刘志运 周芸悦

摘要：介电弹性体（Dielectric Elastomer，DE）是一种电活性聚合物，是一种表现出对电场响应的大应变材料。现介绍了介电弹性体中基质材料的结构特性，并详细分析了介电弹性体发电的基本原理、发电技术及其相比现有传统发电技术所具备的优势。根据近年来人们对介电弹性体的研究，总结并提出了介电弹性体未来发展中可能存在的问题以及应用前景。

关键词：介电弹性体;发电原理;应用

0 引言

介电弹性体研究自20世纪90年代中期开始，作为一类重要的功能材料，介电弹性体各方面已得到各国学者广泛研究，如非线性光学、铁电、压电元件和电致伸缩性等。近年来，通过改变形状来响应磁场、电场、压力等外部刺激的聚合物研究越来越多，电活性聚合物可能是被研究最多的一类，介电弹性体作为电活性聚合物的一种，具有张力大、工作原理简单的特点。介电弹性体在外部电场的刺激下可改变其结构形状或体积。当物体外部承受电能的刺激动作停止时，即可自动恢复或回到原来的物体形状或缩小体积，从而自动产生机械应力和运动应变，将外部电能自动转化为电动机械的性能，机电转换效率高。

1 介电弹性体中基质材料的结构特征

1.1    聚丙烯酸酯类弹性体

聚丙烯酸酯弹性体，一种由丙烯酸乙酯和其他丙烯酸酯共聚而成的合成橡胶，外加少量（约5%）另一种含有活泼卤素的化合物，如氯，用于弹性体的其他丙烯酸酯包括丙烯酸正丁酯、丙烯酸甲氧乙酯和丙烯酸乙酯，这些化合物具有良好的耐热、耐臭氧、耐光和耐油性[1]。

目前，使用最广泛的以丙烯酸酯为基础的DES是商用丙烯酸酯材料，如3M商用胶带VHB 4910和VHB 4905。亚克力材料因其低廉的价格、优异的性能、对顺应电极的良好附着力等优点而受到许多研究者的青睐。在高预应变水平下，亚克力材料的最大应力和驱动应变分别达到7.7 MPa和380%，预拉伸后亚克力材料的电击穿强度达到了空前的水平[2]。

1.2    硅树脂及其复合材料

为了开发能在低电压下活化的新材料，人们付出了很大的努力。其方法是提高弹性体的介电常数和降低弹性体的弹性模量。硅树脂具有使用温度范围广，化学反应活性低，耐氧、臭氧和阳光照射，电绝缘性好，毒性低等特点。一些商业硅树脂已经被研究，如DEA。而硅树脂材料的缺点是介电常数较低，因此要增加基础偏置电压和低抗断裂性，这使得处理薄膜成为一个挑战[3]。

近年来，为了提高硅橡胶的介电性能，大量研究工作都集中在提高硅橡胶的介电常数上。在基体中加入高介电常数陶瓷填料是提高弹性体介电常数的一种常用而简单的方法，常用的填料有钛酸铜钙（CaCu3Ti4O12）、钛酸钡（BaTiO3）、二氧化钛（TiO2）等，高介电常数刚性颗粒的加入使硅橡胶的介电常数显著增加，同时硅橡胶的模量也增加，击穿强度降低。Zhao等人将二氧化钛作为高介电常数填料，二甲硅油（DMSO）作为增塑剂对硅橡胶进行改性，制备出高介电常数低模量硅橡胶复合材料。DMSO的膨胀作用使硅橡胶/TiO2复合材料的模量从820 kPa降低到95 kPa，虽然介电常数也降低了，但模量的降低更为显著，因此硅树脂复合材料的介电常数与弹性模量的比值（εr/Y）增大[4]。

1.3    聚氨酯及其复合材料

大多数聚氨酯弹性体的特征是通过相当弱的分子间力将聚合物长链连接在一起。由于链的长度和混合，聚氨酯弹性体的分子结构经常被比作“意大利面”。这些长链对压力反应良好，可以很容易地恢复到原来的形式，而不会撕裂或断裂。

研究表明，以二氧化钛功能化石墨烯填充的聚氨酯介电弹性体作为柔性微驱动器，具有明显的电刺激响应和电场诱导应变。将纳米TiO2装饰在石墨烯上可以大大提高石墨烯的亲水性和润湿性，从而改善填料与聚合物之间的界面相互作用。新型二氧化钛功能化石墨烯-聚氨酯介电弹性体复合材料具有更高的介电常数、更小的损耗模量、更高的击穿强度和更好的电刺激响应，在38.7 V/μm条件下，石墨烯-聚氨酯介电弹性体复合材料的最大电致厚度应变为72.4%，是石墨烯-聚氨酯复合材料电致厚度应变的1.8倍[5]。

2 介电弹性体发电的基本原理

介电弹性体材料的“应变”是电致伸缩效应和麦克斯韦应力协同效应的结果。

介电弹性体发电原理：发电模式实质上是驱动模式的逆向过程，是将介电弹性体材料形变产生的机械能（弹性势能）转变为电能。先将电荷以拉伸状态（高电容）放置在薄膜上，当薄膜被允许收缩（低电容）时，薄膜中的弹性应力对电场压力起作用，从而增加电能，在微观层面上，聚合物将相反电极上的相反电荷分开（收缩状态下厚度增加）使相似的电荷在电极内更接近（收缩状态下，平面内面积减小）。这两种对电荷的改变都增加了电压差，从而增加了儲存的电能。其实现方式上与传统压电材料相似，但原理存在本质区别：（1）即使只有很小的波动或形变，介电弹性体材料都能产生电能，而传统的压电材料通常需要较大的电流或冲击力;（2）在每一循环中，介电弹性体的功率和转换效率均明显比其他压电材料高。介电弹性体发电原理简化如图1所示。

3 介电弹性体的应用

介电弹性体材料可应用于能源生产（例如与发动机耦合或风力或波浪发电）、人力发电（例如鞋和其他人力发电机）以及一些可用的机械低功率设备，如远程传感器。介电弹性体为许多此类应用提供了独特的优势，例如高能量密度低，成本低，可以和多种能量源进行直接耦合，无须中间转换环节，并且能够根据不用的应用场景设计特定的功能或形状。

3.1    鞋底发电机

鞋底发电机利用行走过程中产生的机械能使介电弹性体材料发生形变，从而产生电能，行走产生的大部分能量会在脚跟撞击时丢失，所以产生器通常位于脚跟。该项研究曾使用电磁和压电的脚跟冲击发电机，一个普通人的体重50～100 kg可产生500～1 000 N的力，这导致可用能量估计为1～4 J，这由重量乘以位移得到，更详细的分析将考虑一些因素，比如需要弹性地返回一些机械能以满足鞋子的舒适性（这就减少了可用的能量）以及高于人的体重的动力（这会增加可用能量）。介电弹性体可直接耦合到脚跟冲击载荷，2～6 mm的位移可以很容易地驱动聚合物达到50%～100%的区域应变，这取决于配置，在实际装置中，每获得能量密度0.2 J/cm3，只需要5 g的聚合物。多层丙烯酸弹性体在鞋跟尺寸发电装置中的产量表明机电转换良好，该器件的输出能量可高达0.28 J。

鞋底发电机测试正在达到一些便携式应用的有用功率水平。对于其他人力驱动应用，介电弹性体能够很好地解决由于技术原因或者无法支撑复杂昂贵设备成本的问题。

3.2    波浪能发电装置

振蕩水柱型发电装置是目前研究最广泛和应用较成功的波浪能发电设备之一，它主要由一个上下开口的空腔体、空气涡轮和一台发电机组成。中央空腔下端浸没在海中，上端设有气流通道，形成一个气室。其工作原理为海浪的波峰从空腔体下端进入整个空腔并对空腔中的气体进行压缩，腔内空气由于压力增大，气体通过上部的气流通道排出;而波谷时，内部的空气压力降低，外部空气就会经由气流通道输送到空腔。进出空腔的气体驱动空气涡轮旋转，将波浪能转化为机械动能，这种自动化的工作模式使得波浪能设备装置无须与海水接触，可靠性高。该设备由于基本上处于海平面上，易于安装和保养;其缺点是建设成本较高，空气涡轮转换效率相对较低。

4 结语

介电弹性体具有许多独特的特性，因此具有广泛的应用前景，如致动器、发电机、传感器和可变阻抗装置。随着技术的发展，介电弹性体的应用越来越多。从成本和性能的角度来看，介电弹性体是致动器的首选材料，为了实现该功能，必须深入了解介电弹性体的设计问题、性能和操作特性。在某些情况下，介电弹性体的高电压要求将阻碍其应用，而在其他情况下，高电压可能是一个优势（例如减少传输和连接器损耗）。在任何情况下，使用介电弹性体都将需要并行开发高效或低成本的电子驱动电路。

[参考文献]

[1] 刘浩亮，于迎春，颜莎妮，等.介电性弹性体的研究进展[J].特种橡胶制品，2011，32（1）：71-74.

[2] 鄂世举，朱喜林，曹建波，等.介电弹性体材料机械能-电能转换特性[J].农业机械学报，2010，41（9）：194-198.

[3] 鄂世举，金建华，曹建波，等.波浪能捕获及发电装置研究进展与技术分析[J].机电工程，2016，33（12）：1421-1427.

[4] 杜冰心.基于电池储能装置的电力系统稳定性分析[D].成都：西南交通大学，2014.

[5] 俞洛伊，刘茜，廖发，等.新型电智能材料-电致动聚合物[J].黑龙江纺织，2015（1）：16-19.

收稿日期：2021-04-01

作者简介：刘志运（1987—），男，河南信阳人，工程师，研究方向：机电系统节能技术、新型功能材料应用技术。