介电弹性体材料的研究综述*

2022-06-23刘志运江泽华

机电工程技术 2022年5期

刘志运，江泽华

（1.广州铁路职业技术学院机车车辆学院，广州 510430；2.五邑大学轨道交通学院，广东江门 529020）

0 引言

介电弹性体（DE，Dielectric Elastomer）材料是在20世纪90年代逐步发展起来的电活性聚合物材料（Electroactive Poltmer，EAP），DE 显著的特点是在电刺激下材料有很好的形变特性[1]，正因为该材料具有良好的形变特性受到许多科学家和研究人员的青睐，而由于电能刺激形变特点使得该材料能够在多领域内得以运用。研究发现DE本身还具有耐冲击、耐疲劳、与机械能量源易于耦合、高断裂性、固有振动阻尼、大驱动应变等特点，这些特点有利于使该材料应用在恶劣的环境中，相同环境条件下的DE材料相对于普通的机械转换器、压电陶瓷材料有更好的形变等特点，因此介电弹性体材料有更广阔的发展前景。

EAP 材料主要分为电子型和离子型两类，EAP 材料电子型驱动工作原理主要运用电场或库仑力原理，EAP材料电场或库仑力原理所运用材料的种类有电致伸缩弹性体、介电弹性体、铁电聚合物等[2-3]；EAP 材料离子型驱动原理运用离子的扩散运动或迁移运动[4]，其扩散运动或迁移运动原理所运用材料的种类有碳纳米管、导电聚合物、聚合物凝胶、离子聚合物-金属复合材料等。EAP材料种类繁多应该根据运用的领域不同而进行选择，该材料在不同领域下有着不同的优缺点。

本文主要阐述了EAP 中介电弹性体材料的研究现状，分析该材料的特点、发展趋势，以及该材料实际应用、存在问题与解决方向，对DE 未来的发展提出建议，优化该材料性能扩展在更多的使用领域。

1 介电弹性体材料研究现状

通过研究发现DE 材料有多种，每一种DE 材料有不同的特性，常用的DE 材料有硅橡胶、硅树脂、聚氨酯、丁腈橡胶、丙烯酸、天然橡胶、亚乙烯基三氟化乙烯及复合材料[5-14]。DE 材料的参数有很多，主要影响该材料特性主要参数有介电常数、介电强度、杨氏模量、体积电阻率、响应速率、剪切模量及延伸率等。

Kaltseis 等[15]实验得出DE 天燃橡胶材料比丙烯酸酯材料的特性有更高的杨氏模量、介电强度及断裂能，因此DE 天然橡胶材料运用于能量收集器有更好的耐疲劳强度及更长的工作寿命。Vucong 等[16]实验分析DE 双面胶带材料与硅胶管材料的特性，得出当温度在低温条件下发生形变双面胶带材料VHD 比硅胶管材料收集能量的性能更好，当温度在高温条件下发生形变硅胶管材料比双面胶带材料收集能量的性能更好。Graf等[17]实验得出，未来研究与发展DE 材料时，在不影响材料性能的前提下对该材料的某个特点参数进行研究以提升材料收集能量水平。Vertechy 等[18]实验得出DE 合成橡胶材料比天然橡胶材料收集能量的性能更好。

根据DE 材料研究现状可知，该材料的橡胶和双面胶带是目前主流使用，橡胶材料和双面胶带材料具有耐腐蚀、耐冲击、较大的形变特性，使该材料成为主流使用。DE双面胶带材料与硅胶管材料相比，双面胶带材料适合于低温条件下工作，硅胶管材料适合于高温条件下工作，针对DE 材料在不同的环境下工作应选择适合的DE材料，以达到更好的能量收集效果与驱动性能[19]。

2 介电弹性体材料特点

1880 年Wilhelm Conrad Rontgen 提出了DE 材料的致动机理，该材料两端产生电极电压诱导出静电压，使其往水平面上扩展延伸，同时该材料在垂直面上收缩变窄。DE材料装置里有介电弹性体材料和附着在材料上下表面的柔性电极材料组成[20]。该装置的特性有高速响应、高密度的机械能量、荷载致动大等特点，因此介电弹性体材料有着很好的发展前景，DE模型及致动机理如图1所示。

图1 DE模型及致动机理

DE材料装置的工作机理运用了双极板电容器装置致动效应，双极板电容器装置致动效应是DE 材料表面产生电极时加载出电荷后，DE材料上、下表面的柔性电极间的电荷相互吸引形成麦克斯韦应力，麦克斯韦应力作用于DE 材料上、下表面，从而实现DE 材料由电能转换为机械能。

DE 材料能量转换器的工作原理有多种输出，Pelrine等研究得出当电容C充电后获得电荷量Q时，DE 材料随着电极板电容器力的作用下厚度z和面积A的延申扩展使得电能Ue的微分变化dUe。DE材料体积恒定公式如下：

由式（1）可知，当DE 材料获得恒定电荷Q时，其表面在任何外力的作用下使得材料厚度增加，从而使该材料采集器收集机械能转换为电能，工作原理如图2 所示，DE材料转换器可以运用于传感器也可以运用于发电机。DE 材料在外力的作用下使其厚度减小，从而使DE材料转换器收集电能转换为机械能，它的逆过程可把DE材料转换器能看成驱动器使用。

图2 DE材料发电原理

3 介电弹性体材料的应用

2007 年8 月，国际非盈利独立研究机构SRI 根据DE材料的特性在海洋实验方面展开研究，研究出在浮标上安装电活化聚合物的人工肌肉（EPAM）发电机放在海洋上漂浮，通过EPAM 发电机来收集海浪的运动能转换为电能。2008 年12 月，SRI 在海洋中研究了浮标式发动机，通过浮标式发动机研究出由海浪的运动转换为电能可方便存储在蓄电池中，浮标式发电机将海浪的运动转换为电能运用的是EPAM 技术，无需安装复杂的液压传动装置，只需通过简单的运动部件即可使DE 材料发生变形，将外部运动能转换为电能，降低浮标式发电机生产成本，实现海浪能量收集。浮标式发电机工作的测试结果显示，其有合适的电能输出功率，产生的电能存储在蓄电池中。浮标式发电机可使用于海浪、瀑布、小溪等环境，使用DE 材料设计这类发电机能输出更大的功率，机械运动能使得浮标式发电机转换电能并为各相关领域供电，因而浮标式发电机有广阔的发展前景。

通过DE 材料在航天航空领域应用的研究，其所具有的优势逐渐显示出来，以往航天航空领域的窗口除尘通常使用空间探测器窗口除尘器，其重量大，器械内部结构复杂，经过研究应用DE 材料驱动原理，可制作成空间用智能除尘刷，利用DE 材料制成的空间智能除尘器的特点，如重量轻、内部设计结构紧凑、驱动能耗低、驱动功率低等优点，该特点有利于减轻空间探测器的重量。瑞士联邦材料测试研究实验室应用DE 材料驱动原理研究出飞艇驱动器，使得飞艇的转向能够自由控制。俄亥俄航天局应用DE 材料的电致活性聚合物对飞行器进行研究设计出固态飞行器SSA[21]。2010 年鄂世举等[22]对DE 材料的机械能与电能转换应用于能量收集，得到高效的能量收集与能量转换效率。与此同时，DE材料驱动应用在不断发展，对DE 材料在电路与频率方面进行更深入的研究。2017 年盛俊杰等[23]研究了DE 材料在致动器的非线性动态，能够很好地补偿静电能和变形阻尼能耗，使DE 材料系统能更好地以恒定振幅振动。2019年鄂世举等[24]将DE材料应用于海浪发电，由传统的液压泵收集动能转换成电能发展到DE 材料收集动能转换成电能。2021 年霍怡洁等[25]研究了弯曲形圆柱驱动结构的应用，机器人的一个重要部件是机械手，机械手是机器人的执行机构，机械手在产品的生产及各方面有着广泛的运用，特别是人类机械手仿生方面是研究的热门。通过对DE 材料在驱动方面的研究，设计出弯曲形圆柱介电驱动单元，对弯曲形圆柱介电驱动单元进行组装，构成三爪抓手的机械手，对机械手的抓取性能进行测试[26]。机械手的抓取执行机构主要以3 部分组成，分别有驱动单元、驱动固定单元、吊杆，如图3所示。

图3 抓取机构

4 介电弹性体的发展趋势

4.1 介电弹性体材料在驱动方面研究

DE 材料在驱动方面的研究有仿生、生物医学、航天航空等方向，该材料在驱动仿生方面的发展应用于仿生机器人。DE 材料仿生特点具有模量高、质量轻、体积小、机械结构简单和低成本等特点，可应用于导航定位路线、狭小空间工作、限制环境救援等领域。早期DE 材料应用于驱动仿生机器人，2002 年12 月日本大阪Eamex 公司研究出在水中可自由游泳的机械鱼[27]。DE 在驱动医学方面的发展针对手术愈合、擦伤、中风等运动有障碍的患者，如对DE 在驱动方面研究出动态康复矫形器，应用DE 材料的动态康复矫形器帮助患者恢复身体正常运动[28]。DE 材料在航空航天领域具有更高的要求，如Burkitt 等应用硅技术研究出耐溶剂硅树脂介电弹性体材料、耐溶剂硅树脂介电弹性体燃料等，用于吸收航空航天热量的循环应力。

随着DE 材料在驱动方面研究应用不断扩展，得到更多行业和研究人员的重视。DE材料在更多领域得到应用，将带给人们生活更加便捷和提供更多服务。

4.2 介电弹性体材料在发电方面研究

DE材料收集自然界中可再生能源转换为电能被广泛研究，其应用于收集海洋能方面具有显著优势，可以取代传统液压传动装置能量转换器。传统的液压传动装置如图4 所示；DE 材料的浮标式海洋能发电机系统的能量转换器如图5 所示。DE 材料浮标式海洋能发电机系统专门运用在海浪超过2～3 m 地方，收集海浪的自然能量[29]，应用了EPAM 原理系统，具有结构简单、转换效率高、伸缩性好等优点，未来的研究会沿着DE 材料浮标式发电机的EPAM 原理系统特性向着大型海浪和小型波浪方向发展，DE材料浮标式发电机与液压转换器相比使收集电能的成本大大降低。未来DE 材料发电机不仅运用于收集海浪能，还会向更多的领域发展，同济大学陈明[30]基于DE 材料弹性研究出收集自然界风能的电活性聚合物微型发电机，并研究出收集树叶晃动能、人体运动能、溪流能、河流能等微型能量收集转换器。DE材料能量转换器未来可以应用于收集自然界运动能量实现能量回收，从而为解决全球变暖、能源短缺等问题提供解决方案。

图4 液压活塞泵

图5 浮标式海洋能发电机

5 介电弹性体材料应用需要解决的问题

（1）高基础偏置电压的限制问题。DE材料每毫米需要用上千伏的电压来进行驱动，高驱动电压限制DE 材料的应用范围。之后的对DE 材料的研究时减少基质厚度以减少驱动电压，或者应用DE 材料所具有的升压特性，利用翻转电荷泵原理的基础上，使得DE 材料提升的一部分电压转换为电荷自偏置形成电压而不用高电压源。

（2）提高机电的电能量转换效率和降低能量损耗问题。DE材料在发电机应用时，由于存在存储能量装置损耗、机械在发电过程的损耗、电力电子的损耗、聚合物损耗等，影响发电能量的回收。在后期研究中，如果能够解决这些问题将可减少应用电压、电极内阻，从而提高DE 材料发电机的电极导电效率，使得能量转换时能量在电阻的损耗减少，优化DE 材料发电机机械能转换成电能的循环过程，从而提高DE 材料发电机的电能量转换效率。

（3）改善DE 材料的性能。降低弹性模量有利于提高介电弹性体材料驱动的电应变，具体方法可通过添加增塑剂、减小交联密度的方法来进行。增塑剂是一种高分子材料，有邻苯二甲酸二辛酯（ESO）、甘油、硅油等材料用于降低DE 材料弹性模量。调整DE 材料里的效网链数，减小交联密度，从而使DE 材料降低弹性模量。DE材料介电常数的提高有利于使该材料电容值增加，从而降低所需的电场强度，获得更高的电驱动应变。提高介电常数的方法有对DE 材料的基体进行改性进行本征型DE 的制备、复合型DE 材料的制备方法进行提高介电常数。对DE 材料进行化学改性，对DE 材料合成新的成分，进行本征DE 材料的制备，使DE 材料有大极化率的极性基团，从而提高DE 材料的介电常数。复合型DE 材料的制备是通过物理复合的方法进行制备，利用高介电常数的材料与高击穿强度的聚合物相结合起来，使两种填料的特点结合起来提高DE 材料的常数，目前常用的材料有无机陶瓷填料与导电填料两种。当DE 材料的基体中无机陶瓷填料浓度足够高时，复合材料的介电性能会有明显的提升，但会使DE 材料的其他性能会有所下降，从而影响DE 材料的电驱动性能。因此，DE 材料需要更进一步地研究出既能提高介电常数又能稳定DE 材料的其他性能。

6 展望

20 世纪末以来，DE 材料被众多研究人员所研究，该材料经过多年的研究与发展，取得了众多优秀成果。DE材料有电致形变的特点，在驱动器、传感器、仿生材料等方面的研究与应用有着很好的发展起点。随着对自然能源回收方面不断研究与发展，自然能源回收方面对DE 材料的使用和辅助器件应用也会不断发展，改善DE材料的弹性性能、对新型DE 材料的发现与制备变得越来越重要，该材料有电致形变能力、驱动效率高、机电转换效率快的优点，因此，DE材料在自然能源回收方面的应用有着很好的发展潜力。

DE材料有着非线性与几何形变特点，而且其承受的载荷还具有多场耦合特点，这些特点在机械力场、电场耦合、热场耦合等方面的应用，而在航天航空、人工智能、机器人等方面有着巨大的发展潜力，但是在商业领域的应用比较欠缺，需在商业领域、服务业领域对DE材料做进一步研究。因此，DE材料在力学性能与电能相结合的发展与研究有着重要的意义，围绕DE 材料的稳定性与变形深入研究，主要在该材料的基本构成的理论、稳定性、电致形变、许用区域、应用理论、力学非均匀行为、机电相变、耗散理论、动力学理论及其他理论等方面进行研究。通过对DE 材料关键技术的理论研究，为该材料未来在更多领域的应用提供理论依据，为后续DE 材料在商业领域、服务业领域进一步应用奠定理论基础。