积是保持不变的。”总之，这种电容器最后会越变越薄，面积也更大。由于层压板具有弹性，电容器放电后，就会恢复原有形状。
一旦层压板制作完成，终端用户便只能看见平滑的显示器，无论何时，只要在适当的区域施加压力，该显示器就会上凸或下凹或者开始震动。这样，用户会觉得他们好像触摸到了真正的按键。
整个过程都静默无声，而且会重复上百万次。“由于这种形变可以进行选择性控制，这些现在以Nexipal®为品牌名进行销售的EAP层压板非常适合用作将电压转化为机械运动的执行机构。反过来，EAP层压板也可利用手指挤压等机械运动来使电容发生变化，因此还可以用作传感器，甚至还可以用于生产新型发电机。”瓦克有机硅全球业务开发单元负责前向整合的技术设计专家Johannes Neuwirth博士说道。
在2019年K展上，瓦克展示了一个结合了传感器和执行机构的展品：安装在带EAP元件的层压板上的智能手机。当手指划过手机显示器表面并触及某些区域后，EAP元件能让手机以较高的频率轻微振动，让人感觉似乎有波纹面甚至按键，但其实什么也没有。
EAP层压板的优势
这一展品不仅展示了层压板及其内置电活性聚合物的功能，还体现出这种触觉反馈在各种应用中的潜力。例如，司机通过触摸屏幕便能更加轻松地控制中控台，完全不需要用眼睛去看。此外，执行机构元件还能提供更大的设计自由度。也就是说，它们可以实现比电磁阀更薄或更窄的设计。表面——在这个展品中，就是按钮——也有更大的设计自由度。它们可以设计成圆形、尖角形或者其它任何指定形状，实际设计由特定程序所依据的算法确定。
使用有机硅层压板制成的EAP执行机构设计紧凑，因此能节约安装空间。与传统元件相比，它们能节约多达30%的空间，重量也要轻40%，具体取决于配置和设计。此外，EAP执行机构的电能需求也很低，所需总电能不到传统执行机构的10%。因此，EAP执行机构不仅高效节能，同时还具有可持续性。凭借以上特点以及作用机制的静默模式，这款创新型层压板不仅成为电动汽车的理想元件，也广泛应用于其它行业。
瓦克生产的高精度有机硅薄膜的厚度在20至400微米之间，在整个宽度上的厚度偏差不超过5%。这种均匀厚度对于打造匀强电场至关重要，可确保NEXIPAL®层压板此后能够可靠运行，发挥最佳效果。
瓦克生产的这种高精度薄膜完全采用加成固化的硅橡胶制成。为了防止污染，它们都是在无尘室环境中生产而成。与所有硅橡胶混合物相同，该款有机硅薄膜也具有出色的耐热性、耐紫外线性、低温柔韧性和化学惰性。此外，它们还具有极强的弹性，并且不会发生磨损。“我们的测试结果显示，ELASTOSIL® Film有机硅薄膜在承受1,000万次负荷循环后都没有出现丝毫的材料疲劳迹象。”Köllnberger博士强调道。
继有机硅薄膜之后，推出NEXIPAL®
当瓦克在2013年开始生产有机硅薄膜的时候，从某种程度上来说，那时便开拓了一个全新的领域。在此之前，瓦克一直都只局限于将硅橡胶混合物作为未固化的原材料向市场销售。
不过，在有机硅薄膜方面，大量客户很快就想要加工过的半成品——EAP层压板。正因如此，瓦克决定弥补其在加工链上的空白。
到目前为止，瓦克专家已经了解到大量关于机电系统等对于EAP元件的技术要求，并且积累了丰富的专业技术知识。目前，瓦克正在建造一座EAP层压板生产厂。该生产厂将生产预制EAP元件，客户只需安装所需的电气连接即可。第一批元件预计将于2020年年中完成生产，并将以NEXIPAL®为品牌名上市销售。
您几乎看也不用看就能操作安装有EAP层压板的智能手机。各种应用都能通过触感来完成——而显示器的表面仍然是“平滑”的。
在这些层压板的生产过程中，需要在现有有机硅薄膜表面涂覆一种用作电极的特殊导电材料。新工厂将生产多款这样的导电膜层。层压板的尺寸和形状以及电极设计都非常灵活多变，可以根据客户的特定要求进行定制。
EAP元件还可以生产成条状，这样客户随后就可以将其生产成卷筒状执行机构。
“在开发生产工艺的过程中，我们必须克服很多挑战。”Neuwirth博士介绍说。例如，EAP层压板的各个膜层之间不能夹带空气。“在涂覆工艺中，超薄有机硅薄膜的处理也是一项极其复杂的任务。”他补充道。此外，EAP执行机构的收缩程度及其在生产过程中的位移取决于多个因素。其中，施加到EAP元件上的驱动电压具有至关重要的作用。因此，有机硅薄膜的厚度越薄越好。
“有机硅薄膜越薄，达到预期移动效果所需要的电压就越低。”Köllnberger表示，“这正是要我们现在要进一步降低有机硅薄膜厚度的原因。”
瓦克化学家Andreas Köllnberger博士
智能设计
使用高品质电极和智能EAP元件设计也能降低所需电压。另一个降低电压的方法是提高有机硅薄膜的介电常数，例如，可以在有机硅薄膜中掺入一些特殊颗粒。此外，还可以使用一种弹簧设计来生产可实现大范围位移的元件。
除了前文介绍的优势外，EAP执行机构还有另一个优点：它们可以用作人造肌肉——与电磁阀不同的是，这种人造肌肉可以执行流体，即执行流体流动。
凭借这一性能，有机硅层压板不仅在汽车和电子行业备受青睐，而且在医疗技术、传感器技术和机器人行业的使用也非常广泛。甚至在印刷电子领域，有机硅层压板也占有一席之地。
“无论是用作仿生机器人、便携医疗技术还是人机交互设备中的元件，电活性有机硅层压板在许多前景广阔的应用领域都大有用武之地。”
瓦克有机硅全球业务开发经理Renate Glowacki
NEXIPAL® EAP层压板的生产工艺
由NEXIPAL®层压板组成的执行机构和传感器的工作原理
由于具有电活性性能，有机硅薄膜层压板可用作执行机构或传感器。执行机构是一种驱动系统元件，可将控制电子元件发出的电流信号转化成机械运动。传感器的工作原理也与之相似。电容式传感器用于测量机械运动。
NEXIPAL®层压板至少由一片超薄有机硅薄膜和两个电极构成，被施加电压后可用作执行机构。
打开电压源后，一个电极带正电，另一电极带负电。正负电极间相互吸引，使两极之间的有机硅薄膜发生形变。有机硅薄膜在这种作用下变得更薄、更宽，因此体积保持不变。执行机构也就动起来了。放电后，有机硅薄膜就会恢复原有形状，而两个电极也就重新分开。
EAP传感器的工作原理也与之相似。在NEXIPAL®层压板中接入测量仪器，便可以
用于测量电容。
然后NEXIPAL®层压板就可在挤压或拉伸动作的作用下发生形变。电极之间的电磁场会发生变化，具体取决于电极之间分开的距离。
由于几乎不需要用力就能使有机硅薄膜发生形变，所以用手指轻轻触摸就足以将两个电极拉近。根据测量仪器显示，两电极之间的距离会发生变化，同时电容也相应变化。手指一旦移开，有机硅薄膜就会推动电极回到原始状态。
