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清華大學(xué)黨智敏教授團(tuán)隊(duì)《Nat. Commun.》：共振頻率可以達(dá)到200 Hz的丙烯酸酯彈性體
2024-11-19  來源：高分子科技

  介電彈性體是一種電活性聚合物，在Maxwell應(yīng)力下可以產(chǎn)生顯著的可逆形變，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，具有形變量大（>100%）、能量密度高、控制簡單、便于人機(jī)交互等優(yōu)勢，在柔性驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域獲得廣泛關(guān)注。介電彈性體作為驅(qū)動(dòng)器的供能模塊，其功率密度直接決定了驅(qū)動(dòng)器的性能。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(yīng)頻率低；硅橡膠彈性體則與之相反。因此，實(shí)現(xiàn)高功率密度（>100 W/kg）通常需要高驅(qū)動(dòng)電場（>40 MV/m），這對器件的絕緣和操作安全提出高要求、限制了介電彈性體柔性驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用。介電彈性體的功率密度與驅(qū)動(dòng)電場近似成4次方關(guān)系。如何實(shí)現(xiàn)低場下高功率密度是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題。


  近期，清華大學(xué)電機(jī)系黨智敏教授團(tuán)隊(duì)利用分子量差異巨大的兩種交聯(lián)劑構(gòu)建了丙烯酸酯雙模網(wǎng)絡(luò)，大分子量交聯(lián)劑賦予彈性體高彈性和較低模量，少量的小分子量交聯(lián)劑縮短交聯(lián)點(diǎn)間平均分子量，加快應(yīng)力傳導(dǎo)速度，提高彈性體驅(qū)動(dòng)響應(yīng)頻率特性（圖1）。該丙烯酸酯彈性體在保留丙烯酸酯彈性體高介電常數(shù)和高能量密度優(yōu)勢的同時(shí)具備了可比擬硅橡膠彈性體的低模量和高驅(qū)動(dòng)頻率（~200 Hz）。在低驅(qū)動(dòng)電場下，該雙模網(wǎng)絡(luò)彈性體具有高功率密度（154 W/kg@20 MV/m），超過了哺乳動(dòng)物骨骼肌的典型值（50 W/kg）。更進(jìn)一步，作者們基于該先進(jìn)材料制備了柔性無磁旋轉(zhuǎn)電機(jī)，測試了電機(jī)在不同驅(qū)動(dòng)電場和頻率下的轉(zhuǎn)速特性。電機(jī)轉(zhuǎn)速展示了多個(gè)共振峰，并在125 Hz附近達(dá)到最高轉(zhuǎn)速，表明在該頻率附近彈性體具有最高的輸出功率。在19.6 MV/m、125 Hz的驅(qū)動(dòng)電場下，該電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1245 rpm，遠(yuǎn)高于目前已報(bào)道的丙烯酸酯彈性體電機(jī)（<200 rpm, >40 MV/m）（圖2）。該工作以“A high-response-frequency bimodal network polyacrylate elastomer with ultrahigh power density under low electric field”為題發(fā)表在《Nature Communications》（Nature Communications (2024) 15:9819）。文章的第一作者是清華大學(xué)電機(jī)系博士后尹麗娟博士。該研究得到國家自然科學(xué)基金委、中國博士后科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。

 

圖1 丙烯酸酯雙模網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建、微觀結(jié)構(gòu)、組成表征


圖2 丙烯酸酯彈性體功率密度特性和柔性旋轉(zhuǎn)電機(jī)


  該研究團(tuán)隊(duì)在丙烯酸酯彈性體和柔性旋轉(zhuǎn)電機(jī)的領(lǐng)域開展了多年的研究，2021年在Nature Communications發(fā)表過題為“Soft, tough, and fast polyacrylate dielectric elastomer for non-magnetic motor”工作，關(guān)注丙烯酸酯彈性體的低場驅(qū)動(dòng)和快速響應(yīng)問題（Nature Communications  (2021) 12:4517，https://doi.org/10.1038/s41467-021-24851-w ）。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-54278-y

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（責(zé)任編輯：xu）
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