电活性聚合物

一种智能材料，具有特殊的电性能和机械性能

电活性聚合物（EAP）是一种智能材料,具有特殊的电性能和机械性能。这种聚合物在受到电刺激后,产生微小形变。因此,从上世纪90年代初开始,电活性聚合物以较强的诱导形变能力引起许多学科的科学家和工程师的关注。EAP材料的性能由许多因素决定,如输出应变、驱动应力、弹性能密度、响应时间及理论效率等。

聚合物简介

电活性聚合物(Dielectric Electro Active Polymer，DEAP)也是介电弹性体(Dielectric E— lastomer，DE)，是一种智能材料，因其独特的电性能和机械性能而崭露锋芒。20世纪90年代初，基于电活性聚合物材料的人工肌肉驱动器得到快速发展。与传统的压电材料相比，这种聚合物材料具有更大的应变能力，且重量轻、驱动效率高、抗震性能好，是最具有发展潜力的仿生材料之一。

电活性聚合物设计、合成和加工方面的研究都有了很大的进展。美国斯坦福研究院采用3M公司生产的聚丙烯酸橡胶 VHB2910和VHB2905制造了预应变的致动器。丹麦的丹佛斯利用软硅树脂和银粉柔性电极制造了非预拉伸单层薄膜致动器，其厚度是微米级的。电活性聚合物在直流电作用下会产生大幅度的应变(如聚丙烯酸橡胶，其线性应变可达380%，且能鼍输出也很高)。且反应速度快(微秒级)，变形率大(与压电陶瓷等传统的电致伸缩材料相比)，这些特点使得这类材料成为微型机械中致动器及传感器的基础材料，并且得到了广泛的应用。但其在发电方面的研究与应用尚处于起步阶段。

利用电活性聚合物收集风能、波浪能等绿色能源发电，开发新型可再生、低廉、环境友好、清洁的能源，可以促进世界能源可持续发展战略。

发展历史

电活性聚合物的起源可以追溯到19世纪80年代,机电响应现象首次被发现。20年后有人将场致应变的规律总结成公式。上世纪20年代压电聚合物的发现,是电活性聚合物发展史的重要里程碑。40年代末,人们发现了化学活性聚合物,例如胶原质丝浸泡在酸或碱溶液中时,可以可逆伸缩。但是,关于“化学-机械”的驱动器却很少有人研究,直到仿生肌肉用合成聚合物发展起来。随着电激励技术的发展,人们开始关注EAP材料。1969年发现PVDF具有压电行为后,科学家开始挖掘其它聚合物体系,一系列的EAP材料应运而生。近10年来,EAP材料发展迅速,开发了一系列具有优异性能的EAP材料,某些EAP材料的形变量甚至可以达到300%。

分类

按照作用机理的不同,电活性聚合物（EAP）主要分为两大类，电子型EAP和离子型EAP。

电子型EAP包括全有机复合材料(AOC)、介电EAP(DEAP)、电致伸缩接枝弹性体(ESGE)、电致伸缩薄膜(ESP)、电致粘弹性聚合物(EVEM)、铁电体聚合物(FEP)和液晶弹性体(LCE)等。

离子型EAP包括碳纳米管(CNT)、导电聚合物(CP)、电致流变液体(ERF)、离子聚合物凝胶(IPG)和离子聚合物基金属复合材料(IPMC)等。

对于电子型EAP,在电场作用下库仑力诱导产生电致伸缩效应以及静电、压电和铁电效应,而且这种EAP材料可在直流电场作用下产生诱导位移。但是,在一定的电致伸缩效应时,电子型EAP需要较高的激励电场(>100V/μm),该电场接近材料的击穿电场。而离子型EAP是由两个电极和电解液组成的,离子迁移或分散作用,可以使这类材料在较低电压下(1～ 2V)产生激

励作用,并产生诱导弯曲位移。

这类EAP材料的缺点是需要保持一定的湿润度,而且在直流电场激励下很难保持稳定的诱导位移(导电聚合物除外)。

电子EAP材料

电致伸缩接枝弹性体

电致伸缩接枝弹性体,由柔性主链和支链组成。支链与相接近的主链物理交联,形成晶体单元。柔性主链与结晶的接枝单元由带有电荷的极性单体合成,可以产生偶极矩,并使结晶支链诱导极化。在施加电场的情况下,偶极子产生转矩作用,刺激结晶支链的极化单元旋转,主链局部重排,导致弹性体变形。接枝弹性体的优点是比其它电致伸缩聚合物的硬度高。

电致伸缩薄膜

电致伸缩薄膜是大量分散粒子组成的网状结构聚合物,通常具有纤维的性质。这种材料的驱动器质轻,制造简单,可以用于活性吸音器、柔性扬声器和“智能”形状控制设备等。

电致粘弹性聚合物

电致粘弹性聚合物由硅橡胶和极化相组成。在未硫化交联之前,这种材料就像电致粘弹液体。施加电场后,材料固化,极化相在弹性体基体中定向排列。因此,这种材料具有“固态”相,且剪切模量随电场(<6V/μm)变化。这种材料能获得50%的剪切模量,可以代替电致流变液体作为阻尼材料,还可以用来制造精确控制闭合回路系统的机器人胳膊。

铁电聚合物

压电现象是一种存在于一类特定晶体———铁电体中的独特效应。压电材料在施加电场时产生伸缩变形,相反在施加压力时产生电压。这种材料可以在空气、真空或水中使用,而且使用温度范围相当宽。聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物是最常见的铁电聚合物。由于它们具有良好的柔韧性并易制成大面积的薄膜,因而在音频和超声传感器、生物医学传感器、机电换能器以及热释电和光学器件中具有重要的应用前景。在水听器,医用超声传感器和机器人探测器等领域已获得实际应用。

全有机复合材料

全有机复合材料是将具有高介电常数的有机填料分散到一种电致伸缩聚合物基体中,在保持基体柔性的基础上同时具有较高的介电常数。这种聚合物基复合材料在较低的电场下可以实现较高的应变量,与此同时,既大大地增加了有机材料的介电常数,也有效地改善了材料的“有效”击穿强度。

液晶弹性体

液晶弹性体是一种网状结构的复合材料,通过焦耳热产生电活性。LCE材料由单域向列相液晶弹性体和导电聚合物组成。向列相和各向同性相之间的相转变产生电活性,而且产生电活性的时间还不到1s。各向异性液晶溶胶,可以通过原位(in situ)光聚合法得到,其中包含有反应性液晶分子,同时在一定方向上还存在不反应的液晶分子。这种液晶聚合物体系具有相当好的性能,例如,其弹性可以通过液晶聚合物网络结构和小分子液晶结构来控制。

离子EAP材料

碳纳米管

碳纳米管是一种高性能,多功能复合材料,具有高长径比、直径小、质量轻、机械强度高(类似于金刚石)、导电导热性好、热稳定性好、空气中稳定性好等优点。在注入离子后,纳米管和电解液的离子电荷平衡被破坏,键长改变产生电活性。注入的电荷愈多,尺寸变化愈大。因此,人们希望得到CNT/聚合物纳米复合材料,使易于加工的聚合物基体具备CNT的优点。

电致流变液体

电致流变液体是一种低介电液体,其中含有电子极化粒子。施加电场后,悬浮离子极化。几毫秒后,在电场方向产生原纤化作用,表观粘度增加。ERF具有响应时间短,消耗功率低,性能稳定,加工简单等性能。因此,可以用在机械工程(例如发动机防震垫、减震器、离合器电致流变阀门机器人手臂等)和一些控制系统。ERF被开发用作一些新的设备上,例如人工肌肉激励器、宇宙飞船减震器、电致触感显示器、光子晶体等。

导电聚合物

导电聚合物材料是一类兼具高分子特性及导电体特征的高分子材料。根据电荷载流子的种类,导电聚合物被分为电子CP和离子CP。以自由电子或空穴为载流子的导电聚合物称为电子CP,其共同特征是分子内含有大的线性共轭π电子体系。电子CP主要有聚乙炔、芳香单环、多环以及杂环的共聚物或均聚物。以正、负离子为载流子的导电聚合物称为离子CP,主要有聚醚、聚酯和聚酰亚胺。这些聚合物分子的聚合物溶剂化能力强,有利于盐解理成离子或形成聚和络合物。需要指出的是,仅有长链共轭体系的聚合物只能算作是半导体,其导电能力还无法与金属导体相比,因此需要掺杂微量添加剂来提高其导电能力。

离子聚合物凝胶

离子聚合物可以通过凝胶法得到,并且具有较强的驱动作用,这种驱动作用和生物肌肉的驱动力及弹性能密度相似。这种材料在酸性环境中可发生化学反应,凝胶伸缩,产生电活性。离子聚合物/金属复合材料是一种新型的智能聚合物材料,具有电活性。聚合物基体通常是离子交换材料,用来选择单电荷离子(阴离子或阳离子),因此,通常具有共价离子基团。施加电场后离子从材料中迁移出来,其运动方向与极化方向有关,迁移速率与施加的电压和材料性能有关。IPMC材料质轻,柔性好,只需低电压(< 3V)即可产生较大形变,可在潮湿环境中使用,而且具有生物相容性, 因此多应用于医学设备上。

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