【儀表網 研發快訊】介電彈性體是一種電活性聚合物，在Maxwell應力下可以產生顯著的可逆形變，將電能轉換為機械能，具有形變量大(>100%)、能量密度高、控制簡單、便于人機交互等優勢，在柔性驅動器領域獲得廣泛關注。作為電-機能量轉換模塊，彈性體的功率密度直接決定了柔性驅動器的輸出性能。然而，實現高功率密度(>100 W/kg)通常依賴高驅動電場(>40 MV/m)，這對器件的絕緣保障和操作安全提出高要求、限制了介電彈性體柔性驅動器的應用。介電彈性體的功率密度與驅動電場近似成4次方關系。如何在低電場下實現高功率密度是一個具有挑戰性的問題。
目前常用的介電彈性體主要分為兩大類：丙烯酸酯和硅橡膠。丙烯酸酯彈性體具有高能量密度，但響應頻率低；硅橡膠彈性體則與之相反。近期，清華大學電機系黨智敏教授團隊利用分子量差異巨大的兩種交聯劑構建了丙烯酸酯雙模網絡，大分子量交聯劑賦予彈性體高彈性和較低模量，少量的小分子量交聯劑縮短交聯點間平均分子量，加快應力傳導速度，提高彈性體驅動響應頻率特性(圖1)。該丙烯酸酯彈性體兼具了高能量密度以及可比擬硅橡膠的高驅動頻率(~200 Hz)。在低驅動電場下，該雙模網絡彈性體展示了高功率密度(154 W/kg@20 MV/m、200 Hz)，超過了哺乳動物骨骼肌的典型值(50 W/kg)。更進一步，研究人員基于該先進材料制備了柔性無磁旋轉電機，測試了電機在不同驅動電場和頻率下的轉速特性。在19.6 MV/m、125 Hz的驅動電場下，該電機轉速達到1245 rpm，遠高于目前已報道的丙烯酸酯彈性體電機(<200 rpm@ >40 MV/m)(圖2)。
圖1.丙烯酸酯雙模網絡的構建、微觀結構、組成表征
圖2.丙烯酸酯彈性體功率密度特性和柔性旋轉電機輸出性能
相關研究成果以“一種在低電場條件下具有超高功率密度的高響應頻率雙峰網絡聚丙烯酸酯彈性體”(A high-response-frequency bimodal network polyacrylate elastomer with ultrahigh power density under low electric field)為題，于11月13日發表于《自然·通訊》(Nature Communications)。
清華大學電機系博士后尹麗娟為論文第一作者，黨智敏教授為論文通訊作者。合作者還包括機械系、化學系，鄭州大學電氣學院和西安交通大學電氣學院等。研究得到國家自然科學基金委(重點基金、面上基金和青年基金)和中國博士后科學基金等項目的支持。
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