丙烯酸树脂弹性体复合薄膜的介电及电驱动性能研究

被引量 : 0次 | 上传用户:E200902027
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介电弹性体是一种在电场的作用下可以产生形变,撤销电场后,又会回复到原始状态的新型电活性高分子材料。它在电场下产生电致应变的过程实质上是电能转换成机械能的过程。因此,介电弹性体可以应用在仿生材料、发电和传感等领域。介电弹性体自身的介电常数和弹性模量是影响其驱动性能的重要因素。此外,对薄膜所施加的预拉伸量、电极特性、电场强度等因素也十分重要。通过研究这些因素,找出驱动薄膜的最佳条件,可以有效的指导实际应用。本课题采用自由基聚合法合成丙烯酸树脂弹性体ACM,并通过化学接枝将CuPc接枝到ACM分子链上制备了具有高介电常数的纳米复合材料ACM-g-CuPc,FT-IR、1H-NMR和ICP测试证明了接枝反应的成功。TEM分析表明,在共混物ACM/CuPc中,CuPc的颗粒大小约为500nm,且颗粒分散不均匀;而在接枝物ACM-g-CuPc中,CuPc颗粒分布均匀,且颗粒大小约为15~30nm,仅为ACM/CuPc中CuPc颗粒大小的1/30。DSC和TGA分析表明,CuPc的加入提高了复合材料的热稳定性。接枝复合薄膜的介电常数和介电损耗均随着频率的增加而降低,且在低频下介电常数和介电损耗随着CuPc含量的增加而增加。此外,接枝复合薄膜的介电性能和击穿电场强度也明显优于共混复合物的。ACM-g-15%CuPc在室温下100Hz时的介电常数高达303,是ACM(介电常数为5.3)的60倍;是物理共混物ACM/15%CuPc的1.5倍。复合材料介电常数的提高主要归因于界面交换耦合效应和MWS极化机理。此外,经放射性元素60Co辐照后,复合薄膜的介电性能也会发生变化,且辐照后介电性能的变化在共混复合薄膜中的表现更为明显。接枝复合薄膜的弹性模量不但随BA在ACM基体中含量的增加而降低,而且还随着CuPc质量分数的增加而增加。BA含量为70wt%时,ACM-g-5%CuPc的弹性模量为1.1MPa。在相同CuPc含量下,共混复合材料的弹性模量要大于接枝复合材料的弹性模量。对接枝复合薄膜ACM-g-5%CuPc进行驱动后得出,使用碳脂电极的薄膜的弹性模量越小、非激活区的面积越大、可获得的电致应变越大;对薄膜施加的等轴双向预拉伸量越大,其电致应变越大,最大电场强度越高,响应速度越快。涂有1cm直径碳脂电极,经过150%150%等轴双向预拉伸的含有60%BA的ACM-g-5%CuPc薄膜仅在10MV/m的电场强度下就获得了在面积方向上高达24%的电致应变。此外,预拉伸量、非激活区的大小等因素对薄膜的失效行为也有明显的影响。
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