微驱动器用新型高介电低模量的聚硅氧烷介电弹性体的设计与制备

Dielectric elastomer actuators (DEA) find many applications in industry such as micro-robotics and artificial muscles etc. A key toward the next generation DEA with large strain under low driving voltage is to develop dielectric elastomers (DE) with high dielectric constant and low elastic modulus. In this project, we will first prepare polymethylvinylsiloxane (H-MVQ) with a high content of vinyl (5~40 mol%) by using anionic ring-opening polymerization method. Then, we will graft various kinds of polarized groups such as nitrile group, carboxy group, ester group, and hydroxy group on the as-prepared H-MVQ by using Thiol-ene click chemistry. We expect to prepare the new type of polysiloxane DE with high dielectric constant and low elastic modulus by controlling the types, contents and distribution of the grafted polarized groups on H-MVQ chains. Meanwhile, we will reveal the effect of the molecular structure of polysiloxane DE such as molecular weight, crosslink degree, and the chemical characteristics, content and distribution of the grafted polarized groups on the dielectric properties and the viscoelasticity of the as-prepared polysiloxane DE. In addition, we will build the molecular structure-intrinsic properties (dielectric property, elastic modulus and viscoelasticity)-actuation behaviors (effective compressive force, actuated strain, elastic strain energy density, electric-mechanical coupling efficiency) relationships. Our goal is to provide guidance for the design, preparation and application of novel high performance DE and DEA. We expect to publish 8-10 papers in the most famous international academic publications and apply 3-5 patents.

介电弹性体驱动器(DEA) 在微型机器人和人工肌肉等领域应用前景广阔。设计制备高介电低模量的新型介电弹性体(DE)是发展低驱动电压大应变的新一代DEA的关键。本项目拟采用阴离子开环聚合方法制备高乙烯基含量(5~40mol%)的聚甲基乙烯基硅氧烷(H-MVQ)，然后基于巯基-双键点击反应调控接枝极性侧基的性质(如：腈基、羧基、酯基、羟基)、含量及分布，期望制备新型高介电低模量的聚硅氧烷介电弹性体；揭示分子结构(分子量、交联密度、极性侧基的性质、含量及分布)对介电性能和粘弹性的影响关系，建立分子结构-本征性能(介电性能、模量、粘弹性)-电驱动行为(有效压缩力、驱动应变、弹性应变能密度、电机耦合效率)间的相互关系，为新型DE的分子设计提供一种新思路，指导高性能DE及DEA的设计制备与应用。预期发表高水平SCI论文8~10篇，申请发明专利3~5项。

介电弹性体驱动器(DEA)在微型机器人和人工肌肉等领域应用前景广阔。设计制备高介电低模量的新型介电弹性体(DE)是发展低驱动电压大应变的新一代DEA的关键。本项目的主要研究成果：① 建立了基于巯-烯点击化学反应设计制备均质介电弹性体的新方法，制备了两类新型高介电低模量的均质介电弹性体，如：酯基接枝苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物(SBS)基DE，其介电常数(ε)为12.2, 模量(Y)为0.34 MPa；羟基接枝硅胶基DE (ε=10.3, Y=0.08 MPa)。② 调控聚甲基乙烯基硅氧烷接枝极性基团的性质和含量，获得不同极性基团改性的DE，阐明了新型DE的分子结构（交联密度、极性基团的性质及含量）对弹性体的介电性能和粘弹性的影响关系，可为DE分子设计提供指导。③ 提出了电机耦合模型，建立了电机转换效率的理论计算方法，同时建成电机耦合效率试验测试装置，但有待后续深入研究。④ 阐明了弹性体分子极性与界面极化之间的影响关系，揭示了介电填料的网络结构与相互作用对电力学性能的协同机理，为设计制备复合型DE提供指导；⑤ 为改善目前DE力学性能较差和实际应用过程中易损伤的缺点，探索了分子设计制备自增强或自修复均质DE的方法，制备了较高强度和优良自修复性能的硅基DE，揭示了DE微观结构与增强及自修复功能性的关系，为设计制备功能性DE提供指导。完成了项目研究内容，达到预期研究目标。相关研究结果发表SCI 收录论文8篇，申请中国发明专利3项，参加8次国内外学术会议，培养毕业博士生1名，硕士生7名。项目负责人田明获得国家杰出青年科学基金（2015年）、科技部中青年科技创新领军人才（2016年）、万人计划科技创新领军人才（2017年）、教育部长江学者特聘教授（2017年）。以此项目为基础，获批国防基础加强计划项目1项（2200万元）。