電活性聚合物

電活性聚合物EAP是一種智慧型材料,具有特殊的電性能和機械性能。這種聚合物在受到電刺激後,產生微小形變。因此,從上世紀90年代初開始,電活性聚合物以較強的誘導形變能力引起許多學科的科學家和工程師的關注。EAP材料的性能由許多因素決定,如輸出應變、驅動應力、彈性能密度、回響時間及理論效率等。

基本介紹

• 中文名：電活性聚合物
• 外文名：electroactivepolymer
• 特點：具有特殊的電性能和機械性能
• 性質：是一種智慧型材料
• 起源： 19世紀80年代
• 分類：電子型EAP和離子型EAP

聚合物簡介

電活性聚合物(Dielectric Electro Active Polymer，DEAP)也是介電彈性體(Dielectric E— lastomer，DE)，是一種智慧型材料，因其獨特的電性能和機械性能而嶄露鋒芒。20世紀90年代 初，基於電活性聚合物材料的人工肌肉驅動器 得到快速發展。與傳統的壓電材料相比，這種聚合物材料具有更大的應變能力，且重量輕、驅動效率高、抗震性能好，是最具有發展潛力的仿生材料之一。

電活性聚合物設計、合成和加工方面的研究都有了很大的進展。美國斯坦福研究院採用3M公司生產的聚丙烯酸橡膠 VHB2910和VHB2905製造了預應變的致動器。 丹麥的丹佛斯利用軟矽樹脂和銀粉柔性電極製造 了非預拉伸單層薄膜致動器，其厚度是微米級的。電活性聚合物在直流電作用下會產生大幅度的應 變(如聚丙烯酸橡膠，其線性應變可達380%，且能鼉輸出也很高)。且反應速度快(微秒級)，變 形率大(與壓電陶瓷等傳統的電致伸縮材料相比)，這些特點使得這類材料成為微型機械中致動器及感測器的基礎材料，並且得到了廣泛的套用。但其在發電方面的研究與套用尚處於起步階段。

利用電活性聚合物收集風能、波浪能等綠色能源發電，開發新型可再生、低廉、環境友好、清潔的能源，可以促進世界能源可持續發展戰略。

發展歷史

電活性聚合物的起源可以追溯到19世紀80年代,機電回響現象首次被發現。20年後有人將場致應變的規律總結成公式。上世紀20年代壓電聚合物的發現,是電活性聚合物發展史的重要里程碑。40年代末,人們發現了化學活性聚合物,例如膠原質絲浸泡在酸或鹼溶液中時,可以可逆伸縮。但是,關於“化學-機械”的驅動器卻很少有人研究,直到仿生肌肉用合成聚合物發展起來。隨著電激勵技術的發展,人們開始關注EAP材料。1969年發現PVDF具有壓電行為後,科學家開始挖掘其它聚合物體系,一系列的EAP材料應運而生。近10年來,EAP材料發展迅速,開發了一系列具有優異性能的EAP材料,某些EAP材料的形變數甚至可以達到300%。

分類

按照作用機理的不同,電活性聚合物（EAP）主要分為兩大類，電子型EAP和離子型EAP。

電子型EAP包括全有機複合材料(AOC)、介電EAP(DEAP)、電致伸縮接枝彈性體(ESGE)、電致伸縮薄膜(ESP)、電致粘彈性聚合物(EVEM)、鐵電體聚合物(FEP)和液晶彈性體(LCE)等。

離子型EAP包括碳納米管(CNT)、導電聚合物(CP)、電致流變液體(ERF)、離子聚合物凝膠(IPG)和離子聚合物基金屬複合材料(IPMC)等。

對於電子型EAP,在電場作用下庫侖力誘導產生電致伸縮效應以及靜電、壓電和鐵電效應,而且這種EAP材料可在直流電場作用下產生誘導位移。但是,在一定的電致伸縮效應時,電子型EAP需要較高的激勵電場(>100V/μm),該電場接近材料的擊穿電場。而離子型EAP是由兩個電極和電解液組成的,離子遷移或分散作用,可以使這類材料在較低電壓下(1～ 2V)產生激

勵作用,並產生誘導彎曲位移。

這類EAP材料的缺點是需要保持一定的濕潤度,而且在直流電場激勵下很難保持穩定的誘導位移(導電聚合物除外)。

電子EAP材料

電致伸縮接枝彈性體

電致伸縮接枝彈性體,由柔性主鏈和支鏈組成。支鏈與相接近的主鏈物理交聯,形成晶體單元。柔性主鏈與結晶的接枝單元由帶有電荷的極性單體合成,可以產生偶極矩,並使結晶支鏈誘導極化。在施加電場的情況下,偶極子產生轉矩作用,刺激結晶支鏈的極化單元旋轉,主鏈局部重排,導致彈性體變形。接枝彈性體的優點是比其它電致伸縮聚合物的硬度高。

電致伸縮薄膜

電致伸縮薄膜是大量分散粒子組成的網狀結構聚合物,通常具有纖維的性質。這種材料的驅動器質輕,製造簡單,可以用於活性吸音器、柔性揚聲器和“智慧型”形狀控制設備等。

電致粘彈性聚合物

電致粘彈性聚合物由矽橡膠和極化相組成。在未硫化交聯之前,這種材料就像電致粘彈液體。施加電場後,材料固化,極化相在彈性體基體中定向排列。因此,這種材料具有“固態”相,且剪下模量隨電場(<6V/μm)變化。這種材料能獲得50%的剪下模量,可以代替電致流變液體作為阻尼材料,還可以用來製造精確控制閉合迴路系統的機器人胳膊。

鐵電聚合物

壓電現象是一種存在於一類特定晶體———鐵電體中的獨特效應。壓電材料在施加電場時產生伸縮變形,相反在施加壓力時產生電壓。這種材料可以在空氣、真空或水中使用,而且使用溫度範圍相當寬。聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物是最常見的鐵電聚合物。由於它們具有良好的柔韌性並易製成大面積的薄膜,因而在音頻和超聲感測器、生物醫學感測器、機電換能器以及熱釋電和光學器件中具有重要的套用前景。在水聽器,醫用超聲感測器和機器人探測器等領域已獲得實際套用。

全有機複合材料

全有機複合材料是將具有高介電常數的有機填料分散到一種電致伸縮聚合物基體中,在保持基體柔性的基礎上同時具有較高的介電常數。這種聚合物基複合材料在較低的電場下可以實現較高的應變數,與此同時,既大大地增加了有機材料的介電常數,也有效地改善了材料的“有效”擊穿強度。

液晶彈性體

液晶彈性體是一種網狀結構的複合材料,通過焦耳熱產生電活性。LCE材料由單域向列相液晶彈性體和導電聚合物組成。向列相和各向同性相之間的相轉變產生電活性,而且產生電活性的時間還不到1s。各向異性液晶溶膠,可以通過原位(in situ)光聚合法得到,其中包含有反應性液晶分子,同時在一定方向上還存在不反應的液晶分子。這種液晶聚合物體系具有相當好的性能,例如,其彈性可以通過液晶聚合物網路結構和小分子液晶結構來控制。

離子EAP材料

碳納米管

碳納米管是一種高性能,多功能複合材料,具有高長徑比、直徑小、質量輕、機械強度高(類似於金剛石)、導電導熱性好、熱穩定性好、空氣中穩定性好等優點。在注入離子後,納米管和電解液的離子電荷平衡被破壞,鍵長改變產生電活性。注入的電荷愈多,尺寸變化愈大。因此,人們希望得到CNT/聚合物納米複合材料,使易於加工的聚合物基體具備CNT的優點。

電致流變液體

電致流變液體是一種低介電液體,其中含有電子極化粒子。施加電場後,懸浮離子極化。幾毫秒後,在電場方向產生原纖化作用,表觀粘度增加。ERF具有回響時間短,消耗功率低,性能穩定,加工簡單等性能。因此,可以用在機械工程(例如發動機防震墊、減震器、離合器電致流變閥門機器人手臂等)和一些控制系統。ERF被開發用作一些新的設備上,例如人工肌肉激勵器、宇宙飛船減震器、電致觸感顯示器、光子晶體等。

導電聚合物

導電聚合物材料是一類兼具高分子特性及導電體特徵的高分子材料。根據電荷載流子的種類,導電聚合物被分為電子CP和離子CP。以自由電子或空穴為載流子的導電聚合物稱為電子CP,其共同特徵是分子內含有大的線性共軛π電子體系。電子CP主要有聚乙炔、芳香單環、多環以及雜環的共聚物或均聚物。以正、負離子為載流子的導電聚合物稱為離子CP,主要有聚醚、聚酯和聚醯亞胺。這些聚合物分子的聚合物溶劑化能力強,有利於鹽解理成離子或形成聚和絡合物。需要指出的是,僅有長鏈共軛體系的聚合物只能算作是半導體,其導電能力還無法與金屬導體相比,因此需要摻雜微量添加劑來提高其導電能力。

離子聚合物凝膠

離子聚合物可以通過凝膠法得到,並且具有較強的驅動作用,這種驅動作用和生物肌肉的驅動力及彈性能密度相似。這種材料在酸性環境中可發生化學反應,凝膠伸縮,產生電活性。離子聚合物/金屬複合材料是一種新型的智慧型聚合物材料,具有電活性。聚合物基體通常是離子交換材料,用來選擇單電荷離子(陰離子或陽離子),因此,通常具有共價離子基團。施加電場後離子從材料中遷移出來,其運動方向與極化方向有關,遷移速率與施加的電壓和材料性能有關。IPMC材料質輕,柔性好,只需低電壓(< 3V)即可產生較大形變,可在潮濕環境中使用,而且具有生物相容性, 因此多套用於醫學設備上。