介電彈性體發(fā)電機(DEG)是一類利用可變電容器原理,將自然界中的機械能轉(zhuǎn)化為電能的新型發(fā)電裝置。DEG具有高能量密度、結(jié)構(gòu)靈活和柔性質(zhì)輕等特點,不僅適合從低頻率大應(yīng)變(>50%)的人體運動中回收能量為便攜設(shè)備供電,還適用于陣列式海洋發(fā)電等場景,是極具前景的新型供電技術(shù)。高發(fā)電性能的DEG器件依賴于兼具高介電常數(shù)、高擊穿強度、高絕緣性以及高彈性、高斷裂伸長率,低模量的DE材料,這對DE材料結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了嚴苛要求。在眾多DEG用DE材料體系中,填充絕緣介電填料(如TiO2,BaTiO3等)的復(fù)合硅彈性體因兼具良好的力學(xué)與電學(xué)性能而被廣泛研究。然而,彈性體和剛性填料之間固有的巨大模量差,使材料在大應(yīng)變下易造成界面脫粘,進而產(chǎn)生空洞,因此這種復(fù)合材料的擊穿強度往往隨應(yīng)變的增大而快速下降,這限制了發(fā)電性能的提高。可見,高性能DEG材料設(shè)計的重點與難點在于如何在保持其他優(yōu)異性能的前提下進一步提高拉伸擊穿強度(Ebs)。
針對以上問題,北京化工大學(xué)張立群院士團隊田明教授、寧南英教授課題組在前期工作中,通過偶聯(lián)劑設(shè)計等界面調(diào)控手段(J. Mater. Chem. A, 2022, 10, 9524-9534;Nano Energy, 2022, 104, 107969),顯著提高了填料-基體間的界面相互作用,已成功實現(xiàn)了復(fù)合材料在較高應(yīng)變(300%面應(yīng)變)下Ebs的提高與發(fā)電性能顯著提升。
近期,北京化工大學(xué)張立群院士團隊田明教授、寧南英教授課題組設(shè)計制備了一種極性“軟質(zhì)介電填料”,將其引入硅橡膠基體中,制備了一種在極高應(yīng)變下(800%面應(yīng)變)具有高拉伸擊穿強度、高發(fā)電性能的新型DE材料。其設(shè)計思路如下,向甲基乙烯基硅膠(PMVS)基體中填充少量富含雙鍵的液體極性橡膠,利用非極性硅膠與高極性軟質(zhì)填料組分間的分相實現(xiàn)有效界面極化,同時通過界面雙鍵的共交聯(lián)作用增強界面相互作用。通過調(diào)控液體極性橡膠的預(yù)交聯(lián)程度,得到了模量略高于硅膠基體的極性橡膠相填料(即“軟質(zhì)介電填料”,GNBR)。當(dāng)復(fù)合材料受到外力作用時,GNBR相能跟隨硅膠基體一同形變。得益于填料-基體間的強界面相互作用以及GNBR填料拉伸可變形的獨特優(yōu)勢,GNBR/PMVS復(fù)合材料能有效緩解應(yīng)變下填料-基體界面處產(chǎn)生的應(yīng)力集中效應(yīng),并避免界面缺陷的產(chǎn)生,因此在提高介電常數(shù)的同時顯著提高了在800%面應(yīng)變下材料的Ebs及發(fā)電性能。
圖1 GNBR/PMVS復(fù)合材料的制備、相態(tài)以及GNBR填料的拉伸變形
圖2 GNBR/PMVS復(fù)合材料的發(fā)電性能
圖3高拉伸擊穿性能的機理研究
該論文以題為“High Energy Harvesting Performances Silicone Elastomer via Filling Soft Dielectric with Stretching Deformability”發(fā)表在Advanced Materials上(Advanced Materials, 2023, DOI:10.1002adma.202300246),北京化工大學(xué)博士后江英杰為文章第一作者,北京化工大學(xué)田明教授、寧南英教授以及田晨晨博士后為共同通訊作者。本研究得到了國家自然科學(xué)基金(No. 51525301)的支持。
原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202300246
- 浙師大鄂世舉教授/納米能源所王中林院士 Nano Energy:高耐用性高輸出性能的交流型介電彈性體發(fā)電機 2023-03-10
- 中國科大龔興龍教授團隊 Small:界面工程輔助3D打印硅橡膠復(fù)合材料 - 協(xié)同優(yōu)化抗沖擊性能與電磁干擾屏蔽效能 2025-05-01
- 華南理工大學(xué)郭建華教授團隊 CEJ:具有垂直排列結(jié)構(gòu)的高導(dǎo)熱強電磁屏蔽碳纖維/硅橡膠復(fù)合材料 2024-04-29
- 西南林業(yè)大學(xué)高偉教授團隊 Chem. Eng. J.:為木材涂好超強“防曬霜” 2023-12-20
- 西南交大楊婷婷等《Mater. Horiz.》: 結(jié)合離子二極管和離子水凝膠的高效耐寒濕基發(fā)電機 2023-12-29