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電活性聚合物（有特殊電性能和機(jī)械性能的材料）

次瀏覽 | 更新時(shí)間：2023-05-19

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電活性聚合物

本詞條是多義詞，共2個(gè)義項(xiàng)

有特殊電性能和機(jī)械性能的材料

電活性聚合物EAP是一種智能材料，具有特殊的電性能和機(jī)械性能。這種聚合物在受到電刺激后，產(chǎn)生微小形變。因此，從上世紀(jì)90年代初開(kāi)始，電活性聚合物以較強(qiáng)的誘導(dǎo)形變能力引起許多學(xué)科的科學(xué)家和工程師的關(guān)注。EAP材料的性能由許多因素決定，如輸出應(yīng)變、驅(qū)動(dòng)應(yīng)力、彈性能密度、響應(yīng)時(shí)間及理論效率等。

基本信息

中文名	電活性聚合物
外文名	electroactivepolymer
拼音	dianhuaxingjuhewu
特點(diǎn)	具有特殊的電性能和機(jī)械性能
分類(lèi)	電子型EAP和離子型EAP
來(lái)源	19世紀(jì)80年代
性質(zhì)	是一種智能材料

收起

聚合物簡(jiǎn)介

電活性聚合物(Dielectric Electro Active Polymer，DEAP)也是介電彈性體(Dielectric E— lastomer，DE)，是一種智能材料，因其獨(dú)特的電性能和機(jī)械性能而嶄露鋒芒。20世紀(jì)90年代初，基于電活性聚合物材料的人工肌肉驅(qū)動(dòng)器得到快速發(fā)展。與傳統(tǒng)的壓電材料相比，這種聚合物材料具有更大的應(yīng)變能力，且重量輕、驅(qū)動(dòng)效率高、抗震性能好，是最具有發(fā)展?jié)摿Φ姆律牧现弧?/span>

電活性聚合物設(shè)計(jì)、合成和加工方面的研究都有了很大的進(jìn)展。美國(guó)斯坦福研究院采用3M公司生產(chǎn)的聚丙烯酸橡膠 VHB2910和VHB2905制造了預(yù)應(yīng)變的致動(dòng)器。丹麥的丹佛斯利用軟硅樹(shù)脂和銀粉柔性電極制造了非預(yù)拉伸單層薄膜致動(dòng)器，其厚度是微米級(jí)的。電活性聚合物在直流電作用下會(huì)產(chǎn)生大幅度的應(yīng) 變(如聚丙烯酸橡膠，其線性應(yīng)變可達(dá)380%，且能鼉輸出也很高)。且反應(yīng)速度快(微秒級(jí))，變形率大(與壓電陶瓷等傳統(tǒng)的電致伸縮材料相比)，這些特點(diǎn)使得這類(lèi)材料成為微型機(jī)械中致動(dòng)器及傳感器的基礎(chǔ)材料，并且得到了廣泛的應(yīng)用。但其在發(fā)電方面的研究與應(yīng)用尚處于起步階段。

利用電活性聚合物收集風(fēng)能、波浪能等綠色能源發(fā)電，開(kāi)發(fā)新型可再生、低廉、環(huán)境友好、清潔的能源，可以促進(jìn)世界能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

發(fā)展歷史

電活性聚合物的起源可以追溯到19世紀(jì)80年代，機(jī)電響應(yīng)現(xiàn)象首次被發(fā)現(xiàn)。20年后有人將場(chǎng)致應(yīng)變的規(guī)律總結(jié)成公式。上世紀(jì)20年代壓電聚合物的發(fā)現(xiàn)，是電活性聚合物發(fā)展史的重要里程碑。40年代末，人們發(fā)現(xiàn)了化學(xué)活性聚合物，例如膠原質(zhì)絲浸泡在酸或堿溶液中時(shí)，可以可逆伸縮。但是，關(guān)于“化學(xué)-機(jī)械”的驅(qū)動(dòng)器卻很少有人研究，直到仿生肌肉用合成聚合物發(fā)展起來(lái)。隨著電激勵(lì)技術(shù)的發(fā)展，人們開(kāi)始關(guān)注EAP材料。1969年發(fā)現(xiàn)PVDF具有壓電行為后，科學(xué)家開(kāi)始挖掘其它聚合物體系，一系列的EAP材料應(yīng)運(yùn)而生。近10年來(lái),EAP材料發(fā)展迅速，開(kāi)發(fā)了一系列具有優(yōu)異性能的EAP材料，某些EAP材料的形變量甚至可以達(dá)到300%。

分類(lèi)

按照作用機(jī)理的不同，電活性聚合物（EAP）主要分為兩大類(lèi)，電子型EAP和離子型EAP。

電子型EAP包括全有機(jī)復(fù)合材料(AOC)、介電EAP(DEAP)、電致伸縮接枝彈性體(ESGE)、電致伸縮薄膜(ESP)、電致粘彈性聚合物(EVEM)、鐵電體聚合物(FEP)和液晶彈性體(LCE)等。

離子型EAP包括碳納米管(CNT)、導(dǎo)電聚合物(CP)、電致流變液體(ERF)、離子聚合物凝膠(IPG)和離子聚合物基金屬?gòu)?fù)合材料(IPMC)等。

對(duì)于電子型EAP,在電場(chǎng)作用下庫(kù)侖力誘導(dǎo)產(chǎn)生電致伸縮效應(yīng)以及靜電、壓電和鐵電效應(yīng)，而且這種EAP材料可在直流電場(chǎng)作用下產(chǎn)生誘導(dǎo)位移。但是，在一定的電致伸縮效應(yīng)時(shí)，電子型EAP需要較高的激勵(lì)電場(chǎng)(>100V/μm),該電場(chǎng)接近材料的擊穿電場(chǎng)。而離子型EAP是由兩個(gè)電極和電解液組成的，離子遷移或分散作用，可以使這類(lèi)材料在較低電壓下(1～ 2V)產(chǎn)生激

勵(lì)作用，并產(chǎn)生誘導(dǎo)彎曲位移。

這類(lèi)EAP材料的缺點(diǎn)是需要保持一定的濕潤(rùn)度，而且在直流電場(chǎng)激勵(lì)下很難保持穩(wěn)定的誘導(dǎo)位移(導(dǎo)電聚合物除外)。

電子EAP材料

電致伸縮接枝彈性體

電致伸縮接枝彈性體，由柔性主鏈和支鏈組成。支鏈與相接近的主鏈物理交聯(lián)，形成晶體單元。柔性主鏈與結(jié)晶的接枝單元由帶有電荷的極性單體合成，可以產(chǎn)生偶極矩，并使結(jié)晶支鏈誘導(dǎo)極化。在施加電場(chǎng)的情況下，偶極子產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩作用，刺激結(jié)晶支鏈的極化單元旋轉(zhuǎn)，主鏈局部重排，導(dǎo)致彈性體變形。接枝彈性體的優(yōu)點(diǎn)是比其它電致伸縮聚合物的硬度高。

電致伸縮薄膜

電致伸縮薄膜是大量分散粒子組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)聚合物，通常具有纖維的性質(zhì)。這種材料的驅(qū)動(dòng)器質(zhì)輕，制造簡(jiǎn)單，可以用于活性吸音器、柔性揚(yáng)聲器和“智能”形狀控制設(shè)備等。

電致粘彈性聚合物

電致粘彈性聚合物由硅橡膠和極化相組成。在未硫化交聯(lián)之前，這種材料就像電致粘彈液體。施加電場(chǎng)后，材料固化，極化相在彈性體基體中定向排列。因此，這種材料具有“固態(tài)”相，且剪切模量隨電場(chǎng)(<6V/μm)變化。這種材料能獲得50%的剪切模量，可以代替電致流變液體作為阻尼材料，還可以用來(lái)制造精確控制閉合回路系統(tǒng)的機(jī)器人胳膊。

鐵電聚合物

壓電現(xiàn)象是一種存在于一類(lèi)特定晶體———鐵電體中的獨(dú)特效應(yīng)。壓電材料在施加電場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生伸縮變形，相反在施加壓力時(shí)產(chǎn)生電壓。這種材料可以在空氣、真空或水中使用，而且使用溫度范圍相當(dāng)寬。聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物是最常見(jiàn)的鐵電聚合物。由于它們具有良好的柔韌性并易制成大面積的薄膜，因而在音頻和超聲傳感器、生物醫(yī)學(xué)傳感器、機(jī)電換能器以及熱釋電和光學(xué)器件中具有重要的應(yīng)用前景。在水聽(tīng)器，醫(yī)用超聲傳感器和機(jī)器人探測(cè)器等領(lǐng)域已獲得實(shí)際應(yīng)用。

全有機(jī)復(fù)合材料

全有機(jī)復(fù)合材料是將具有高介電常數(shù)的有機(jī)填料分散到一種電致伸縮聚合物基體中，在保持基體柔性的基礎(chǔ)上同時(shí)具有較高的介電常數(shù)。這種聚合物基復(fù)合材料在較低的電場(chǎng)下可以實(shí)現(xiàn)較高的應(yīng)變量，與此同時(shí)，既大大地增加了有機(jī)材料的介電常數(shù)，也有效地改善了材料的“有效”擊穿強(qiáng)度。

液晶彈性體

液晶彈性體是一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，通過(guò)焦耳熱產(chǎn)生電活性。LCE材料由單域向列相液晶彈性體和導(dǎo)電聚合物組成。向列相和各向同性相之間的相轉(zhuǎn)變產(chǎn)生電活性，而且產(chǎn)生電活性的時(shí)間還不到1s。各向異性液晶溶膠，可以通過(guò)原位(in situ)光聚合法得到，其中包含有反應(yīng)性液晶分子，同時(shí)在一定方向上還存在不反應(yīng)的液晶分子。這種液晶聚合物體系具有相當(dāng)好的性能，例如，其彈性可以通過(guò)液晶聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和小分子液晶結(jié)構(gòu)來(lái)控制。

離子EAP材料

碳納米管

碳納米管是一種高性能，多功能復(fù)合材料，具有高長(zhǎng)徑比、直徑小、質(zhì)量輕、機(jī)械強(qiáng)度高(類(lèi)似于金剛石)、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、熱穩(wěn)定性好、空氣中穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。在注入離子后，納米管和電解液的離子電荷平衡被破壞，鍵長(zhǎng)改變產(chǎn)生電活性。注入的電荷愈多，尺寸變化愈大。因此，人們希望得到CNT/聚合物納米復(fù)合材料，使易于加工的聚合物基體具備CNT的優(yōu)點(diǎn)。

電致流變液體

電致流變液體是一種低介電液體，其中含有電子極化粒子。施加電場(chǎng)后，懸浮離子極化。幾毫秒后，在電場(chǎng)方向產(chǎn)生原纖化作用，表觀粘度增加。ERF具有響應(yīng)時(shí)間短，消耗功率低，性能穩(wěn)定，加工簡(jiǎn)單等性能。因此，可以用在機(jī)械工程(例如發(fā)動(dòng)機(jī)防震墊、減震器、離合器電致流變閥門(mén)機(jī)器人手臂等)和一些控制系統(tǒng)。ERF被開(kāi)發(fā)用作一些新的設(shè)備上，例如人工肌肉激勵(lì)器、宇宙飛船減震器、電致觸感顯示器、光子晶體等。

導(dǎo)電聚合物

導(dǎo)電聚合物材料是一類(lèi)兼具高分子特性及導(dǎo)電體特征的高分子材料。根據(jù)電荷載流子的種類(lèi)，導(dǎo)電聚合物被分為電子CP和離子CP。以自由電子或空穴為載流子的導(dǎo)電聚合物稱(chēng)為電子CP,其共同特征是分子內(nèi)含有大的線性共軛π電子體系。電子CP主要有聚乙炔、芳香單環(huán)、多環(huán)以及雜環(huán)的共聚物或均聚物。以正、負(fù)離子為載流子的導(dǎo)電聚合物稱(chēng)為離子CP,主要有聚醚、聚酯和聚酰亞胺。這些聚合物分子的聚合物溶劑化能力強(qiáng)，有利于鹽解理成離子或形成聚和絡(luò)合物。需要指出的是，僅有長(zhǎng)鏈共軛體系的聚合物只能算作是半導(dǎo)體，其導(dǎo)電能力還無(wú)法與金屬導(dǎo)體相比，因此需要摻雜微量添加劑來(lái)提高其導(dǎo)電能力。

離子聚合物凝膠

離子聚合物可以通過(guò)凝膠法得到，并且具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)作用，這種驅(qū)動(dòng)作用和生物肌肉的驅(qū)動(dòng)力及彈性能密度相似。這種材料在酸性環(huán)境中可發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，凝膠伸縮，產(chǎn)生電活性。離子聚合物/金屬?gòu)?fù)合材料是一種新型的智能聚合物材料，具有電活性。聚合物基體通常是離子交換材料，用來(lái)選擇單電荷離子(陰離子或陽(yáng)離子),因此，通常具有共價(jià)離子基團(tuán)。施加電場(chǎng)后離子從材料中遷移出來(lái)，其運(yùn)動(dòng)方向與極化方向有關(guān)，遷移速率與施加的電壓和材料性能有關(guān)。IPMC材料質(zhì)輕，柔性好，只需低電壓(< 3V)即可產(chǎn)生較大形變，可在潮濕環(huán)境中使用，而且具有生物相容性, 因此多應(yīng)用于醫(yī)學(xué)設(shè)備上。

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