高电致应变介电弹性体的制备、电机性能及其偶合机理

高电致应变介电弹性体(DE)是新一代微驱动器发展应用的关键材料。本课题以含端羟基的低分子量硅橡胶为基体，掺杂低载量的纳米导电填料(碳纳米管、纳米石墨片)，利用含酚羟基和氨基的多巴胺与许多基体材料有优良的graft-from粘结能力，在纳米导电填料表面包覆厚度可控的聚多巴胺绝缘隔离层，解决导电填料掺杂型DE的高介电损耗和电击穿问题，也有利于加强纳米导电填料的分散。并结合填充具有较高介电常数的有机增塑剂和调控交联密度的方法，进一步降低弹性体的模量，解决低模量和高介电常数的兼顾难题，制备出厚度方向电致应变大于20%的DE。首次揭示导电填料绝缘层包覆厚度、有机增塑剂对弹性体的介电性能和绝缘性能的影响关系，揭示DE的本征性能(应力应变行为、粘弹性能、介电性能、绝缘性能)-电驱动特性(有效压缩力、电致应变、弹性应变能密度)的关联作用，为高性能DE的制备、微驱动器的设计和应用开发提供指导和理论依据。

高电致应变介电弹性体(Dielectric Elastomer, DE)是新一代微驱动器发展应用的关键材料，具有大应变、短响应时间、高能量密度、高转换效率、高可靠性、低密度及可柔性加工的优势，在触觉显示、平面扩音器、微型机器人和人工肌肉等领域应用前景广阔，设计制备新型DE材料是发展低驱动电压大应变的新一代介电弹性体驱动器的关键。本项目通过介电填料的分散与界面控制、大分子作用调控、大分子结构设计等方法，设计制备了不同结构体系具有高介电常数、低弹性模量和明显增加电致形变的新型DE。⑴ 在介电填料的分散与界面控制方面，通过掺杂高介电常数的陶瓷填料(钛酸钡、二氧化钛)或低载量的纳米导电填料(碳纳米管、石墨烯等)，提高弹性体的介电常数。通过氢键组装设计方法、静电纺丝掺杂有机导电离子形成隔离结构、增强界面极化方法、静电纺丝控制介电填料取向等方法控制介电填料的分散与界面控制，制备具有高敏感因子和低电场下具有高电致形变的DE。另外，通过纳米导电填料的有机包覆解决填料掺杂型DE的高介电损耗和电击穿问题，首次揭示导电填料绝缘层包覆厚度对电力学性能的影响关系。(2) 在大分子作用调控方面，通过破坏分子氢键、填充有机增塑剂、调控交联密度、介电填料与增塑协同等方法，解决低模量和高介电常数的兼顾难题，制备出低电压下具有高电致形变的DE。(3) 在大分子结构设计方面，合成制备了低电压下具有高电致形变的生物基聚酯DE，无毒性，对细胞生长无不良影响，可用于生物、医疗领域；制备了滑动环分子结构DE，滑动环的“轮滑效应”导致极低的弹性模量和非常大的敏感因子，在12 kV/mm电场下，形变可达26%。(4) 同时揭示了上述DE的不同微结构与本征性能(应力应变行为、介电性能、绝缘性能)-电驱动特性(电致应变、弹性应变能密度)的关联作用，为高性能 DE 的制备、微驱动器的设计和应用开发提供指导和理论依据。.本项目按计划完成了研究任务，达到预期目标。研究结果在国内外重要期刊上发表论文 23 篇，其中SCI收录论文21篇，SCI他引98次，申请中国发明专利 9项，已授权6项。参加21次国内外学术会议，做邀请报告11次，口头报告3次。培养博士生2名，硕士生9名。项目负责人获得国家杰出青年科学基金等4项个人荣誉。