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  介電彈性體，作為人造肌肉，因其柔軟（<1MPa）、形變量大（>100%）、能量密度高（最高3.4MJ/m³）的特點(diǎn)受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。相比于傳統(tǒng)電磁式電動(dòng)機(jī)，由介電彈性體組成的柔性無磁電機(jī)具有輕質(zhì)、柔軟、可變形、比功率密度高、結(jié)構(gòu)扁平以及無需磁場等優(yōu)勢。常用于無磁電機(jī)的彈性體為商業(yè)化VHBTM4910，它楊氏模量高、驅(qū)動(dòng)電場高、粘彈損耗大的缺陷嚴(yán)重限制了無磁電機(jī)性能的提升。降低楊氏模量可以顯著降低驅(qū)動(dòng)電場，但是模量的降低常常伴隨著材料強(qiáng)度劣化、韌性下降、機(jī)械損耗增加等問題。

  近日，清華大學(xué)電機(jī)系黨智敏教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合清華大學(xué)機(jī)械系趙慧嬋老師提出通過調(diào)控大分子交聯(lián)劑的分子量降低網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)點(diǎn)官能度、消除應(yīng)力集中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)低模量（Y~0.073MPa）和高韌性（強(qiáng)度極限達(dá)32.2MPa，斷裂伸長率~2400%），并且網(wǎng)絡(luò)的介電損耗（tan δ_e=0.0019@1kHz）和機(jī)械損耗（tan δ_m=0.21@1Hz，20℃）也都得到有效抑制。

  相對(duì)比小分子交聯(lián)劑，大分子交聯(lián)劑不僅可以完成網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)，還可以將交聯(lián)點(diǎn)的官能度由4降為3，有助于降低彈性體的楊氏模量。當(dāng)大分子交聯(lián)劑的相對(duì)分子質(zhì)量和交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)平均分子量相匹配時(shí)，可以有效提升交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)整度和均勻性，消除應(yīng)力集中，從而實(shí)現(xiàn)高韌性。實(shí)驗(yàn)制備了由分子量不同的交聯(lián)劑（=575 g mol^-1、1600 g mol^-1、6800 g mol^-1和28000 g mol^-1）交聯(lián)的聚丙烯酸酯介電彈性體，測試并分析討論了其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。其中，由CN9021NS交聯(lián)的彈性體其網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)點(diǎn)平均分子量和交聯(lián)劑平均分子量最匹配，具有最低的楊氏模量、最高的斷裂伸長率和韌性。

圖1：均勻雜化網(wǎng)絡(luò)的力學(xué)性能。a，包含單體、交聯(lián)劑和光引發(fā)劑的預(yù)聚體經(jīng)紫外光固化形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。b，BAC2單軸拉伸前后對(duì)比圖。c，VHB^TM4910，BA-S，BA-M，BA-L和BAC2應(yīng)力應(yīng)變曲線對(duì)比圖。d，BAC2和已報(bào)道的介電軟材料的斷裂強(qiáng)度與模量之比對(duì)比圖。e，BAC2和已報(bào)道的介電軟材料的韌性對(duì)比圖。

  大分子交聯(lián)劑作為網(wǎng)絡(luò)組成的重要部分，其分子鏈柔性直接影響了彈性體的介電和力學(xué)性能。該工作選用的大分子交聯(lián)劑CN9021NS中含有柔性的聚醚二醇長鏈段，可以有效降低聚丙烯酸酯基分子鏈的偶極-偶極相互作用，從而抑制介電和機(jī)械損耗。

  大分子交聯(lián)劑增加了網(wǎng)絡(luò)中游離分子鏈的含量，這些分子鏈對(duì)聚合物介電性能和力學(xué)性能的影響也得到了深入的探究。相比于受交聯(lián)點(diǎn)束縛的鏈段，游離分子鏈具有更大的取向極化，可以提高聚合物的介電常數(shù)，并不會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)的介電損耗和機(jī)械損耗。

  因而，大分子交聯(lián)劑交聯(lián)的聚合物網(wǎng)絡(luò)（BAC2）具有較高介電常數(shù)、低楊氏模量、低損耗和高韌性的特點(diǎn)，使得彈性體具有高驅(qū)動(dòng)敏感因子（β=78.8）、低電場下大驅(qū)動(dòng)形變（面積形變18.8%@15MV/m，118%@70MV/m）、高能量密度（0.242MJ/m³）以及快速響應(yīng)（驅(qū)動(dòng)帶寬>100Hz）、抗疲勞（超50000次循環(huán)驅(qū)動(dòng)）。由其制備的無磁電機(jī)可以在更低的電場（32MV/m）和更高的驅(qū)動(dòng)頻率（>17Hz）下旋轉(zhuǎn)，并且在48MV/m的驅(qū)動(dòng)電場下，其轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率分別是由VHB^TM4910制備的無磁電機(jī)的15倍、6倍和18倍。

圖2：介電彈性體柔性無磁電機(jī)機(jī)械輸出性能。a，無磁電機(jī)的視頻截圖展示完整旋轉(zhuǎn)過程，其中t和T分別表示時(shí)間和周期。b，無磁電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度與驅(qū)動(dòng)電場和驅(qū)動(dòng)頻率的關(guān)系，嵌入圖為由VHB^TM4910制備的無磁電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的局部放大圖。c，在48MVm^-1下，旋轉(zhuǎn)速度隨驅(qū)動(dòng)頻率的變化規(guī)律。d，無磁電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。

  該工作提出了通過調(diào)控大分子交聯(lián)劑的分子結(jié)構(gòu)和分子量優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提升介電彈性體驅(qū)動(dòng)性能的策略。低電場下的大驅(qū)動(dòng)形變和高能量密度是軟執(zhí)行器發(fā)展的方向。這里所提出的彈性體組成選擇原則和策略為高性能介電彈性體尤其是可控制備均勻的雜化網(wǎng)絡(luò)提供了新的發(fā)展思路。該工作以“Soft, tough and fast polyacrylate dielectric elastomer for non-magnetic motor”為題發(fā)表在Nature Communications期刊（Nature communications 12, 4517(2021)）。論文的第一作者為清華大學(xué)電機(jī)系博士生尹麗娟，通訊作者為黨智敏教授，共同通訊作者為清華大學(xué)機(jī)械系趙慧嬋老師。

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-24851-w

  下載：Soft, tough and fast polyacrylate dielectric elastomer for non-magnetic motor