美国哈佛大学锁志刚教授课题组：水凝胶-弹性体器件中的等离子现象

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电场集中现象在电子设备中普遍存在。其中一个特殊的例子是尖端放电。虽然一方面在大多数情况下电场集中被作为问题要尽量避免，但是在另一方面电场集中现象也可以被有效地利用起来。例如，打火装置，避雷针，海水淡化以及工业烟囱中的除尘装置等都利用到了电场集中。

在水凝胶驱动的介电弹性体驱动器中，水凝胶作为可拉伸透明离子导体，弹性体作为可拉伸透明介电体。在器件工作时，水凝胶通常需要承受高达一千伏量级甚至更高的电压。目前为止，介电弹性体驱动器中所使用的水凝胶的厚度通常在100微米到1毫米量级，除了考虑水凝胶的高含水量等因素外，进一步考虑由于电极厚度导致的电极边缘的电场集中问题对于器件性能的长时间稳定性的影响一直有待研究；特别是当器件在高电压循环加载的工况下工作时，这一问题的研究尤为重要。

图1 实验装置示意a）俯视图，b）侧视图；和c）实物图。

现在，锁志刚教授团队以溶解有氯化锂的聚丙烯酰胺水凝胶作为离子导体和聚二甲基硅氧烷作为介电弹性体，针对水凝胶-弹性体器件中的电场集中现象及器件的稳定性展开研究。实验装置示意图和实物图如图1所示。研究人员首先制备聚二甲基硅氧烷弹性体（10：1）薄膜，对薄膜进行预拉伸，将其固定到一个有机玻璃板的刚性支撑上；然后在弹性体薄膜两侧对称地贴上水凝胶电极。从实物图可见，由于聚丙烯酰胺水凝胶和聚二甲基硅氧烷弹性体都十分透明，因此器件也非常透明。弹性体的初始厚度为250微米，在等双周预拉伸1.2后，厚度减小至约173微米。预拉伸后，弹性体的直径为5厘米；水凝胶的直径为2厘米，厚度为500微米。

图2 水凝胶-弹性体器件的疲劳寿命测试

研究人员首先研究了电场集中对器件疲劳寿命的影响。在一个典型的测试中，研究人员给器件施加了频率为1kHz的正弦电压，以300V/s的速率逐渐升高电压至器件击穿，然后记录器件击穿时的循环次数，实验结果如图2所示。测试的电极包括不同氯化锂浓度的聚丙烯酰胺水凝胶以及碳膏。其中，空心的实验数据表示器件击穿发生在电极边缘；实心的实验数据表示器件击穿发生在电极内部。实验结果显示，绝大部分的器件击穿都发生在电极边缘附近，例如，当电极为含有1mol/L氯化锂的聚丙烯酰胺水凝胶时击穿发生在电极附近占94%；当电极为碳膏时为97%。值得一提的是，器件的疲劳寿命测试是在控制湿度的条件下进行的，因此，对于水凝胶电极而言，当氯化锂的浓度较低时，测试时相应的湿度会更高，因此器件的寿命较低，这与实验结果相一致。

图3 盐析与局部热效应

 研究人员进一步研究了电场集中对器件在击穿之前的影响，如图3所示。实验发现，在实验过程中，水凝胶电极的周围出现了盐析现象。盐析从水凝胶电极的最外围开始发生，逐步向电极内部发展。发生盐析的部分器件发白。当关闭电压后，盐析现象消失，器件又重新变得透明。

在红外热成像仪观测下，盐析现象的原因得以揭开。在施加电压前，器件具有与周围环境相似的温度，最高约为21.9℃。在连续施加电压5分钟后，水凝胶电极周围的温度升高到了50.1℃。10分钟后，局部最高温度进一步升高到了66.6℃。当撤去电压后，水凝胶电极的温度又重新回到了室温。

结合数码相机的照片和红外热成像仪的图像分析可知，在器件工作时，水凝胶电极边缘区域温度升高，导致水凝胶失水，从而使得氯化锂过饱和析出。当撤去电压后，温度恢复到室温。氯化锂吸收空气中的水分，重新溶解，因此水凝胶电极重新变得透明。研究人员单独将相同的水凝胶电极置于65℃环境中，确认了水凝胶电极在这一温度下确实会发生盐析。并且，局部发热现象在碳膏驱动的器件中同样也出现。研究人员进一步还研究了电压的幅值和频率等因素对局部发热和盐析现象的影响。

图4 水凝胶等离子体现象

那么问题是，究竟是什么原因导致了水凝胶电极的局部发热和盐析呢？考虑到空气的击穿电压要远远低于介电弹性体的击穿电压，研究人员提出了假设：水凝胶电极边缘的电场集中导致了空气的击穿；并设计了实验进行了验证，如图4所示。

在暗室环境中，当器件工作时，研究人员观测到了电极周围的紫光。紫光是由于空气击穿产生的。当使用碳膏作为电极时，紫光同样在电极边缘出现。为了进一步验证空气击穿，作为对比实验，研究人员将电极密封在另一层介电弹性体材料中，这样在器件工作过程中，由于电极边缘周围的介质具有与中间介电弹性体相同的击穿强度，因此，直到器件被击穿失效之前，电极边缘周围不再发生击穿。同时，由于电场集中，因此器件的击穿强度会大幅度下降，与实验观测一致。

研究人员认为，水凝胶电极边缘的空气击穿时产生等离子体-水凝胶等离子体。等离子体可以近似等价于导体，因此等离子体存在的区域内部没有电场。在等离子体区域外围，电场线垂直于其外轮廓线。等离子体区域的大小与水凝胶电极的厚度尺寸相当。一旦空气击穿，那么周围的电场的强度最高只能是空气的击穿场强；而这一场强比介电弹性体的击穿强度要低得多（2个数量级）。因此，空气击穿大大降低了电场集中的程度，使得器件在击穿前可以承受更高的电压。

最后，研究人员研究了不同电极厚度下器件的击穿。尽管在测试范围内，击穿强度对厚度没有明显的关联性，但是所有具有介电材料密封层的器件的击穿强度都远远小于没有密封层的器件的击穿强度，进一步支持了空气击穿从而降低电场集中的假设。

这一研究工作最近发表在Extreme Mechanics Letters上。论文第一作者是丹麦科技大学的博士研究生Justina Vaicekauskaite，曾在哈佛大学工学院访学；第二作者是杨灿辉博士，曾在哈佛大学工学院从事博士后研究，现为南方科技大学力学与航空航天工程系助理教授。第三作者为丹麦科技大学Anne Ladegaard Skov 教授。美国科学院院士、工程院院士、哈佛大学锁志刚教授为通讯作者。

论文信息与链接

JustinaVaicekauskait, Can Hui Yang, Anne LadegaardSkov, Zhigang Suo, Electric field concentration in hydrogel-elastomer devices, Extreme Mechanics Letters, 2019. 

https://doi.org/10.1016/j.eml.2019.100597

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352431619302652

杨灿辉助理教授目前正在组建新团队，招收推免直博生，硕、博士研究生和博士后等；研究方向包括软物质材料力学行为，水凝胶器件，软材料粘接，新型软材料设计与制备，柔性传感器与驱动器等。同时长期招收科研助理。欢迎对相关研究方向感兴趣的同学邮件联系：[e-mail]。请在邮件中做必要的自我介绍。

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