[科普中國(guó)]-電活性聚合物

電活性聚合物EAP是一種智能材料,具有特殊的電性能和機(jī)械性能。這種聚合物在受到電刺激后,產(chǎn)生微小形變。因此,從上世紀(jì)90年代初開(kāi)始,電活性聚合物以較強(qiáng)的誘導(dǎo)形變能力引起許多學(xué)科的科學(xué)家和工程師的關(guān)注。EAP材料的性能由許多因素決定,如輸出應(yīng)變、驅(qū)動(dòng)應(yīng)力、彈性能密度、響應(yīng)時(shí)間及理論效率等。1

簡(jiǎn)介電活性聚合物(Dielectric Electro Active Polymer，DEAP)也是介電彈性體(Dielectric E— lastomer，DE)，是一種智能材料，因其獨(dú)特的電性能和機(jī)械性能而嶄露鋒芒。20世紀(jì)90年代 初，基于電活性聚合物材料的人工肌肉驅(qū)動(dòng)器 得到快速發(fā)展。與傳統(tǒng)的壓電材料相比，這種聚合物材料具有更大的應(yīng)變能力，且重量輕、驅(qū)動(dòng)效率高、抗震性能好，是最具有發(fā)展?jié)摿Φ姆律牧现弧?/p>

電活性聚合物設(shè)計(jì)、合成和加工方面的研究都有了很大的進(jìn)展。美國(guó)斯坦福研究院采用3M公司生產(chǎn)的聚丙烯酸橡膠 VHB2910和VHB2905制造了預(yù)應(yīng)變的致動(dòng)器。 丹麥的丹佛斯利用軟硅樹(shù)脂和銀粉柔性電極制造 了非預(yù)拉伸單層薄膜致動(dòng)器，其厚度是微米級(jí)的。電活性聚合物在直流電作用下會(huì)產(chǎn)生大幅度的應(yīng) 變(如聚丙烯酸橡膠，其線性應(yīng)變可達(dá)380%，且能鼉輸出也很高)。且反應(yīng)速度快(微秒級(jí))，變 形率大(與壓電陶瓷等傳統(tǒng)的電致伸縮材料相比)，這些特點(diǎn)使得這類材料成為微型機(jī)械中致動(dòng)器及傳感器的基礎(chǔ)材料，并且得到了廣泛的應(yīng)用。但其在發(fā)電方面的研究與應(yīng)用尚處于起步階段。

利用電活性聚合物收集風(fēng)能、波浪能等綠色能源發(fā)電，開(kāi)發(fā)新型可再生、低廉、環(huán)境友好、清潔的能源，可以促進(jìn)世界能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。2

發(fā)展歷史電活性聚合物的起源可以追溯到19世紀(jì)80年代,機(jī)電響應(yīng)現(xiàn)象首次被發(fā)現(xiàn)。20年后有人將場(chǎng)致應(yīng)變的規(guī)律總結(jié)成公式。上世紀(jì)20年代壓電聚合物的發(fā)現(xiàn),是電活性聚合物發(fā)展史的重要里程碑。40年代末,人們發(fā)現(xiàn)了化學(xué)活性聚合物,例如膠原質(zhì)絲浸泡在酸或堿溶液中時(shí),可以可逆伸縮。但是,關(guān)于“化學(xué)-機(jī)械”的驅(qū)動(dòng)器卻很少有人研究,直到仿生肌肉用合成聚合物發(fā)展起來(lái)。隨著電激勵(lì)技術(shù)的發(fā)展,人們開(kāi)始關(guān)注EAP材料。1969年發(fā)現(xiàn)PVDF具有壓電行為后,科學(xué)家開(kāi)始挖掘其它聚合物體系,一系列的EAP材料應(yīng)運(yùn)而生。近10年來(lái),EAP材料發(fā)展迅速,開(kāi)發(fā)了一系列具有優(yōu)異性能的EAP材料,某些EAP材料的形變量甚至可以達(dá)到300%。1

分類按照作用機(jī)理的不同,電活性聚合物（EAP）主要分為兩大類，電子型EAP和離子型EAP。

電子型EAP包括全有機(jī)復(fù)合材料(AOC)、介電EAP(DEAP)、電致伸縮接枝彈性體(ESGE)、電致伸縮薄膜(ESP)、電致粘彈性聚合物(EVEM)、鐵電體聚合物(FEP)和液晶彈性體(LCE)等。

離子型EAP包括碳納米管(CNT)、導(dǎo)電聚合物(CP)、電致流變液體(ERF)、離子聚合物凝膠(IPG)和離子聚合物基金屬?gòu)?fù)合材料(IPMC)等。

對(duì)于電子型EAP,在電場(chǎng)作用下庫(kù)侖力誘導(dǎo)產(chǎn)生電致伸縮效應(yīng)以及靜電、壓電和鐵電效應(yīng),而且這種EAP材料可在直流電場(chǎng)作用下產(chǎn)生誘導(dǎo)位移。但是,在一定的電致伸縮效應(yīng)時(shí),電子型EAP需要較高的激勵(lì)電場(chǎng)(>100V/μm),該電場(chǎng)接近材料的擊穿電場(chǎng)。而離子型EAP是由兩個(gè)電極和電解液組成的,離子遷移或分散作用,可以使這類材料在較低電壓下(1～ 2V)產(chǎn)生激

勵(lì)作用,并產(chǎn)生誘導(dǎo)彎曲位移。

這類EAP材料的缺點(diǎn)是需要保持一定的濕潤(rùn)度,而且在直流電場(chǎng)激勵(lì)下很難保持穩(wěn)定的誘導(dǎo)位移(導(dǎo)電聚合物除外)。1

電子EAP材料電致伸縮接枝彈性體電致伸縮接枝彈性體,由柔性主鏈和支鏈組成。支鏈與相接近的主鏈物理交聯(lián),形成晶體單元。柔性主鏈與結(jié)晶的接枝單元由帶有電荷的極性單體合成,可以產(chǎn)生偶極矩,并使結(jié)晶支鏈誘導(dǎo)極化。在施加電場(chǎng)的情況下,偶極子產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩作用,刺激結(jié)晶支鏈的極化單元旋轉(zhuǎn),主鏈局部重排,導(dǎo)致彈性體變形。接枝彈性體的優(yōu)點(diǎn)是比其它電致伸縮聚合物的硬度高。

電致伸縮薄膜電致伸縮薄膜是大量分散粒子組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)聚合物,通常具有纖維的性質(zhì)。這種材料的驅(qū)動(dòng)器質(zhì)輕,制造簡(jiǎn)單,可以用于活性吸音器、柔性揚(yáng)聲器和“智能”形狀控制設(shè)備等。

電致粘彈性聚合物電致粘彈性聚合物由硅橡膠和極化相組成。在未硫化交聯(lián)之前,這種材料就像電致粘彈液體。施加電場(chǎng)后,材料固化,極化相在彈性體基體中定向排列。因此,這種材料具有“固態(tài)”相,且剪切模量隨電場(chǎng)(