介電彈性體是一種電活性聚合物，在Maxwell應(yīng)力下可以產(chǎn)生顯著的可逆形變，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，具有形變量大(>100%)、能量密度高、控制簡(jiǎn)單、便于人機(jī)交互等優(yōu)勢(shì)，在柔性驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域獲得廣泛關(guān)注。作為電-機(jī)能量轉(zhuǎn)換模塊，彈性體的功率密度直接決定了柔性驅(qū)動(dòng)器的輸出性能。然而，實(shí)現(xiàn)高功率密度(>100 W/kg)通常依賴高驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)(>40 MV/m)，這對(duì)器件的絕緣保障和操作安全提出高要求、限制了介電彈性體柔性驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用。介電彈性體的功率密度與驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)近似成4次方關(guān)系。如何在低電場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)高功率密度是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題。
 

　　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(yīng)頻率低；硅橡膠彈性體則與之相反。近期，清華大學(xué)電機(jī)系黨智敏教授團(tuán)隊(duì)利用分子量差異巨大的兩種交聯(lián)劑構(gòu)建了丙烯酸酯雙模網(wǎng)絡(luò)，大分子量交聯(lián)劑賦予彈性體高彈性和較低模量，少量的小分子量交聯(lián)劑縮短交聯(lián)點(diǎn)間平均分子量，加快應(yīng)力傳導(dǎo)速度，提高彈性體驅(qū)動(dòng)響應(yīng)頻率特性(圖1)。該丙烯酸酯彈性體兼具了高能量密度以及可比擬硅橡膠的高驅(qū)動(dòng)頻率(~200 Hz)。在低驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)下，該雙模網(wǎng)絡(luò)彈性體展示了高功率密度(154 W/kg@20 MV/m、200 Hz)，超過了哺乳動(dòng)物骨骼肌的典型值(50 W/kg)。更進(jìn)一步，研究人員基于該先進(jìn)材料制備了柔性無磁旋轉(zhuǎn)電機(jī)，測(cè)試了電機(jī)在不同驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)和頻率下的轉(zhuǎn)速特性。在19.6 MV/m、125 Hz的驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)下，該電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1245 rpm，遠(yuǎn)高于目前已報(bào)道的丙烯酸酯彈性體電機(jī)(<200 rpm@ >40 MV/m)(圖2)。
 

圖1.丙烯酸酯雙模網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建、微觀結(jié)構(gòu)、組成表征
 

圖2.丙烯酸酯彈性體功率密度特性和柔性旋轉(zhuǎn)電機(jī)輸出性能
 

　　相關(guān)研究成果以“一種在低電場(chǎng)條件下具有超高功率密度的高響應(yīng)頻率雙峰網(wǎng)絡(luò)聚丙烯酸酯彈性體”(A high-response-frequency bimodal network polyacrylate elastomer with ultrahigh power density under low electric field)為題，于11月13日發(fā)表于《自然·通訊》(Nature Communications)。
 

　　清華大學(xué)電機(jī)系博士后尹麗娟為論文第一作者，黨智敏教授為論文通訊作者。合作者還包括機(jī)械系、化學(xué)系，鄭州大學(xué)電氣學(xué)院和西安交通大學(xué)電氣學(xué)院等。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委(重點(diǎn)基金、面上基金和青年基金)和中國(guó)博士后科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。