高電致形變介電彈性體復(fù)合材料的設(shè)計與可控制備.pdf

1、介電彈性體是一種新型的智能材料，其在外加電場作用下可以產(chǎn)生可逆大形變，從而可用于電能/機械能的相互轉(zhuǎn)換。其具有驅(qū)動形變大、能量密度高、電/機轉(zhuǎn)化效率高、響應(yīng)快、密度小和柔性等特點，有望應(yīng)用于傳感器、柔性驅(qū)動器、仿生柔性機器人、下一代智能醫(yī)療器件、綠色能源采集等眾多領(lǐng)域，受到了廣泛關(guān)注。常見的介電彈性體主要有聚丙烯酸酯、硅橡膠和聚氨酯三類，在無預(yù)拉伸條件下，其電致形變通常小于10％，原因包括介電常數(shù)較低、彈性模量較高等方面。已有研究發(fā)現(xiàn)，

2、在介電彈性體中加入高介電常數(shù)陶瓷或高導(dǎo)電性填料可有效提高復(fù)合材料的介電常數(shù)，但這通常會大幅度提高復(fù)合材料的彈性模量，降低其擊穿場強，使得復(fù)合材料的電致形變增加很小甚至降低。
　　本文設(shè)計并制備了一種新穎的介電彈性體復(fù)合材料。可控制備了模量極低的聚苯乙烯-b-聚丙烯酸正丁酯-b-聚苯乙烯(polystyrene-b-poly(n-butyl acrylate)-b-polystyrene，SBAS)三嵌段共聚物，以其為介電彈性體基質(zhì)

3、，通過直接乳液共混氧化石墨烯(GO)水分散液和SBAS乳液的方法，室溫下干燥制得GO/SBAS介電彈性體復(fù)合膜，而后經(jīng)熱還原得到部分還原的氧化石墨烯(RGO)/SBAS介電彈性體復(fù)合材料，并深入研究了RGO的添加量對復(fù)合材料性能的影響規(guī)律。獲得的主要創(chuàng)新性成果如下:
　　(1)通過乳液共混的方法制備得到GO/SBAS復(fù)合材料，GO片能很好地分散在基體中，緊密地包裹在膠乳粒子表面，在很低濃度下即可形成GO網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)即使在復(fù)合

4、膠乳中，GO和SBAS粒子表面的PSt上的芳香環(huán)間依然存在著強烈的π-π堆積作用，這有效抑制了成膜過程中的耗盡效應(yīng)(depletion effect)，促進網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成。
　　(2)研究了RGO的填充對RGO/SBAS復(fù)合材料機械性能的影響。隨著RGO用量(0～2.0wt％)的增加，RGO/SBAS復(fù)合材料的拉伸強度先增加，后降低，在0.5wt％RGO處出現(xiàn)最大值10.74MPa;斷裂伸長率先維持在1075％左右基本不變而后緩慢

5、降低至572％;彈性模量持續(xù)增加但仍然保持在比較低的范圍內(nèi)(1.5wt％RGO時0.51MPa)。
　　(3)RGO的填充大幅提高了RGO/SBAS復(fù)合材料的介電常數(shù)，在頻率為103Hz時，純SBAS的相對介電常數(shù)為4.3，當填充量為1.5wt％時，復(fù)合膜的相對介電常數(shù)可達11，當填充量為2.0wt％時，復(fù)合膜的相對介電常數(shù)高達58。主要歸因于RGO在SBAS基質(zhì)中良好的分散，RGO在復(fù)合材料中形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，RGO與SBAS之間強

6、烈的界面極化作用以及SBAS基質(zhì)較高的介電常數(shù)。
　　(4)成功制備得到兼顧高介電常數(shù)、低介電損耗、低模量、高擊穿場強的RGO/SBAS高性能介電彈性體復(fù)合材料，其可在較低驅(qū)動電壓下獲得大電致形變。在相同的電場強度下RGO/SBAS復(fù)合材料的電致形變隨著RGO質(zhì)量分數(shù)的增加而明顯增大，當RGO的填充量為1.5wt％時，電場強度為7kV/mm電致形變可達3.51％，在電場強度為33kV/mm時最大電致形變高達21.3％，是純SBAS