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仪表网 研发快讯】介电弹性体是一种电活性聚合物，在Maxwell应力下可以产生显著的可逆形变，将电能转换为机械能，具有形变量大(>100%)、能量密度高、控制简单、便于人机交互等优势，在柔性驱动器领域获得广泛关注。作为电-机能量转换模块，弹性体的功率密度直接决定了柔性驱动器的输出性能。然而，实现高功率密度(>100 W/kg)通常依赖高驱动电场(>40 MV/m)，这对器件的绝缘保障和操作安全提出高要求、限制了介电弹性体柔性驱动器的应用。介电弹性体的功率密度与驱动电场近似成4次方关系。如何在低电场下实现高功率密度是一个具有挑战性的问题。
目前常用的介电弹性体主要分为两大类：丙烯酸酯和硅橡胶。丙烯酸酯弹性体具有高能量密度，但响应频率低；硅橡胶弹性体则与之相反。近期，清华大学电机系党智敏教授团队利用分子量差异巨大的两种交联剂构建了丙烯酸酯双模网络，大分子量交联剂赋予弹性体高弹性和较低模量，少量的小分子量交联剂缩短交联点间平均分子量，加快应力传导速度，提高弹性体驱动响应频率特性(图1)。该丙烯酸酯弹性体兼具了高能量密度以及可比拟硅橡胶的高驱动频率(~200 Hz)。在低驱动电场下，该双模网络弹性体展示了高功率密度(154 W/kg@20 MV/m、200 Hz)，超过了哺乳动物骨骼肌的典型值(50 W/kg)。更进一步，研究人员基于该先进材料制备了柔性无磁旋转电机，测试了电机在不同驱动电场和频率下的转速特性。在19.6 MV/m、125 Hz的驱动电场下，该电机转速达到1245 rpm，远高于目前已报道的丙烯酸酯弹性体电机(<200 rpm@ >40 MV/m)(图2)。
图1.丙烯酸酯双模网络的构建、微观结构、组成表征
图2.丙烯酸酯弹性体功率密度特性和柔性旋转电机输出性能
相关研究成果以“一种在低电场条件下具有超高功率密度的高响应频率双峰网络聚丙烯酸酯弹性体”(A high-response-frequency bimodal network polyacrylate elastomer with ultrahigh power density under low electric field)为题，于11月13日发表于《自然·通讯》(Nature Communications)。
清华大学电机系博士后尹丽娟为论文第一作者，党智敏教授为论文通讯作者。合作者还包括机械系、化学系，郑州大学电气学院和西安交通大学电气学院等。研究得到国家自然科学基金委(重点基金、面上基金和青年基金)和中国博士后科学基金等项目的支持。
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