劉志運(yùn) 周蕓悅

摘要：介電彈性體（Dielectric Elastomer，DE）是一種電活性聚合物，是一種表現(xiàn)出對(duì)電場(chǎng)響應(yīng)的大應(yīng)變材料?，F(xiàn)介紹了介電彈性體中基質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)特性，并詳細(xì)分析了介電彈性體發(fā)電的基本原理、發(fā)電技術(shù)及其相比現(xiàn)有傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)所具備的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)近年來(lái)人們對(duì)介電彈性體的研究，總結(jié)并提出了介電彈性體未來(lái)發(fā)展中可能存在的問(wèn)題以及應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：介電彈性體;發(fā)電原理;應(yīng)用

0 引言

介電彈性體研究自20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始，作為一類重要的功能材料，介電彈性體各方面已得到各國(guó)學(xué)者廣泛研究，如非線性光學(xué)、鐵電、壓電元件和電致伸縮性等。近年來(lái)，通過(guò)改變形狀來(lái)響應(yīng)磁場(chǎng)、電場(chǎng)、壓力等外部刺激的聚合物研究越來(lái)越多，電活性聚合物可能是被研究最多的一類，介電彈性體作為電活性聚合物的一種，具有張力大、工作原理簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。介電彈性體在外部電場(chǎng)的刺激下可改變其結(jié)構(gòu)形狀或體積。當(dāng)物體外部承受電能的刺激動(dòng)作停止時(shí)，即可自動(dòng)恢復(fù)或回到原來(lái)的物體形狀或縮小體積，從而自動(dòng)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力和運(yùn)動(dòng)應(yīng)變，將外部電能自動(dòng)轉(zhuǎn)化為電動(dòng)機(jī)械的性能，機(jī)電轉(zhuǎn)換效率高。

1 介電彈性體中基質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)特征

1.1 ? ?聚丙烯酸酯類彈性體

聚丙烯酸酯彈性體，一種由丙烯酸乙酯和其他丙烯酸酯共聚而成的合成橡膠，外加少量（約5%）另一種含有活潑鹵素的化合物，如氯，用于彈性體的其他丙烯酸酯包括丙烯酸正丁酯、丙烯酸甲氧乙酯和丙烯酸乙酯，這些化合物具有良好的耐熱、耐臭氧、耐光和耐油性[1]。

目前，使用最廣泛的以丙烯酸酯為基礎(chǔ)的DES是商用丙烯酸酯材料，如3M商用膠帶VHB 4910和VHB 4905。亞克力材料因其低廉的價(jià)格、優(yōu)異的性能、對(duì)順應(yīng)電極的良好附著力等優(yōu)點(diǎn)而受到許多研究者的青睞。在高預(yù)應(yīng)變水平下，亞克力材料的最大應(yīng)力和驅(qū)動(dòng)應(yīng)變分別達(dá)到7.7 MPa和380%，預(yù)拉伸后亞克力材料的電擊穿強(qiáng)度達(dá)到了空前的水平[2]。

1.2 ? ?硅樹(shù)脂及其復(fù)合材料

為了開(kāi)發(fā)能在低電壓下活化的新材料，人們付出了很大的努力。其方法是提高彈性體的介電常數(shù)和降低彈性體的彈性模量。硅樹(shù)脂具有使用溫度范圍廣，化學(xué)反應(yīng)活性低，耐氧、臭氧和陽(yáng)光照射，電絕緣性好，毒性低等特點(diǎn)。一些商業(yè)硅樹(shù)脂已經(jīng)被研究，如DEA。而硅樹(shù)脂材料的缺點(diǎn)是介電常數(shù)較低，因此要增加基礎(chǔ)偏置電壓和低抗斷裂性，這使得處理薄膜成為一個(gè)挑戰(zhàn)[3]。

近年來(lái)，為了提高硅橡膠的介電性能，大量研究工作都集中在提高硅橡膠的介電常數(shù)上。在基體中加入高介電常數(shù)陶瓷填料是提高彈性體介電常數(shù)的一種常用而簡(jiǎn)單的方法，常用的填料有鈦酸銅鈣（CaCu3Ti4O12）、鈦酸鋇（BaTiO3）、二氧化鈦（TiO2）等，高介電常數(shù)剛性顆粒的加入使硅橡膠的介電常數(shù)顯著增加，同時(shí)硅橡膠的模量也增加，擊穿強(qiáng)度降低。Zhao等人將二氧化鈦?zhàn)鳛楦呓殡姵?shù)填料，二甲硅油（DMSO）作為增塑劑對(duì)硅橡膠進(jìn)行改性，制備出高介電常數(shù)低模量硅橡膠復(fù)合材料。DMSO的膨脹作用使硅橡膠/TiO2復(fù)合材料的模量從820 kPa降低到95 kPa，雖然介電常數(shù)也降低了，但模量的降低更為顯著，因此硅樹(shù)脂復(fù)合材料的介電常數(shù)與彈性模量的比值（εr/Y）增大[4]。

1.3 ? ?聚氨酯及其復(fù)合材料

大多數(shù)聚氨酯彈性體的特征是通過(guò)相當(dāng)弱的分子間力將聚合物長(zhǎng)鏈連接在一起。由于鏈的長(zhǎng)度和混合，聚氨酯彈性體的分子結(jié)構(gòu)經(jīng)常被比作“意大利面”。這些長(zhǎng)鏈對(duì)壓力反應(yīng)良好，可以很容易地恢復(fù)到原來(lái)的形式，而不會(huì)撕裂或斷裂。

研究表明，以二氧化鈦功能化石墨烯填充的聚氨酯介電彈性體作為柔性微驅(qū)動(dòng)器，具有明顯的電刺激響應(yīng)和電場(chǎng)誘導(dǎo)應(yīng)變。將納米TiO2裝飾在石墨烯上可以大大提高石墨烯的親水性和潤(rùn)濕性，從而改善填料與聚合物之間的界面相互作用。新型二氧化鈦功能化石墨烯-聚氨酯介電彈性體復(fù)合材料具有更高的介電常數(shù)、更小的損耗模量、更高的擊穿強(qiáng)度和更好的電刺激響應(yīng)，在38.7 V/μm條件下，石墨烯-聚氨酯介電彈性體復(fù)合材料的最大電致厚度應(yīng)變?yōu)?2.4%，是石墨烯-聚氨酯復(fù)合材料電致厚度應(yīng)變的1.8倍[5]。

2 介電彈性體發(fā)電的基本原理

介電彈性體材料的“應(yīng)變”是電致伸縮效應(yīng)和麥克斯韋應(yīng)力協(xié)同效應(yīng)的結(jié)果。

介電彈性體發(fā)電原理：發(fā)電模式實(shí)質(zhì)上是驅(qū)動(dòng)模式的逆向過(guò)程，是將介電彈性體材料形變產(chǎn)生的機(jī)械能（彈性勢(shì)能）轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。先將電荷以拉伸狀態(tài)（高電容）放置在薄膜上，當(dāng)薄膜被允許收縮（低電容）時(shí)，薄膜中的彈性應(yīng)力對(duì)電場(chǎng)壓力起作用，從而增加電能，在微觀層面上，聚合物將相反電極上的相反電荷分開(kāi)（收縮狀態(tài)下厚度增加）使相似的電荷在電極內(nèi)更接近（收縮狀態(tài)下，平面內(nèi)面積減?。?。這兩種對(duì)電荷的改變都增加了電壓差，從而增加了儲(chǔ)存的電能。其實(shí)現(xiàn)方式上與傳統(tǒng)壓電材料相似，但原理存在本質(zhì)區(qū)別：（1）即使只有很小的波動(dòng)或形變，介電彈性體材料都能產(chǎn)生電能，而傳統(tǒng)的壓電材料通常需要較大的電流或沖擊力;（2）在每一循環(huán)中，介電彈性體的功率和轉(zhuǎn)換效率均明顯比其他壓電材料高。介電彈性體發(fā)電原理簡(jiǎn)化如圖1所示。

3 介電彈性體的應(yīng)用

介電彈性體材料可應(yīng)用于能源生產(chǎn)（例如與發(fā)動(dòng)機(jī)耦合或風(fēng)力或波浪發(fā)電）、人力發(fā)電（例如鞋和其他人力發(fā)電機(jī)）以及一些可用的機(jī)械低功率設(shè)備，如遠(yuǎn)程傳感器。介電彈性體為許多此類應(yīng)用提供了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，例如高能量密度低，成本低，可以和多種能量源進(jìn)行直接耦合，無(wú)須中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，并且能夠根據(jù)不用的應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)特定的功能或形狀。

3.1 ? ?鞋底發(fā)電機(jī)

鞋底發(fā)電機(jī)利用行走過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械能使介電彈性體材料發(fā)生形變，從而產(chǎn)生電能，行走產(chǎn)生的大部分能量會(huì)在腳跟撞擊時(shí)丟失，所以產(chǎn)生器通常位于腳跟。該項(xiàng)研究曾使用電磁和壓電的腳跟沖擊發(fā)電機(jī)，一個(gè)普通人的體重50～100 kg可產(chǎn)生500～1 000 N的力，這導(dǎo)致可用能量估計(jì)為1～4 J，這由重量乘以位移得到，更詳細(xì)的分析將考慮一些因素，比如需要彈性地返回一些機(jī)械能以滿足鞋子的舒適性（這就減少了可用的能量）以及高于人的體重的動(dòng)力（這會(huì)增加可用能量）。介電彈性體可直接耦合到腳跟沖擊載荷，2～6 mm的位移可以很容易地驅(qū)動(dòng)聚合物達(dá)到50%～100%的區(qū)域應(yīng)變，這取決于配置，在實(shí)際裝置中，每獲得能量密度0.2 J/cm3，只需要5 g的聚合物。多層丙烯酸彈性體在鞋跟尺寸發(fā)電裝置中的產(chǎn)量表明機(jī)電轉(zhuǎn)換良好，該器件的輸出能量可高達(dá)0.28 J。

鞋底發(fā)電機(jī)測(cè)試正在達(dá)到一些便攜式應(yīng)用的有用功率水平。對(duì)于其他人力驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，介電彈性體能夠很好地解決由于技術(shù)原因或者無(wú)法支撐復(fù)雜昂貴設(shè)備成本的問(wèn)題。

3.2 ? ?波浪能發(fā)電裝置

振蕩水柱型發(fā)電裝置是目前研究最廣泛和應(yīng)用較成功的波浪能發(fā)電設(shè)備之一，它主要由一個(gè)上下開(kāi)口的空腔體、空氣渦輪和一臺(tái)發(fā)電機(jī)組成。中央空腔下端浸沒(méi)在海中，上端設(shè)有氣流通道，形成一個(gè)氣室。其工作原理為海浪的波峰從空腔體下端進(jìn)入整個(gè)空腔并對(duì)空腔中的氣體進(jìn)行壓縮，腔內(nèi)空氣由于壓力增大，氣體通過(guò)上部的氣流通道排出;而波谷時(shí)，內(nèi)部的空氣壓力降低，外部空氣就會(huì)經(jīng)由氣流通道輸送到空腔。進(jìn)出空腔的氣體驅(qū)動(dòng)空氣渦輪旋轉(zhuǎn)，將波浪能轉(zhuǎn)化為機(jī)械動(dòng)能，這種自動(dòng)化的工作模式使得波浪能設(shè)備裝置無(wú)須與海水接觸，可靠性高。該設(shè)備由于基本上處于海平面上，易于安裝和保養(yǎng);其缺點(diǎn)是建設(shè)成本較高，空氣渦輪轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較低。

4 結(jié)語(yǔ)

介電彈性體具有許多獨(dú)特的特性，因此具有廣泛的應(yīng)用前景，如致動(dòng)器、發(fā)電機(jī)、傳感器和可變阻抗裝置。隨著技術(shù)的發(fā)展，介電彈性體的應(yīng)用越來(lái)越多。從成本和性能的角度來(lái)看，介電彈性體是致動(dòng)器的首選材料，為了實(shí)現(xiàn)該功能，必須深入了解介電彈性體的設(shè)計(jì)問(wèn)題、性能和操作特性。在某些情況下，介電彈性體的高電壓要求將阻礙其應(yīng)用，而在其他情況下，高電壓可能是一個(gè)優(yōu)勢(shì)（例如減少傳輸和連接器損耗）。在任何情況下，使用介電彈性體都將需要并行開(kāi)發(fā)高效或低成本的電子驅(qū)動(dòng)電路。

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收稿日期：2021-04-01

作者簡(jiǎn)介：劉志運(yùn)（1987—），男，河南信陽(yáng)人，工程師，研究方向：機(jī)電系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)、新型功能材料應(yīng)用技術(shù)。