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  近日，西安交通大學化學學院張志成教授團隊通過對分子結(jié)構(gòu)設(shè)計，得到了具有較大介電常數(shù)（11.2）和高擊穿場強的新型聚氯乙烯基介電彈性體，實現(xiàn)了低驅(qū)動電場下的大應變（85 MV/m應變?yōu)?/span>-38%）。在相同電場強度下，該材料與現(xiàn)有報道的自支撐介電彈性體相比具有最大的形變量。此外，通過簡單工藝制備的自支撐柔性驅(qū)動器在低驅(qū)動電壓（150 V）即可產(chǎn)生明顯形變。該研究成果以Dielectric Elastomer with Excellent Electromechanical Performance by Dipole Manipulation of Poly(vinyl chloride) for Artificial Muscles under Low Driving Voltage Application 為題發(fā)表在Chem. Eng. J., 2022, 441, 13600上。

  不同于傳統(tǒng)的聚硅氧烷、聚丙烯酸和聚氨酯體系，本文首次采用無金屬催化還原的方法，得到氯乙烯與乙烯的無規(guī)共聚物。其中，氯乙烯含量為42 mol%的共聚物（P(VC-E)-4）是一種熱塑性彈性體。其機械性能如圖1所示。不論是從單軸拉伸曲線（圖1a）還是單軸壓縮曲線中（圖1b）中，P(VC-E)-4都表現(xiàn)出自發(fā)應力變硬的特征。利用橡膠狀態(tài)方程進行擬合，結(jié)果證明，P(VC-E)-4中鏈長的均方末端距與完全伸直鏈之比（β=0.098）遠高于未拉伸的VHB 4905（β=0.0049），即P(VC-E)-4在拉伸過程中更易產(chǎn)生應力變硬的現(xiàn)象。從聚合物的微觀結(jié)構(gòu)來看，P(VC-E)-4中極性的氯乙烯鏈段因具有部分結(jié)晶而充當物理交聯(lián)點，拉伸變硬則是來源于乙烯鏈段由螺旋的α構(gòu)象轉(zhuǎn)變?yōu)槿词降?/span>β構(gòu)象（圖1c）。

圖1.（a）P(VC-E)-4和VHB 4905的單軸拉伸曲線；（b）P(VC-E)-4的單軸壓縮曲線；（c）P(VC-E)-4拉伸過程中微觀結(jié)構(gòu)變化。

圖2.（a）P(VC-E)-4介電溫譜；（b）P(VC-E)s和PVC的擊穿場強；（c）P(VC-E)s和PVC的泄漏電流密度。

  從圖3a中可以看出，P(VC-E)-4在未拉伸條件下，獲得了高達-38%@85 MV/m的厚度方向形變。這也是已報道的未拉伸體系中，相同電場強度下的最大電致形變量。利用公式對其電致形變量進行模擬（s_z為厚度方向形變量，而ε₀和ε_r分別為真空和相對介電常數(shù)，E為外加電場強度，Y為楊氏模量）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當介電常數(shù)ε_r取高電場強度下的介電常數(shù)值，楊氏模量Y取壓縮模量值時，公式模擬值（圖3a藍線）與實測值（圖3a黑點）擬合度高。這說明，未拉伸材料具有高擊穿電壓和大形變與材料的高介電常數(shù)和拉伸變硬有關(guān)。同時，材料還具有高達0.17 J/cm^-3的彈性能量密度（圖3b）和0.79的機電耦合系數(shù)（圖3c），遠高于相同電場下測試的未拉伸的VHB 4905（0.0027 J/cm^-3和0.26）。

圖3.（a）P(VC-E)-4和VHB4905的電致形變特性與模擬值；（b）P(VC-E)-4和VHB4905的彈性能量密度與模擬值；（c）P(VC-E)-4和VHB4905的機電耦合系數(shù)與模擬值。

  圖4a展示了將P(VC-E)-4作為介電彈性體制備一種自支撐的柔性驅(qū)動器。該驅(qū)動器在直流電場下應變圖像如圖4b所示，可以看出，該驅(qū)動器具有低驅(qū)動電壓（150 V, 10 MV/m），且在較低電場強度下大形變量（750 V, 50 MV/m）。而在相同電場條件下，未拉伸的VHB 4905形變量過小難以檢測。此外，該形變量分別是P(VDF-DB)-500和P(VDF-TrFE-CTFE)形變量的兩倍和五倍。由此可見，P(VC-E)-4以其優(yōu)良的性能，簡單的工藝條件拓寬了介電彈性體的種類和應用前景。

    

圖4.（a）驅(qū)動器在電場下的形變示意圖；（b）驅(qū)動器在直流電場下應變與電場的關(guān)系。

  論文鏈接https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S138589472201498X

  課題組相關(guān)研究：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/zhichengzhang。

  課題長期招收儲能電介質(zhì)、介電彈性體、聚合物鐵電壓電材料的等方向的碩博研究生。