介電彈性體材料的研究綜述*

劉志運(yùn)，江澤華

（1.廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)車車輛學(xué)院，廣州 510430；2.五邑大學(xué)軌道交通學(xué)院，廣東江門 529020）

0 引言

介電彈性體（DE，Dielectric Elastomer）材料是在20世紀(jì)90年代逐步發(fā)展起來的電活性聚合物材料（Electroactive Poltmer，EAP），DE 顯著的特點(diǎn)是在電刺激下材料有很好的形變特性[1]，正因?yàn)樵摬牧暇哂辛己玫男巫兲匦允艿皆S多科學(xué)家和研究人員的青睞，而由于電能刺激形變特點(diǎn)使得該材料能夠在多領(lǐng)域內(nèi)得以運(yùn)用。研究發(fā)現(xiàn)DE本身還具有耐沖擊、耐疲勞、與機(jī)械能量源易于耦合、高斷裂性、固有振動(dòng)阻尼、大驅(qū)動(dòng)應(yīng)變等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)有利于使該材料應(yīng)用在惡劣的環(huán)境中，相同環(huán)境條件下的DE材料相對(duì)于普通的機(jī)械轉(zhuǎn)換器、壓電陶瓷材料有更好的形變等特點(diǎn)，因此介電彈性體材料有更廣闊的發(fā)展前景。

EAP 材料主要分為電子型和離子型兩類，EAP 材料電子型驅(qū)動(dòng)工作原理主要運(yùn)用電場或庫侖力原理，EAP材料電場或庫侖力原理所運(yùn)用材料的種類有電致伸縮彈性體、介電彈性體、鐵電聚合物等[2-3]；EAP 材料離子型驅(qū)動(dòng)原理運(yùn)用離子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)或遷移運(yùn)動(dòng)[4]，其擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)或遷移運(yùn)動(dòng)原理所運(yùn)用材料的種類有碳納米管、導(dǎo)電聚合物、聚合物凝膠、離子聚合物-金屬復(fù)合材料等。EAP材料種類繁多應(yīng)該根據(jù)運(yùn)用的領(lǐng)域不同而進(jìn)行選擇，該材料在不同領(lǐng)域下有著不同的優(yōu)缺點(diǎn)。

本文主要闡述了EAP 中介電彈性體材料的研究現(xiàn)狀，分析該材料的特點(diǎn)、發(fā)展趨勢，以及該材料實(shí)際應(yīng)用、存在問題與解決方向，對(duì)DE 未來的發(fā)展提出建議，優(yōu)化該材料性能擴(kuò)展在更多的使用領(lǐng)域。

1 介電彈性體材料研究現(xiàn)狀

通過研究發(fā)現(xiàn)DE 材料有多種，每一種DE 材料有不同的特性，常用的DE 材料有硅橡膠、硅樹脂、聚氨酯、丁腈橡膠、丙烯酸、天然橡膠、亞乙烯基三氟化乙烯及復(fù)合材料[5-14]。DE 材料的參數(shù)有很多，主要影響該材料特性主要參數(shù)有介電常數(shù)、介電強(qiáng)度、楊氏模量、體積電阻率、響應(yīng)速率、剪切模量及延伸率等。

Kaltseis 等[15]實(shí)驗(yàn)得出DE 天燃橡膠材料比丙烯酸酯材料的特性有更高的楊氏模量、介電強(qiáng)度及斷裂能，因此DE 天然橡膠材料運(yùn)用于能量收集器有更好的耐疲勞強(qiáng)度及更長的工作壽命。Vucong 等[16]實(shí)驗(yàn)分析DE 雙面膠帶材料與硅膠管材料的特性，得出當(dāng)溫度在低溫條件下發(fā)生形變雙面膠帶材料VHD 比硅膠管材料收集能量的性能更好，當(dāng)溫度在高溫條件下發(fā)生形變硅膠管材料比雙面膠帶材料收集能量的性能更好。Graf等[17]實(shí)驗(yàn)得出，未來研究與發(fā)展DE 材料時(shí)，在不影響材料性能的前提下對(duì)該材料的某個(gè)特點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行研究以提升材料收集能量水平。Vertechy 等[18]實(shí)驗(yàn)得出DE 合成橡膠材料比天然橡膠材料收集能量的性能更好。

根據(jù)DE 材料研究現(xiàn)狀可知，該材料的橡膠和雙面膠帶是目前主流使用，橡膠材料和雙面膠帶材料具有耐腐蝕、耐沖擊、較大的形變特性，使該材料成為主流使用。DE雙面膠帶材料與硅膠管材料相比，雙面膠帶材料適合于低溫條件下工作，硅膠管材料適合于高溫條件下工作，針對(duì)DE 材料在不同的環(huán)境下工作應(yīng)選擇適合的DE材料，以達(dá)到更好的能量收集效果與驅(qū)動(dòng)性能[19]。

2 介電彈性體材料特點(diǎn)

1880 年Wilhelm Conrad Rontgen 提出了DE 材料的致動(dòng)機(jī)理，該材料兩端產(chǎn)生電極電壓誘導(dǎo)出靜電壓，使其往水平面上擴(kuò)展延伸，同時(shí)該材料在垂直面上收縮變窄。DE材料裝置里有介電彈性體材料和附著在材料上下表面的柔性電極材料組成[20]。該裝置的特性有高速響應(yīng)、高密度的機(jī)械能量、荷載致動(dòng)大等特點(diǎn)，因此介電彈性體材料有著很好的發(fā)展前景，DE模型及致動(dòng)機(jī)理如圖1所示。

圖1 DE模型及致動(dòng)機(jī)理

DE材料裝置的工作機(jī)理運(yùn)用了雙極板電容器裝置致動(dòng)效應(yīng)，雙極板電容器裝置致動(dòng)效應(yīng)是DE 材料表面產(chǎn)生電極時(shí)加載出電荷后，DE材料上、下表面的柔性電極間的電荷相互吸引形成麥克斯韋應(yīng)力，麥克斯韋應(yīng)力作用于DE 材料上、下表面，從而實(shí)現(xiàn)DE 材料由電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。

DE 材料能量轉(zhuǎn)換器的工作原理有多種輸出，Pelrine等研究得出當(dāng)電容C充電后獲得電荷量Q時(shí)，DE 材料隨著電極板電容器力的作用下厚度z和面積A的延申擴(kuò)展使得電能Ue的微分變化dUe。DE材料體積恒定公式如下：

由式（1）可知，當(dāng)DE 材料獲得恒定電荷Q時(shí)，其表面在任何外力的作用下使得材料厚度增加，從而使該材料采集器收集機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，工作原理如圖2 所示，DE材料轉(zhuǎn)換器可以運(yùn)用于傳感器也可以運(yùn)用于發(fā)電機(jī)。DE 材料在外力的作用下使其厚度減小，從而使DE材料轉(zhuǎn)換器收集電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，它的逆過程可把DE材料轉(zhuǎn)換器能看成驅(qū)動(dòng)器使用。

圖2 DE材料發(fā)電原理

3 介電彈性體材料的應(yīng)用

2007 年8 月，國際非盈利獨(dú)立研究機(jī)構(gòu)SRI 根據(jù)DE材料的特性在海洋實(shí)驗(yàn)方面展開研究，研究出在浮標(biāo)上安裝電活化聚合物的人工肌肉（EPAM）發(fā)電機(jī)放在海洋上漂浮，通過EPAM 發(fā)電機(jī)來收集海浪的運(yùn)動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能。2008 年12 月，SRI 在海洋中研究了浮標(biāo)式發(fā)動(dòng)機(jī)，通過浮標(biāo)式發(fā)動(dòng)機(jī)研究出由海浪的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電能可方便存儲(chǔ)在蓄電池中，浮標(biāo)式發(fā)電機(jī)將海浪的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電能運(yùn)用的是EPAM 技術(shù)，無需安裝復(fù)雜的液壓傳動(dòng)裝置，只需通過簡單的運(yùn)動(dòng)部件即可使DE 材料發(fā)生變形，將外部運(yùn)動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，降低浮標(biāo)式發(fā)電機(jī)生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)海浪能量收集。浮標(biāo)式發(fā)電機(jī)工作的測試結(jié)果顯示，其有合適的電能輸出功率，產(chǎn)生的電能存儲(chǔ)在蓄電池中。浮標(biāo)式發(fā)電機(jī)可使用于海浪、瀑布、小溪等環(huán)境，使用DE 材料設(shè)計(jì)這類發(fā)電機(jī)能輸出更大的功率，機(jī)械運(yùn)動(dòng)能使得浮標(biāo)式發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換電能并為各相關(guān)領(lǐng)域供電，因而浮標(biāo)式發(fā)電機(jī)有廣闊的發(fā)展前景。

通過DE 材料在航天航空領(lǐng)域應(yīng)用的研究，其所具有的優(yōu)勢逐漸顯示出來，以往航天航空領(lǐng)域的窗口除塵通常使用空間探測器窗口除塵器，其重量大，器械內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，經(jīng)過研究應(yīng)用DE 材料驅(qū)動(dòng)原理，可制作成空間用智能除塵刷，利用DE 材料制成的空間智能除塵器的特點(diǎn)，如重量輕、內(nèi)部設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊、驅(qū)動(dòng)能耗低、驅(qū)動(dòng)功率低等優(yōu)點(diǎn)，該特點(diǎn)有利于減輕空間探測器的重量。瑞士聯(lián)邦材料測試研究實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用DE 材料驅(qū)動(dòng)原理研究出飛艇驅(qū)動(dòng)器，使得飛艇的轉(zhuǎn)向能夠自由控制。俄亥俄航天局應(yīng)用DE 材料的電致活性聚合物對(duì)飛行器進(jìn)行研究設(shè)計(jì)出固態(tài)飛行器SSA[21]。2010 年鄂世舉等[22]對(duì)DE 材料的機(jī)械能與電能轉(zhuǎn)換應(yīng)用于能量收集，得到高效的能量收集與能量轉(zhuǎn)換效率。與此同時(shí)，DE材料驅(qū)動(dòng)應(yīng)用在不斷發(fā)展，對(duì)DE 材料在電路與頻率方面進(jìn)行更深入的研究。2017 年盛俊杰等[23]研究了DE 材料在致動(dòng)器的非線性動(dòng)態(tài)，能夠很好地補(bǔ)償靜電能和變形阻尼能耗，使DE 材料系統(tǒng)能更好地以恒定振幅振動(dòng)。2019年鄂世舉等[24]將DE材料應(yīng)用于海浪發(fā)電，由傳統(tǒng)的液壓泵收集動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能發(fā)展到DE 材料收集動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能。2021 年霍怡潔等[25]研究了彎曲形圓柱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，機(jī)器人的一個(gè)重要部件是機(jī)械手，機(jī)械手是機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，機(jī)械手在產(chǎn)品的生產(chǎn)及各方面有著廣泛的運(yùn)用，特別是人類機(jī)械手仿生方面是研究的熱門。通過對(duì)DE 材料在驅(qū)動(dòng)方面的研究，設(shè)計(jì)出彎曲形圓柱介電驅(qū)動(dòng)單元，對(duì)彎曲形圓柱介電驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行組裝，構(gòu)成三爪抓手的機(jī)械手，對(duì)機(jī)械手的抓取性能進(jìn)行測試[26]。機(jī)械手的抓取執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要以3 部分組成，分別有驅(qū)動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)固定單元、吊桿，如圖3所示。

圖3 抓取機(jī)構(gòu)

4 介電彈性體的發(fā)展趨勢

4.1 介電彈性體材料在驅(qū)動(dòng)方面研究

DE 材料在驅(qū)動(dòng)方面的研究有仿生、生物醫(yī)學(xué)、航天航空等方向，該材料在驅(qū)動(dòng)仿生方面的發(fā)展應(yīng)用于仿生機(jī)器人。DE 材料仿生特點(diǎn)具有模量高、質(zhì)量輕、體積小、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單和低成本等特點(diǎn)，可應(yīng)用于導(dǎo)航定位路線、狹小空間工作、限制環(huán)境救援等領(lǐng)域。早期DE 材料應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)仿生機(jī)器人，2002 年12 月日本大阪Eamex 公司研究出在水中可自由游泳的機(jī)械魚[27]。DE 在驅(qū)動(dòng)醫(yī)學(xué)方面的發(fā)展針對(duì)手術(shù)愈合、擦傷、中風(fēng)等運(yùn)動(dòng)有障礙的患者，如對(duì)DE 在驅(qū)動(dòng)方面研究出動(dòng)態(tài)康復(fù)矯形器，應(yīng)用DE 材料的動(dòng)態(tài)康復(fù)矯形器幫助患者恢復(fù)身體正常運(yùn)動(dòng)[28]。DE 材料在航空航天領(lǐng)域具有更高的要求，如Burkitt 等應(yīng)用硅技術(shù)研究出耐溶劑硅樹脂介電彈性體材料、耐溶劑硅樹脂介電彈性體燃料等，用于吸收航空航天熱量的循環(huán)應(yīng)力。

隨著DE 材料在驅(qū)動(dòng)方面研究應(yīng)用不斷擴(kuò)展，得到更多行業(yè)和研究人員的重視。DE材料在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用，將帶給人們生活更加便捷和提供更多服務(wù)。

4.2 介電彈性體材料在發(fā)電方面研究

DE材料收集自然界中可再生能源轉(zhuǎn)換為電能被廣泛研究，其應(yīng)用于收集海洋能方面具有顯著優(yōu)勢，可以取代傳統(tǒng)液壓傳動(dòng)裝置能量轉(zhuǎn)換器。傳統(tǒng)的液壓傳動(dòng)裝置如圖4 所示；DE 材料的浮標(biāo)式海洋能發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換器如圖5 所示。DE 材料浮標(biāo)式海洋能發(fā)電機(jī)系統(tǒng)專門運(yùn)用在海浪超過2～3 m 地方，收集海浪的自然能量[29]，應(yīng)用了EPAM 原理系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)換效率高、伸縮性好等優(yōu)點(diǎn)，未來的研究會(huì)沿著DE 材料浮標(biāo)式發(fā)電機(jī)的EPAM 原理系統(tǒng)特性向著大型海浪和小型波浪方向發(fā)展，DE材料浮標(biāo)式發(fā)電機(jī)與液壓轉(zhuǎn)換器相比使收集電能的成本大大降低。未來DE 材料發(fā)電機(jī)不僅運(yùn)用于收集海浪能，還會(huì)向更多的領(lǐng)域發(fā)展，同濟(jì)大學(xué)陳明[30]基于DE 材料彈性研究出收集自然界風(fēng)能的電活性聚合物微型發(fā)電機(jī)，并研究出收集樹葉晃動(dòng)能、人體運(yùn)動(dòng)能、溪流能、河流能等微型能量收集轉(zhuǎn)換器。DE材料能量轉(zhuǎn)換器未來可以應(yīng)用于收集自然界運(yùn)動(dòng)能量實(shí)現(xiàn)能量回收，從而為解決全球變暖、能源短缺等問題提供解決方案。

圖4 液壓活塞泵

圖5 浮標(biāo)式海洋能發(fā)電機(jī)

5 介電彈性體材料應(yīng)用需要解決的問題

（1）高基礎(chǔ)偏置電壓的限制問題。DE材料每毫米需要用上千伏的電壓來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，高驅(qū)動(dòng)電壓限制DE 材料的應(yīng)用范圍。之后的對(duì)DE 材料的研究時(shí)減少基質(zhì)厚度以減少驅(qū)動(dòng)電壓，或者應(yīng)用DE 材料所具有的升壓特性，利用翻轉(zhuǎn)電荷泵原理的基礎(chǔ)上，使得DE 材料提升的一部分電壓轉(zhuǎn)換為電荷自偏置形成電壓而不用高電壓源。

（2）提高機(jī)電的電能量轉(zhuǎn)換效率和降低能量損耗問題。DE材料在發(fā)電機(jī)應(yīng)用時(shí)，由于存在存儲(chǔ)能量裝置損耗、機(jī)械在發(fā)電過程的損耗、電力電子的損耗、聚合物損耗等，影響發(fā)電能量的回收。在后期研究中，如果能夠解決這些問題將可減少應(yīng)用電壓、電極內(nèi)阻，從而提高DE 材料發(fā)電機(jī)的電極導(dǎo)電效率，使得能量轉(zhuǎn)換時(shí)能量在電阻的損耗減少，優(yōu)化DE 材料發(fā)電機(jī)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的循環(huán)過程，從而提高DE 材料發(fā)電機(jī)的電能量轉(zhuǎn)換效率。

（3）改善DE 材料的性能。降低彈性模量有利于提高介電彈性體材料驅(qū)動(dòng)的電應(yīng)變，具體方法可通過添加增塑劑、減小交聯(lián)密度的方法來進(jìn)行。增塑劑是一種高分子材料，有鄰苯二甲酸二辛酯（ESO）、甘油、硅油等材料用于降低DE 材料彈性模量。調(diào)整DE 材料里的效網(wǎng)鏈數(shù)，減小交聯(lián)密度，從而使DE 材料降低彈性模量。DE材料介電常數(shù)的提高有利于使該材料電容值增加，從而降低所需的電場強(qiáng)度，獲得更高的電驅(qū)動(dòng)應(yīng)變。提高介電常數(shù)的方法有對(duì)DE 材料的基體進(jìn)行改性進(jìn)行本征型DE 的制備、復(fù)合型DE 材料的制備方法進(jìn)行提高介電常數(shù)。對(duì)DE 材料進(jìn)行化學(xué)改性，對(duì)DE 材料合成新的成分，進(jìn)行本征DE 材料的制備，使DE 材料有大極化率的極性基團(tuán)，從而提高DE 材料的介電常數(shù)。復(fù)合型DE 材料的制備是通過物理復(fù)合的方法進(jìn)行制備，利用高介電常數(shù)的材料與高擊穿強(qiáng)度的聚合物相結(jié)合起來，使兩種填料的特點(diǎn)結(jié)合起來提高DE 材料的常數(shù)，目前常用的材料有無機(jī)陶瓷填料與導(dǎo)電填料兩種。當(dāng)DE 材料的基體中無機(jī)陶瓷填料濃度足夠高時(shí)，復(fù)合材料的介電性能會(huì)有明顯的提升，但會(huì)使DE 材料的其他性能會(huì)有所下降，從而影響DE 材料的電驅(qū)動(dòng)性能。因此，DE 材料需要更進(jìn)一步地研究出既能提高介電常數(shù)又能穩(wěn)定DE 材料的其他性能。

6 展望

20 世紀(jì)末以來，DE 材料被眾多研究人員所研究，該材料經(jīng)過多年的研究與發(fā)展，取得了眾多優(yōu)秀成果。DE材料有電致形變的特點(diǎn)，在驅(qū)動(dòng)器、傳感器、仿生材料等方面的研究與應(yīng)用有著很好的發(fā)展起點(diǎn)。隨著對(duì)自然能源回收方面不斷研究與發(fā)展，自然能源回收方面對(duì)DE 材料的使用和輔助器件應(yīng)用也會(huì)不斷發(fā)展，改善DE材料的彈性性能、對(duì)新型DE 材料的發(fā)現(xiàn)與制備變得越來越重要，該材料有電致形變能力、驅(qū)動(dòng)效率高、機(jī)電轉(zhuǎn)換效率快的優(yōu)點(diǎn)，因此，DE材料在自然能源回收方面的應(yīng)用有著很好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

DE材料有著非線性與幾何形變特點(diǎn)，而且其承受的載荷還具有多場耦合特點(diǎn)，這些特點(diǎn)在機(jī)械力場、電場耦合、熱場耦合等方面的應(yīng)用，而在航天航空、人工智能、機(jī)器人等方面有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，但是在商業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用比較欠缺，需在商業(yè)領(lǐng)域、服務(wù)業(yè)領(lǐng)域?qū)E材料做進(jìn)一步研究。因此，DE材料在力學(xué)性能與電能相結(jié)合的發(fā)展與研究有著重要的意義，圍繞DE 材料的穩(wěn)定性與變形深入研究，主要在該材料的基本構(gòu)成的理論、穩(wěn)定性、電致形變、許用區(qū)域、應(yīng)用理論、力學(xué)非均勻行為、機(jī)電相變、耗散理論、動(dòng)力學(xué)理論及其他理論等方面進(jìn)行研究。通過對(duì)DE 材料關(guān)鍵技術(shù)的理論研究，為該材料未來在更多領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論依據(jù)，為后續(xù)DE 材料在商業(yè)領(lǐng)域、服務(wù)業(yè)領(lǐng)域進(jìn)一步應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

7 結(jié)束語

基于介電彈性體材料研究，該材料不僅在驅(qū)動(dòng)、發(fā)電、仿生學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、航空航天等領(lǐng)域發(fā)展，在未來還會(huì)在更多領(lǐng)域有更加廣闊的發(fā)展前景，如商業(yè)領(lǐng)域、服務(wù)業(yè)領(lǐng)域等，使得DE 材料在民用服務(wù)領(lǐng)域得到進(jìn)一步發(fā)展，從而使該材料為人類的生活發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步、能源節(jié)約等方面做出更大貢獻(xiàn)。

現(xiàn)有對(duì)DE 材料研究基礎(chǔ)上，對(duì)介電彈性體材料的研究現(xiàn)狀、特點(diǎn)、應(yīng)用、發(fā)展趨勢、應(yīng)用等需要解決的問題方面進(jìn)行了綜述，之后會(huì)在未解決領(lǐng)域做進(jìn)一步研究，優(yōu)化介電彈性體材料性能，為該材料未來能在更多領(lǐng)域應(yīng)用提供理論依據(jù)。