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  電場集中現象在電子設備中普遍存在。其中一個特殊的例子是尖端放電。雖然一方面在大多數情況下電場集中被作為問題要盡量避免，但是在另一方面電場集中現象也可以被有效地利用起來。例如，打火裝置，避雷針，海水淡化以及工業煙囪中的除塵裝置等都利用到了電場集中。

  在水凝膠驅動的介電彈性體驅動器中，水凝膠作為可拉伸透明離子導體，彈性體作為可拉伸透明介電體。在器件工作時，水凝膠通常需要承受高達一千伏量級甚至更高的電壓。目前為止，介電彈性體驅動器中所使用的水凝膠的厚度通常在100微米到1毫米量級，除了考慮水凝膠的高含水量等因素外，進一步考慮由于電極厚度導致的電極邊緣的電場集中問題對于器件性能的長時間穩定性的影響一直有待研究；特別是當器件在高電壓循環加載的工況下工作時，這一問題的研究尤為重要。

圖1 實驗裝置示意a）俯視圖，b）側視圖；和c）實物圖。

  現在，鎖志剛教授團隊以溶解有氯化鋰的聚丙烯酰胺水凝膠作為離子導體和聚二甲基硅氧烷作為介電彈性體，針對水凝膠-彈性體器件中的電場集中現象及器件的穩定性展開研究。實驗裝置示意圖和實物圖如圖1所示。研究人員首先制備聚二甲基硅氧烷彈性體（10：1）薄膜，對薄膜進行預拉伸，將其固定到一個有機玻璃板的剛性支撐上；然后在彈性體薄膜兩側對稱地貼上水凝膠電極。從實物圖可見，由于聚丙烯酰胺水凝膠和聚二甲基硅氧烷彈性體都十分透明，因此器件也非常透明。彈性體的初始厚度為250微米，在等雙周預拉伸1.2后，厚度減小至約173微米。預拉伸后，彈性體的直徑為5厘米；水凝膠的直徑為2厘米，厚度為500微米。

圖2 水凝膠-彈性體器件的疲勞壽命測試

  研究人員首先研究了電場集中對器件疲勞壽命的影響。在一個典型的測試中，研究人員給器件施加了頻率為1kHz的正弦電壓，以300V/s的速率逐漸升高電壓至器件擊穿，然后記錄器件擊穿時的循環次數，實驗結果如圖2所示。測試的電極包括不同氯化鋰濃度的聚丙烯酰胺水凝膠以及碳膏。其中，空心的實驗數據表示器件擊穿發生在電極邊緣；實心的實驗數據表示器件擊穿發生在電極內部。實驗結果顯示，絕大部分的器件擊穿都發生在電極邊緣附近，例如，當電極為含有1mol/L氯化鋰的聚丙烯酰胺水凝膠時擊穿發生在電極附近占94%；當電極為碳膏時為97%。值得一提的是，器件的疲勞壽命測試是在控制濕度的條件下進行的，因此，對于水凝膠電極而言，當氯化鋰的濃度較低時，測試時相應的濕度會更高，因此器件的壽命較低，這與實驗結果相一致。

圖3 鹽析與局部熱效應

  研究人員進一步研究了電場集中對器件在擊穿之前的影響，如圖3所示。實驗發現，在實驗過程中，水凝膠電極的周圍出現了鹽析現象。鹽析從水凝膠電極的最外圍開始發生，逐步向電極內部發展。發生鹽析的部分器件發白。當關閉電壓后，鹽析現象消失，器件又重新變得透明。

  在紅外熱成像儀觀測下，鹽析現象的原因得以揭開。在施加電壓前，器件具有與周圍環境相似的溫度，最高約為21.9℃。在連續施加電壓5分鐘后，水凝膠電極周圍的溫度升高到了50.1℃。10分鐘后，局部最高溫度進一步升高到了66.6℃。當撤去電壓后，水凝膠電極的溫度又重新回到了室溫。

  結合數碼相機的照片和紅外熱成像儀的圖像分析可知，在器件工作時，水凝膠電極邊緣區域溫度升高，導致水凝膠失水，從而使得氯化鋰過飽和析出。當撤去電壓后，溫度恢復到室溫。氯化鋰吸收空氣中的水分，重新溶解，因此水凝膠電極重新變得透明。研究人員單獨將相同的水凝膠電極置于65℃環境中，確認了水凝膠電極在這一溫度下確實會發生鹽析。并且，局部發熱現象在碳膏驅動的器件中同樣也出現。研究人員進一步還研究了電壓的幅值和頻率等因素對局部發熱和鹽析現象的影響。

圖4 水凝膠等離子體現象

  那么問題是，究竟是什么原因導致了水凝膠電極的局部發熱和鹽析呢？考慮到空氣的擊穿電壓要遠遠低于介電彈性體的擊穿電壓，研究人員提出了假設：水凝膠電極邊緣的電場集中導致了空氣的擊穿；并設計了實驗進行了驗證，如圖4所示。

  在暗室環境中，當器件工作時，研究人員觀測到了電極周圍的紫光。紫光是由于空氣擊穿產生的。當使用碳膏作為電極時，紫光同樣在電極邊緣出現。為了進一步驗證空氣擊穿，作為對比實驗，研究人員將電極密封在另一層介電彈性體材料中，這樣在器件工作過程中，由于電極邊緣周圍的介質具有與中間介電彈性體相同的擊穿強度，因此，直到器件被擊穿失效之前，電極邊緣周圍不再發生擊穿。同時，由于電場集中，因此器件的擊穿強度會大幅度下降，與實驗觀測一致。

  研究人員認為，水凝膠電極邊緣的空氣擊穿時產生等離子體-水凝膠等離子體。等離子體可以近似等價于導體，因此等離子體存在的區域內部沒有電場。在等離子體區域外圍，電場線垂直于其外輪廓線。等離子體區域的大小與水凝膠電極的厚度尺寸相當。一旦空氣擊穿，那么周圍的電場的強度最高只能是空氣的擊穿場強；而這一場強比介電彈性體的擊穿強度要低得多（2個數量級）。因此，空氣擊穿大大降低了電場集中的程度，使得器件在擊穿前可以承受更高的電壓。

  最后，研究人員研究了不同電極厚度下器件的擊穿。盡管在測試范圍內，擊穿強度對厚度沒有明顯的關聯性，但是所有具有介電材料密封層的器件的擊穿強度都遠遠小于沒有密封層的器件的擊穿強度，進一步支持了空氣擊穿從而降低電場集中的假設。

  這一研究工作最近發表在Extreme Mechanics Letters上。論文第一作者是丹麥科技大學的博士研究生Justina Vaicekauskaite，曾在哈佛大學工學院訪學；第二作者是楊燦輝博士，曾在哈佛大學工學院從事博士后研究，現為南方科技大學力學與航空航天工程系助理教授。第三作者為丹麥科技大學Anne Ladegaard Skov 教授。美國科學院院士、工程院院士、哈佛大學鎖志剛教授為通訊作者。

  論文信息與鏈接

  JustinaVaicekauskait, Can Hui Yang, Anne LadegaardSkov, Zhigang Suo, Electric field concentration in hydrogel-elastomer devices, Extreme Mechanics Letters, 2019. 

  https://doi.org/10.1016/j.eml.2019.100597

  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352431619302652

  楊燦輝助理教授目前正在組建新團隊，招收推免直博生，碩、博士研究生和博士后等；研究方向包括軟物質材料力學行為，水凝膠器件，軟材料粘接，新型軟材料設計與制備，柔性傳感器與驅動器等。同時長期招收科研助理。歡迎對相關研究方向感興趣的同學郵件聯系：yangch@sustech.edu.cn。請在郵件中做必要的自我介紹。