《高電致應變介電彈性體的製備、電機性能及其偶合機理》是依託北京化工大學，由田明擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：高電致應變介電彈性體的製備、電機性能及其偶合機理
- 依託單位：北京化工大學
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：田明
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
高電致應變介電彈性體(DE)是新一代微驅動器發展套用的關鍵材料。本課題以含端羥基的低分子量矽橡膠為基體，摻雜低載量的納米導電填料(碳納米管、納米石墨片)，利用含酚羥基和氨基的多巴胺與許多基體材料有優良的graft-from粘結能力，在納米導電填料表面包覆厚度可控的聚多巴胺絕緣隔離層，解決導電填料摻雜型DE的高介電損耗和電擊穿問題，也有利於加強納米導電填料的分散。並結合填充具有較高介電常數的有機增塑劑和調控交聯密度的方法，進一步降低彈性體的模量，解決低模量和高介電常數的兼顧難題，製備出厚度方向電致應變大於20%的DE。首次揭示導電填料絕緣層包覆厚度、有機增塑劑對彈性體的介電性能和絕緣性能的影響關係，揭示DE的本徵性能(應力應變行為、粘彈性能、介電性能、絕緣性能)-電驅動特性(有效壓縮力、電致應變、彈性應變能密度)的關聯作用，為高性能DE的製備、微驅動器的設計和套用開發提供指導和理論依據。
結題摘要
高電致應變介電彈性體(Dielectric Elastomer, DE)是新一代微驅動器發展套用的關鍵材料，具有大應變、短回響時間、高能量密度、高轉換效率、高可靠性、低密度及可柔性加工的優勢，在觸覺顯示、平面擴音器、微型機器人和人工肌肉等領域套用前景廣闊，設計製備新型DE材料是發展低驅動電壓大應變的新一代介電彈性體驅動器的關鍵。本項目通過介電填料的分散與界面控制、大分子作用調控、大分子結構設計等方法，設計製備了不同結構體系具有高介電常數、低彈性模量和明顯增加電致形變的新型DE。⑴ 在介電填料的分散與界面控制方面，通過摻雜高介電常數的陶瓷填料(鈦酸鋇、二氧化鈦)或低載量的納米導電填料(碳納米管、石墨烯等)，提高彈性體的介電常數。通過氫鍵組裝設計方法、靜電紡絲摻雜有機導電離子形成隔離結構、增強界面極化方法、靜電紡絲控制介電填料取向等方法控制介電填料的分散與界面控制，製備具有高敏感因子和低電場下具有高電致形變的DE。另外，通過納米導電填料的有機包覆解決填料摻雜型DE的高介電損耗和電擊穿問題，首次揭示導電填料絕緣層包覆厚度對電力學性能的影響關係。(2) 在大分子作用調控方面，通過破壞分子氫鍵、填充有機增塑劑、調控交聯密度、介電填料與增塑協同等方法，解決低模量和高介電常數的兼顧難題，製備出低電壓下具有高電致形變的DE。(3) 在大分子結構設計方面，合成製備了低電壓下具有高電致形變的生物基聚酯DE，無毒性，對細胞生長無不良影響，可用於生物、醫療領域；製備了滑動環分子結構DE，滑動環的“輪滑效應”導致極低的彈性模量和非常大的敏感因子，在12 kV/mm電場下，形變可達26%。(4) 同時揭示了上述DE的不同微結構與本徵性能(應力應變行為、介電性能、絕緣性能)-電驅動特性(電致應變、彈性應變能密度)的關聯作用，為高性能 DE 的製備、微驅動器的設計和套用開發提供指導和理論依據。 本項目按計畫完成了研究任務，達到預期目標。研究結果在國內外重要期刊上發表論文 23 篇，其中SCI收錄論文21篇，SCI他引98次，申請中國發明專利 9項，已授權6項。參加21次國內外學術會議，做邀請報告11次，口頭報告3次。培養博士生2名，碩士生9名。項目負責人獲得國家傑出青年科學基金等4項個人榮譽。
