【摘 要】
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介电弹性体(DE)材料是一种能够在电场的作用下发生形变,并且撤销电场后恢复形状来实现电能和机械能转换的柔性智能材料。凭借其良好的柔韧性、轻重量、大电致形变及易于加工等特点,未来DE材料将会在航空航天、仿生学、医疗康复、机器人和光学等多个领域实现应用。但是DE材料要获得大的驱动形变,往往需要很高的驱动电压,所以DE材料在商业上的应用仍然处于一个不成熟的阶段。因此,制备出一种在低驱动电压下获得大驱动力
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介电弹性体(DE)材料是一种能够在电场的作用下发生形变,并且撤销电场后恢复形状来实现电能和机械能转换的柔性智能材料。凭借其良好的柔韧性、轻重量、大电致形变及易于加工等特点,未来DE材料将会在航空航天、仿生学、医疗康复、机器人和光学等多个领域实现应用。但是DE材料要获得大的驱动形变,往往需要很高的驱动电压,所以DE材料在商业上的应用仍然处于一个不成熟的阶段。因此,制备出一种在低驱动电压下获得大驱动力、大驱动形变的DE材料是很有必要的。本论文的研究内容如下所示。为了增大复合材料内的异质相界面,增强界面极化效应并提高界面间的相容性,我们构建了“核-壳-聚合物基体介电常数逐层递减”的模型,研究不同类别的核和壳所组建的模型对介电弹性体材料的介电、力学和驱动性能的影响。(1)“核-半导体材料、壳-绝缘材料”的二氧化硅包覆二氧化钛复合硅橡胶介电弹性体材料的研究。利用正硅酸乙酯的水解将二氧化硅包覆在二氧化钛上,制备了TiO2@SiO2纳米粒子。并采用溶液共混的方法将其填充到硅橡胶(PDMS)中制备了TiO2@SiO2/PDMS复合材料。研究发现16 vol.%TiO2@SiO2/PDMS复合材料的介电常数为8.91(100 Hz)是纯PDMS的3.16倍,在30 V?μm-1下电致驱动应变为6.08%,相比于纯PDMS提高了180%。(2)“核-导电材料、壳-绝缘材料”的二氧化硅包覆碳纳米管复合硅橡胶介电弹性体材料的研究。通过水解正硅酸乙酯合成了CNTs@SiO2(CS)核壳纳米粒子,并采用溶液共混的方法制备了CS/PDMS复合材料。发现CS纳米粒子填充的PDMS,不仅介电常数有所提高,而且介电损耗也被抑制,保持在<0.04的低水平。(3)“核-高介电陶瓷材料、壳-半导体材料”的二氧化钛包覆钛酸钡复合硅橡胶介电弹性体材料的研究。利用钛酸四丁酯的水解将二氧化钛包覆在钛酸钡上,制备了BaTiO3@TiO2纳米粒子。采用溶液共混的方式制备了BaTiO3@TiO2/PDMS复合材料。不同于上述两种复合材料,BaTiO3@TiO2/PDMS复合材料的断裂伸长率几乎不受填料含量的影响,并且击穿强度是随填料含量的增大而不断增大的。在填充量为15 wt.%时,BaTiO3@TiO2/PDMS复合材料具有最大的驱动形变3.3%(30 V?μm-1)。综上,合理设计的“核-壳-聚合物基体介电常数逐层递减”的模型不仅能提升DE复合材料的介电常数和击穿场强,而且抑制了介电损耗。另外,也改善了DE复合材料的低电场电致驱动性能。这对介电弹性体驱动器的应用具有很好的参考意义。
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