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电致形变液晶弹性体复合材料的制备及其性能研究

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电致形变液晶弹性体复合材料的制备及其性能研究

作者：周正峰东南大学

学位级别：硕士

电驱动软体机器人因其柔软弹性、灵活性、可编程性、连续变形和适应能力强等诸多优势,已成为科研学者关注的热点,而研发电驱动软体机器人的关键是筛选和构建电驱动智能复合材料。液晶弹性体(Liquid crystal elastomer,LCE)作为新型的智... 详细信息

电驱动软体机器人因其柔软弹性、灵活性、可编程性、连续变形和适应能力强等诸多优势,已成为科研学者关注的热点,而研发电驱动软体机器人的关键是筛选和构建电驱动智能复合材料。液晶弹性体(Liquid crystal elastomer,LCE)作为新型的智能材料,具有独特的可逆驱动形变性能,被广泛应用于软体机器人、人造肌肉和可控驱动器等领域。传统的电驱动LCE材料是将无机导电填料通过物理掺杂到LCE中制备而成,为了增强材料导电性能往往需要添加大量的导电填料,从而会导致材料机械性能下降。因此,制备出力学性能优异、收缩形变量大的电驱动LCE材料具有重要的意义。本文通过多层材料复合的方式制备了电致形变LCE材料并对其力学性能和电驱动响应机制进行了探究,具体研究如下:本文在液晶单体RM257体系中引入液态金属(LM)、铜丝、碳纤维丝(CF)以及碳黑(CB)粉末等导电填料,分别制备了纯LCE薄膜和液态金属/液晶弹性体(LM-LCE)薄膜,以及类似于“三明治”结构的铜丝/LCE导电复合薄膜、CF-LCE导电复合薄膜、CF/LM-LCE导电复合薄膜和CB/LM-LCE导电复合薄膜。对制备的LCE薄膜进行傅里叶红外光谱、差示扫描量热、广角X射线衍射等测试表征,利用微机控制电子万能试验机对薄膜进行力学性能测试,并进一步对导电复合薄膜进行电刺激响应研究。力学性能测试结果表明当LM的掺杂含量为5 wt%时,LM-LCE薄膜的拉伸断裂强度和拉伸弹性模量达到最大值,分别为8.02 MPa、28.59 MPa,是纯LCE薄膜的1.6倍。CF-LCE复合薄膜拉伸断裂强度为7.39 MPa,拉伸弹性模量为65.57 MPa。而CF/LM-LCE复合薄膜的拉伸断裂强度达到10.60 MPa,拉伸弹性模量达到199.16 MPa,表明将CF嵌入到LCE薄膜中可以显著增强LCE薄膜的力学性能。电驱动响应测试结果表明,铜丝/LCE导电复合薄膜在2 V电压驱动下,可以产生较大的弯曲形变,当负载26 g的重物时,复合薄膜产生可逆收缩形变,收缩率约为25%。而CF-LCE复合薄膜在25 V电压驱动下,负载50 g重物时,收缩率为26.3%。对于CB/LM-LCE复合薄膜,在80 V电压驱动下,可实现高效的电热转换,最大收缩率为45%,在负载50 g重物的情况下,依然能够实现明显的可逆收缩形变,最大收缩率为42%。这些数据表明这些材料在电驱动软体机器人等领域具有潜在的应用前景。

关键词：电致形变液晶弹性体电热转换材料软致动器

PEVOH磺酸钠薄膜的制备及其电致形变性能研究

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黑龙江大学自然科学学报 2005年第4期22卷 528-532页

作者：张玉军黄玉东李丰富哈尔滨工业大学应用化学系黑龙江哈尔滨150001 哈尔滨理工大学材料科学与工程学院黑龙江哈尔滨150080

采用PEVOH(聚乙烯-乙烯醇)和1,3-丙烷磺酸内酯合成了PEVOH磺酸钠,并对其结构进行了红外和核磁表征。当PEVOH中的羟基和1,3-丙烷磺酸内酯的摩尔配比小于 2．5时,制得的PEVOH-SO3NA具有良好的水溶性;当摩尔配比大于2．5时,产物PEVOH- SO3N... 详细信息

采用PEVOH(聚乙烯-乙烯醇)和1,3-丙烷磺酸内酯合成了PEVOH磺酸钠,并对其结构进行了红外和核磁表征。当PEVOH中的羟基和1,3-丙烷磺酸内酯的摩尔配比小于 2．5时,制得的PEVOH-SO3NA具有良好的水溶性;当摩尔配比大于2．5时,产物PEVOH- SO3NA开始逐渐出现憎水的特征。通过高压静电纺丝技术制备了PEVOH磺酸钠薄膜,SEM分析了薄膜的微观形貌特征,并用自制的形变测定装置测量了其发生形变时的电压为128V- 156V(膜厚:1MM),并从PEVOH磺酸钠的结构与性能的关系阐述了PEVOH磺酸钠薄膜的电致形变发生机理。

关键词： PEVOH磺酸钠高压电纺丝薄膜电致形变

高电致形变介电弹性体复合材料的制备及电机性能研究

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高电致形变介电弹性体复合材料的制备及电机性能研究

作者：黄朔北京化工大学

学位级别：硕士

介电弹性体(DE)是一类电活性聚合物,在外界电场的作用下,会发生尺寸和形状的变化,当外界电刺激撤销时,又能迅速恢复到原来的形状。科研人员对DE进行了大量实用性研究,例如柔性驱动器、大应变电容传感器、光学器件、健康监测仪和能量收... 详细信息

介电弹性体(DE)是一类电活性聚合物,在外界电场的作用下,会发生尺寸和形状的变化,当外界电刺激撤销时,又能迅速恢复到原来的形状。科研人员对DE进行了大量实用性研究,例如柔性驱动器、大应变电容传感器、光学器件、健康监测仪和能量收集器等。通过增加介电常数、提高电击穿强度或降低弹性模量可以提高DE的电机性能。丁腈橡胶(NBR)含有许多易被电场极化的丙烯腈基团,使其具有相对较高的介电常数(约为10)。多巴胺(DOPA)是由贻贝分泌的一类蛋白质,它可以在几乎所有基体表面进行自聚合。本文第三章通过仿生法制备了一种特殊的核壳结构纳米粒子TiO2-PDA。再分别将不同质量份数的TiO2与TiO2-PDA粒子填充到NBR基体中制备介电弹性体复合材料。实验结果表明DOPA的引入改善了复合材料的分散性、介电性能和电机性能。其中,添加10p hr TiO2-PDA的NBR介电弹性体复合材料电致形变量最大。本文第四章,我们通过在NBR中加入聚苯胺(PANI)和环氧大豆油(ESO),调控分子间的相互作用力,制备出一种全有机非逾渗的介电弹性体复合材料。添加PANI和ESO可以分别提高复合材料的介电常数和降低其弹性模量。最终,4.5kV ·mm-1驱动电压下,50phr ESO/(4 phr PANI/NBR)复合材料的电致形变量为2.5%。在本文第五章中,为了提高硅橡胶(SR)的电机性能,我们向SR中添加高介电常数的BaTiO3(BT)粒子和增塑剂硅油(SO)。由于BT增加了复合材料的介电常数,SO降低了分子链的缠结,SR的电机敏感性得到了大幅度提升。最终,50phr SO/(4 phr BT/SR)复合材料的电致形变量最大。

关键词：介电弹性体丁腈橡胶电致形变介电常数弹性模量

基于透明凝胶材料的电致形变及其在可控变焦微透镜中的应用

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基于透明凝胶材料的电致形变及其在可控变焦微透镜中的应用

作者：厉孝广上海师范大学

学位级别：硕士

可调微透镜作为是一种新型的光学元器件,具有光学性能可调、体积小、重量轻、无机械运动、稳定性好等诸多优点,使其在成像、微流体传感、自适应光学等诸多领域具有广阔的应用前景,而成为近年来光学、材料学和智能控制领域的研究热点之... 详细信息

可调微透镜作为是一种新型的光学元器件,具有光学性能可调、体积小、重量轻、无机械运动、稳定性好等诸多优点,使其在成像、微流体传感、自适应光学等诸多领域具有广阔的应用前景,而成为近年来光学、材料学和智能控制领域的研究热点之一。本文针对已报道的各类可控变焦微透镜,具体包括基于pH响应可控微透镜、基于热效应可控微透镜、基于电光效应液晶可控微透镜、基于压力驱动可控微透镜以及基于电致驱动可控微透镜等,进行了详细的调研,并分析其调控原理和存在的优缺点。在此基础上,本文对基于电介质可控微透镜——聚偏氟乙烯(PVDF)凝胶透镜进行了较为深入的研究。本文以PVDF为凝胶剂、己二酸二乙酯(DEA)为增塑剂,制得了不同PVDF含量的透明凝胶。使用紫外-可见分光光度计、阿贝折射仪、金相显微镜、流变仪等对PVDF凝胶材料的透光率、折光率、结晶性、流变性等进行了表征。并在此基础上设计和制作了基于PVDF凝胶的可控变焦微透镜,使用原位接触角测量仪和体视变焦显微镜对微透镜的电致形变特性进行了表征。研究结果表明,当PVDF凝胶的浓度为5.0wt%时,所制得的PVDF凝胶透镜在550nm可见光的透光率为92.6%,在20℃时的折射率为1.4260。该透镜在外加120V正向直流电压下响应时间约为70秒,焦距变化量可达5.56mm。其在电场诱导作用下的形变与其动态流变学性质具有一定的相关性。在相同情况下,与离子液体和盐溶液等变焦透镜相比,PVDF凝胶变焦透镜达到相同变焦效果所需要的电压更低,几乎不受重力的影响,而且结构简单、造价低廉、耗电量极低。

关键词： PVDF凝胶电致形变变焦微透镜电活性聚合物

低电压下大电致形变聚氨酯介电弹性体的设计与制备

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低电压下大电致形变聚氨酯介电弹性体的设计与制备

作者：姚洋北京化工大学

学位级别：硕士

介电弹性体材料(DEs)是将电能转化为机械能的一种电活性聚合物材料。由于具有电致形变量大、响应时间快、质量轻等优点,DEs在生物医疗、人造机器人、平面扩音器等领域均有广泛的应用前景。目前,DEs面临的最大挑战是其较低的介电常数和... 详细信息

介电弹性体材料(DEs)是将电能转化为机械能的一种电活性聚合物材料。由于具有电致形变量大、响应时间快、质量轻等优点,DEs在生物医疗、人造机器人、平面扩音器等领域均有广泛的应用前景。目前,DEs面临的最大挑战是其较低的介电常数和过高的驱动电压(>50 kV/mm)限制了其进一步应用的可能。因此,如何在低电压下实现大的电致形变成为了介电弹性体材料研究的重点和难点。根据电驱动机理,降低DEs驱动电压,提高电致形变的主要方法是提高材料介电常数,在保证力学强度的同时降低其弹性模量。本课题从提高介电常数,降低弹性模量两方面入手,利用溶液混合法制备具有高介电常数、低模量的明胶甘油(GG)新型有机介电填料,并用溶液喷涂法将其与静电纺丝的热塑性聚氨酯(TPU)纤维膜复合,得到具有隔离结构的明胶甘油／热塑性聚氨酯(GG/TPU)全有机介电弹性体材料。紧密堆叠的TPU纤维丝使得GG/TPU复合材料具有较好的力学性能,增大了基体与填料的界面,TPU纤维膜将GG填料隔离,阻止了导电通路的形成,使复合材料具有较低的电导率(电致形变。同时,本课题还利用溶液混合法将富含羟基的纳米碳球(CNS)与TPU复合,制备纳米碳球热塑性聚氨酯(CNS/TPU)介电弹性体材料。红外光谱结果表明,CNS表面的羟基可与TPU分子链形成氢键作用,从而使CNS在TPU基体内形成良好的分散,提高复合材料拉伸强度。通过差示扫描量热仪和扫描电镜发现,CNS的加入可破坏TPU基体的结晶,CNS通过影响TPU分子链间的氢键作用破坏TPU结晶,结晶的破坏使材料弹性模量降低,滞后损耗减小。加入CNS可有效提高体系介电常数,当加入5 wt% CNS,复合材料介电常数由纯TPU的7.1提高到137.3(在103HZ频率下)。同时,CNS/TPU复合材料具有较低的介电损耗(电致形变。本课题使用具有较高介电常数且便于加工成型的TPU作为基体,采用两种不同的方法制备具有高介电常数、低模量的新型介电弹性体材料,在较低电压下获得较大的电致形变,提高了DEs在实际应用的可能。

关键词：介电弹性体热塑性聚氨酯明胶甘油纳米碳球静电纺丝破坏结晶电致形变

介电弹性体材料电致形变的新机理及聚磷腈基高性能介电弹性体材料

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介电弹性体材料电致形变的新机理及聚磷腈基高性能介电弹性体材料

氧化石墨烯核-壳杂化粒子/硅橡胶介电弹性体复合材料的制备与性能

2023第四届全国功能高分子材料学术研讨会

作者：武文杰李凡珠王中林张立群华南理工大学前沿弹性体研究中心北京化工大学先进弹性体材料研究中心北京纳米能源与系统研究所

介电弹性体材料是指一类可以在电场作用下发生电致形变,完成电能向机械能转化的新概念软物质材料。这一奇特性能使得其在柔性驱动器领域备受关注。虽然目前介电弹性体材料领域已有诸多新材料制备与柔性器件设计相关的研究成果,但其电致... 详细信息

介电弹性体材料是指一类可以在电场作用下发生电致形变,完成电能向机械能转化的新概念软物质材料。这一奇特性能使得其在柔性驱动器领域备受关注。虽然目前介电弹性体材料领域已有诸多新材料制备与柔性器件设计相关的研究成果,但其电致形变的分子机制仍不明确。现有理论认为电致形变是由电极之间引力产生的麦克斯韦压应力造成的,该理论预测的电致形变与实际值差距较大,甚至与很多实验现象相悖。因此我们提出了一种新机理,该机理认为电致形变是由于分子链在电场下的构象变化引起的,这一新机理可以很好解释一些现有理论无法解释的问题。根据该机理指导,我们合成了一种在不做预拉伸的情况下电致形变可以达到80%的高性能聚磷腈基介电弹性体材料。最后通过对该材料在机械形变和电致形变两种不同状态下熵弹性的比例进行了研究,结果显示电致形变是一种不同于机械形变的形变模式,这与我们提出新机理所预测的结论是相符合的。

关键词：介电弹性体聚膦腈电致形变

来源： cnki会议评论

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复合材料学报 2016年第6期33卷 1192-1197页

作者：王明路宁南英张静张立群田明北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室先进弹性体研究中心北京100029

采用阳离子聚电解质聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)改性SiO_2,再通过静电自组装制备了SiO_2-PDDA-氧化石墨烯(GO)核-壳杂化粒子。采用溶液共混法将SiO_2-PDDA-GO引入到高温硫化硅橡胶(SR)中,制备了SiO_2-PDDA-GO/SR介电弹性体复合材料。... 详细信息

采用阳离子聚电解质聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)改性SiO_2,再通过静电自组装制备了SiO_2-PDDA-氧化石墨烯(GO)核-壳杂化粒子。采用溶液共混法将SiO_2-PDDA-GO引入到高温硫化硅橡胶(SR)中,制备了SiO_2-PDDA-GO/SR介电弹性体复合材料。结果表明:该方法能实现GO在SiO_2表面大面积的包覆,解决了GO容易自聚集的问题,且PDDA具有还原GO的作用,无需再对GO核-壳杂化粒子/SR复合材料进行原位热还原,简化了实验方案,节能环保。SiO_2-PDDA-GO填充量为60wt%时,在100 Hz频率下,SiO_2-PDDA-GO/SR介电弹性体复合材料的介电常数为21.53,是SR的11.6倍,介电损耗保持较低值,同时,复合材料的模量保持在较低水平。在电场强度为2.48kV/mm时,60wt%的SiO_2-PDDA-GO/SR介电弹性体复合材料横向电致形变在同一电场强度下与SR相比增加了15倍。

关键词：介电弹性体氧化石墨烯核-壳杂化粒子硅橡胶介电性能电致形变

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调控聚氨酯聚集态结构制备高性能介电弹性体

高分子学报 2023年第2期54卷 266-276页

作者：刘苏亭王秀娟宁南英田明环渤海绿色化工应用技术协同创新中心、潍坊职业学院化学工程学院潍坊262737 橡塑材料与工程教育部重点实验室/山东省橡塑材料与工程重点实验室、青岛科技大学高分子科学与工程学院青岛266042 有机无机复合材料国家重点实验室、北京化工大学北京100029

通过退火保温调控聚氨酯(TPU)的相结构、结晶结构和氢键结构,进而调控其模量和介电常数(ε'),提高TPU的电驱动性能.使用扫描电子显微镜(SEM)和小角X射线(SAXS)研究TPU的结晶结构,基于红外光谱对TPU的氢键变化进行半定量分析,使用原子力... 详细信息

通过退火保温调控聚氨酯(TPU)的相结构、结晶结构和氢键结构,进而调控其模量和介电常数(ε'),提高TPU的电驱动性能.使用扫描电子显微镜(SEM)和小角X射线(SAXS)研究TPU的结晶结构,基于红外光谱对TPU的氢键变化进行半定量分析,使用原子力显微镜(AFM)研究TPU的微相分离结构.结果显示,退火温度和时间不同导致TPU的聚集态结构各异,对模量、ε'和电驱动性能产生了较为复杂的影响.低温(80℃)退火处理后,硬相分布于连续的软段相,且形成了较多软段结晶,相分离程度和氢键破坏程度提高.相比于高温(150℃)退火处理,低温退火后获得较高ε'的同时保持了较低的模量,从而产生较大电致形变.值得注意的是,低温退火条件下产生大范围的软段结晶,使得软段分子链之间排布紧密,导致TPU电击穿强度大幅度提升,得到具有高击穿强度、高电致形变的TPU介电弹性体材料.80℃退火处理6 h后,TPU的电击穿强度从退火处理前的25 kV/mm提高至32 kV/mm,最大电致形变从0.77%提高至3.3%,提高4.3倍.

关键词：聚氨酯介电弹性体结晶相分离电致形变

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液晶弹性体刺激形变研究

化学进展 2008年第1期20卷 140-147页

作者：徐婉娴尹若元林里俞燕蕾复旦大学材料科学系上海200433

开发可以通过外部刺激产生机械形变的人工致动材料是近年来的研究热点。其中,液晶弹性体因结合了聚合物网络的橡胶弹性和液晶的有序性而具有独特的性质,在热、光、电等的外界刺激下可以产生可逆的形状记忆效应。本文综述了液晶弹性体响... 详细信息

开发可以通过外部刺激产生机械形变的人工致动材料是近年来的研究热点。其中,液晶弹性体因结合了聚合物网络的橡胶弹性和液晶的有序性而具有独特的性质,在热、光、电等的外界刺激下可以产生可逆的形状记忆效应。本文综述了液晶弹性体响应多种外界刺激产生各种形变的行为,主要介绍了有关热致形变液晶弹性体、电致形变液晶弹性体、化学刺激导致形变的液晶弹性体及光致形变液晶弹性体的研究进展,阐述了各类液晶弹性体产生形变的机理包括热致、电致和光致相转变,讨论了影响其响应性能的主要因素,并展望了这一领域的发展前景。

关键词：液晶弹性体热致形变电致形变光致形变