石烨&裴启兵教授今日Science：请了一作聊聊

材料人编辑小单 2年前 (2022-07-07) 3092浏览

【导读】

介电弹性体（dielectric elastomer，DE）拥有形变大、能量密度高、响应速度快等优势，从而作为人工肌肉材料被广泛研究和应用。然而目前最常见的两类介电弹性体材料，3M公司生产的VHB胶带和硅橡胶，均存在各自的缺陷。VHB由于高粘弹损耗在较高频率下性能损失巨大，而硅橡胶的最大应变和介电强度均较小。此外，传统介电弹性体容易发生电力学失稳（electromechanical instability，EMI），在驱动电压下持续形变，导致损坏。解决EMI的一种传统方法是对弹性体薄膜进行预拉伸，然而预拉伸之后的材料需要固定在坚硬的框架上，可加工性大大降低。今日，UCLA石烨博士（第一作者，现为浙江大学研究员）和裴启兵教授（通讯作者）等人通过采用链长显著不同的两种交联剂，合成了具有双峰分布的新型介电弹性体网络PHDE。相关研究成果以A Processable, High-performance Dielectric Elastomer and Multilayering Process为题发表在Science上。

有关介电弹性体，我们仍然有很多问题想要了解。此次，材料人很荣幸邀请到文章一作石烨博士进行专访，让我们一起来看看课题组是如何通过调控来降低材料的粘弹损耗，以及在无需预拉伸的条件下达到了高致动性能这一突破性的成果是如何实现的。

【专访】

  1. 研究中是如何想到通过引入氢键而达到降低材料的粘弹损耗的目的？氢键的调控在介电弹性体的制备中是如何起到作用的？

我们近二十年来一直在尝试解决大应变介电弹性体粘弹损耗高的问题，从分子链结构和分子链相互作用的角度出发，先后分别提出了建立双网络，塑化调控和引入氢键等思路和方法。在前期工作基础上，我们同时借鉴了水凝胶领域中的一些工作，发现可以制备同时含有共价交联和动态交联的介电弹性体，并通过调控相应的密度来得到独特的机械性质。我们在介电弹性体网络中额外引入少量的氢键，适当降低共价交联密度，提升高分子链的流动性，同时不会显著影响弹性体的应力-应变特性。

  1. 新型干叠法工艺最大的优势是什么？这种方法是否可以彻底取代传统的湿叠法？

我们认为新型干叠法的最大优势在于高效率、高良率和能够大面积生产。湿叠法必须将弹性体层和电极层一层一层地制备，而干叠法可以将弹性体薄膜制备、电极喷涂、堆叠等步骤同步进行，类似于流水线生产，将效率大大提高。湿叠法在生产过程中一旦产生缺陷，则整个器件就都失效了，生产前面几层的努力也都浪费了。我们的干叠法在进行叠层操作之前可以预先检验弹性体薄膜和电极的质量，将有缺陷的部分排查出去。此外，干叠法与大面积制备薄膜的生产工艺匹配，未来甚至可以与roll to roll相结合，进行大规模生产。

我们并不认为湿叠法会被完全取代。它在一些场景还是有应用价值，比如在生产微型器件的时候，利用喷涂的方法可以方便地制备微型化、图案化的致动器阵列。

  1. 介电弹性体的研究，对于我们的科研工作者而言，需要掌握哪些方面的知识，哪些学科在它的发展过程中起到了奠基和关键作用？

介电弹性体的研究主要还是基于高分子化学以及高分子物理方面的知识，尤其是高分子材料力学性质方面的研究。此外，介电弹性体的研究与其在致动器方面的应用是分不开的，因此相应的机械控制和电子工程等方面的知识对研究者来说也是至关重要的。

  1. 介电弹性体发展至今，有哪些突破性的进展？在将来，有哪些材料值得予以关注？

其实介电弹性体材料的发展相对缓慢，目前最为常用的材料依然是VHB和少数硅橡胶。但近年来不乏新材料的报道，包括交联网络优化后的聚丙烯酸酯、拥有瓶刷状分子结构的高分子材料、互穿网络弹性体和高介电常数的弹性体。我们认为将来介电弹性体的发展和应用需要与实际应用场景相匹配，根据不同需求发展具有大应变、高频响应或者高介电常数的材料。

  1. 2020年，全球介电弹性体市场规模达到了1.5亿元，预计2027年将达到2.7亿元，您认为介电弹性体商业化中还有哪些亟待解决的痛点，这篇研究成果将为此做出什么样的贡献？

我们认为介电弹性体商业化应用中最大的阻碍依然是驱动电压较高和容易失效。我们的工作则为解决或者说改善这两个问题提供了可能。首先我们的PHDE在相对较低电压下就能达到较大应变和能量输出，并且抑制了EMI，是一种性能全面、十分理想的介电弹性体材料。此外，我们发展的干叠法则为进一步降低薄膜厚度，从而降低驱动电压提供了可能。利用干叠法，我们可以方便地将超薄的弹性体膜堆叠起来，在降低驱动电压的同时保证输出总能量。

【成果掠影】

PHDE具有较小的初始模量（~1.3MPa），从而能达到较高的驱动应变。而在达到临界应变后，该材料由于网络中短链受到应力作用而硬化，从而抵抗Maxwell应力，抑制EMI并提高器件稳定性。此外，研究人员在弹性体网络中额外引入少量的氢键，降低了材料的粘弹损耗，提升了其高频响应性能。PHDE在无需预拉伸的情况下达到了190%的最大面积应变，而且在2Hz频率下仍能保持110%的应变。相应的，测量得到的PHDE的能量密度高达88J/kg，功率密度能达到600W/kg以上。对比而言，自然界生物肌肉的能量密度在0.4到40 J/kg的范围内，而其功率密度通常低于100W/kg。为了提升介电弹性体致动器（dielectric elastomer actuator，DEA）的总体能量和功率输出，研究人员进一步开发了干叠法工艺，制备叠层器件。相比传统的湿叠法，该方法具有效率高、可大面积生产、良率高、性能损失小等优势。通过干叠法制备得到的10层DEA在2Hz驱动频率下能达到110%的面积应变，在20Hz下仍能保持60%的应变。基于高性能叠层DEA，研究人员成功研制了蜘蛛型致动器和多功能管状致动器，展现了PHDE及其叠层器件在柔性机器人、生物医疗器件、可穿戴器件等众多领域的广泛应用前景。

【核心创新点】

  1. 合成了具有双峰网络分布的新型介电弹性体，并通过调控交联剂结构、比例以及氢键浓度等，在无需预拉伸的条件下达到了高致动性能。
  2. 开发了新型干叠法工艺，制备了高性能叠层介电弹性体致动器以及功能器件。

【数据概览】

图1. 具有双峰分布的新型介电弹性体PHDE的合成以及电致动性能

  • PHDE合成思路示意图。
  • PHDE合成中所用单体以及交联剂的分子结构。
  • PHDE以及其他介电弹性体材料的应力应变曲线。
  • PHDE以及其他介电弹性体材料的静态致动测试结果。
  • PHDE以及未加入AA的DE在2Hz、5kV电压信号下的循环致动测试。

图2. PHDE的能量和功率密度。

  • 单层PHDE薄膜的能量密度测试结果。测试所用结构为平面型致动器。
  • 单层PHDE薄膜在不同频率下的能量密度。
  • 单层PHDE薄膜的在不同频率下的平均功率密度。
  • PHDE与自然肌肉以及其他介电弹性体材料的性能对比。
  • 单层PHDE致动器用于抛射小球。
  • 基于单层PHDE致动器的弹跳机器人。

图3. 干叠法制备叠层PHDE致动器

  • 干叠法工艺示意图。
  • 10层PHDE叠层照片，包含20个致动器器件。
  • PHDE叠层横截面SEM照片。
  • 单层和10层PHDE静态致动测试对比。
  • 单层和10层PHDE在不同频率下致动测试对比。

图4. 基于叠层PHDE的功能致动器件。

  • PHDE蜘蛛致动器顶起200g砝码。
  • PHDE管状致动器制备示意图。
  • PHDE管状致动器顶起100g砝码。
  • 基于PHDE管状致动器的蠕动泵照片。
  • 基于PHDE管状致动器的蠕动泵在不同工作条件下的性能。

 

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