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清華大學黨智敏教授團隊《Nat. Commun.》：共振頻率可以達到200 Hz的丙烯酸酯彈性體

2024-11-19 來源：高分子科技

介電彈性體是一種電活性聚合物，在Maxwell應力下可以產生顯著的可逆形變，將電能轉換為機械能，具有形變量大（>100%）、能量密度高、控制簡單、便于人機交互等優勢，在柔性驅動器領域獲得廣泛關注。介電彈性體作為驅動器的供能模塊，其功率密度直接決定了驅動器的性能。目前常用的介電彈性體主要分為兩大類：丙烯酸酯和硅橡膠。丙烯酸酯彈性體具有高能量密度，但響應頻率低；硅橡膠彈性體則與之相反。因此，實現高功率密度（>100 W/kg）通常需要高驅動電場（>40 MV/m），這對器件的絕緣和操作安全提出高要求、限制了介電彈性體柔性驅動器的應用。介電彈性體的功率密度與驅動電場近似成4次方關系。如何實現低場下高功率密度是一個具有挑戰性的問題。

近期，清華大學電機系黨智敏教授團隊利用分子量差異巨大的兩種交聯劑構建了丙烯酸酯雙模網絡，大分子量交聯劑賦予彈性體高彈性和較低模量，少量的小分子量交聯劑縮短交聯點間平均分子量，加快應力傳導速度，提高彈性體驅動響應頻率特性（圖1）。該丙烯酸酯彈性體在保留丙烯酸酯彈性體高介電常數和高能量密度優勢的同時具備了可比擬硅橡膠彈性體的低模量和高驅動頻率（~200 Hz）。在低驅動電場下，該雙模網絡彈性體具有高功率密度（154 W/kg@20 MV/m），超過了哺乳動物骨骼肌的典型值（50 W/kg）。更進一步，作者們基于該先進材料制備了柔性無磁旋轉電機，測試了電機在不同驅動電場和頻率下的轉速特性。電機轉速展示了多個共振峰，并在125 Hz附近達到最高轉速，表明在該頻率附近彈性體具有最高的輸出功率。在19.6 MV/m、125 Hz的驅動電場下，該電機轉速達到1245 rpm，遠高于目前已報道的丙烯酸酯彈性體電機（<200 rpm, >40 MV/m）（圖2）。該工作以“A high-response-frequency bimodal network polyacrylate elastomer with ultrahigh power density under low electric field”為題發表在《Nature Communications》（Nature Communications (2024) 15:9819）。文章的第一作者是清華大學電機系博士后尹麗娟博士。該研究得到國家自然科學基金委、中國博士后科學基金等項目的支持。

圖1 丙烯酸酯雙模網絡的構建、微觀結構、組成表征

圖2 丙烯酸酯彈性體功率密度特性和柔性旋轉電機

該研究團隊在丙烯酸酯彈性體和柔性旋轉電機的領域開展了多年的研究，2021年在Nature Communications發表過題為“Soft, tough, and fast polyacrylate dielectric elastomer for non-magnetic motor”工作，關注丙烯酸酯彈性體的低場驅動和快速響應問題（Nature Communications (2021) 12:4517，https://doi.org/10.1038/s41467-021-24851-w ）。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-54278-y

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（責任編輯：xu）

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