高电致伸缩性能弹性体材料的制备研究

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介电弹性体(DE)是一类可以将电能转变为机械能的智能材料,具有转化效率高、能量密度高、电致形变大、黏弹滞后小和响应速度快等优势,在微型驱动器、人造肌肉和机器人等领域具有巨大应用潜力。目前可用材料或多或少存在缺点和不足,制备具有高介电、低模量、能够在低电压下产生大形变的材料是介电弹性体研究的重点。本文制备了氟硅橡胶(FVMQ)基和明胶基介电弹性体,分别从热学性能、电学性能和机电性能等方面对其进行了详细研究:  通过两段硫化工艺制备FVMQ橡胶,选择最优的硫化剂用量。FVMQ表现出良好的耐热性、高介电常数(~6.5)、低介电损耗(<0.02)的同时具有较低的弹性模量(~0.5MPa),机电敏感因子β高达12.37MPa-1,能够在低电压下产生较大的电致形变,在32 kV·mm-1时可以产生15%的电致形变。  以FVMQ为基体,优选的硫化剂用量0.4phr,加入不同用量硅烷偶联剂KH570改性二氧化钛(TiO2)制备复合材料。随着填料用量增加,交联密度、弹性模量、介电常数、介电损耗和击穿电压都有所提高,敏感因子逐渐下降。TiO2用量超过一定值后形成填料网络,断裂伸长率开始下降,弹性模量大幅增加。TiO2/FVMQ复合材料机电性能较纯FVMQ大幅提高,最大电致形变提高153%达到38%,具有良好的机电稳定性。  选择断裂伸长率较高的氟硅橡胶作为研究对象,分析了预拉伸对FVMQ介电弹性体的影响。预拉伸以后,FVMQ和TiO2/FVMQ复合材料击穿电压和电致形变都大幅提高,FVMQ的最大电致形变比未预拉伸提高了约132%; TiO2/FVMQ复合材料预拉伸后最大电致形变提高了10倍。氟硅橡胶基介电弹性体最佳预拉伸比例在2×2左右。  选择具有大量极性基团的明胶作为基体,以生物无毒的甘油作为增塑剂改善其力学性能,制备了无细胞毒性的甘油/明胶复合材料。增塑后克服了明胶的脆性,表现为弹性体态,具有良好的耐热性和力学性能,介电常数从6提高到116,伴随着介电损耗增加和体积电阻率从1014Ω·cm急剧下降到106Ω·cm。材料会在较小的电压下破坏,产生约3%的电致形变。
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