清华大学党智敏教授团队《Nat.Commun.》：无磁电机用柔软、强韧、快速响应的聚丙烯酸酯介电弹性体

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介电弹性体，作为人造肌肉，因其柔软（<1MPa）、形变量大（>100%）、能量密度高（最高3.4MJ/m³）的特点受到国内外学者的广泛关注。相比于传统电磁式电动机，由介电弹性体组成的柔性无磁电机具有轻质、柔软、可变形、比功率密度高、结构扁平以及无需磁场等优势。常用于无磁电机的弹性体为商业化VHBTM4910，它杨氏模量高、驱动电场高、粘弹损耗大的缺陷严重限制了无磁电机性能的提升。降低杨氏模量可以显著降低驱动电场，但是模量的降低常常伴随着材料强度劣化、韧性下降、机械损耗增加等问题。

近日，清华大学电机系党智敏教授团队联合清华大学机械系赵慧婵老师提出通过调控大分子交联剂的分子量降低网络交联点官能度、消除应力集中，同时实现低模量（Y~0.073MPa）和高韧性（强度极限达32.2MPa，断裂伸长率~2400%），并且网络的介电损耗（tan δ_e=0.0019@1kHz）和机械损耗（tan δ_m=0.21@1Hz，20℃）也都得到有效抑制。

相对比小分子交联剂，大分子交联剂不仅可以完成网络交联，还可以将交联点的官能度由4降为3，有助于降低弹性体的杨氏模量。当大分子交联剂的相对分子质量和交联网络平均分子量相匹配时，可以有效提升交联网络的规整度和均匀性，消除应力集中，从而实现高韧性。实验制备了由分子量不同的交联剂（=575 g mol^-1、1600 g mol^-1、6800 g mol^-1和28000 g mol^-1）交联的聚丙烯酸酯介电弹性体，测试并分析讨论了其网络结构和力学性能。其中，由CN9021NS交联的弹性体其网络的交联点平均分子量和交联剂平均分子量最匹配，具有最低的杨氏模量、最高的断裂伸长率和韧性。

图1：均匀杂化网络的力学性能。a，包含单体、交联剂和光引发剂的预聚体经紫外光固化形成交联网络。b，BAC2单轴拉伸前后对比图。c，VHB^TM4910，BA-S，BA-M，BA-L和BAC2应力应变曲线对比图。d，BAC2和已报道的介电软材料的断裂强度与模量之比对比图。e，BAC2和已报道的介电软材料的韧性对比图。

大分子交联剂作为网络组成的重要部分，其分子链柔性直接影响了弹性体的介电和力学性能。该工作选用的大分子交联剂CN9021NS中含有柔性的聚醚二醇长链段，可以有效降低聚丙烯酸酯基分子链的偶极-偶极相互作用，从而抑制介电和机械损耗。

大分子交联剂增加了网络中游离分子链的含量，这些分子链对聚合物介电性能和力学性能的影响也得到了深入的探究。相比于受交联点束缚的链段，游离分子链具有更大的取向极化，可以提高聚合物的介电常数，并不会增加网络的介电损耗和机械损耗。

因而，大分子交联剂交联的聚合物网络（BAC2）具有较高介电常数、低杨氏模量、低损耗和高韧性的特点，使得弹性体具有高驱动敏感因子（β=78.8）、低电场下大驱动形变（面积形变18.8%@15MV/m，118%@70MV/m）、高能量密度（0.242MJ/m³）以及快速响应（驱动带宽>100Hz）、抗疲劳（超50000次循环驱动）。由其制备的无磁电机可以在更低的电场（32MV/m）和更高的驱动频率（>17Hz）下旋转，并且在48MV/m的驱动电场下，其转速、输出转矩和输出功率分别是由VHB^TM4910制备的无磁电机的15倍、6倍和18倍。

图2：介电弹性体柔性无磁电机机械输出性能。a，无磁电机的视频截图展示完整旋转过程，其中t和T分别表示时间和周期。b，无磁电机旋转速度与驱动电场和驱动频率的关系，嵌入图为由VHB^TM4910制备的无磁电机旋转速度的局部放大图。c，在48MVm^-1下，旋转速度随驱动频率的变化规律。d，无磁电机的输出转矩和输出功率随转速的变化规律。

该工作提出了通过调控大分子交联剂的分子结构和分子量优化网络结构，提升介电弹性体驱动性能的策略。低电场下的大驱动形变和高能量密度是软执行器发展的方向。这里所提出的弹性体组成选择原则和策略为高性能介电弹性体尤其是可控制备均匀的杂化网络提供了新的发展思路。该工作以“Soft, tough and fast polyacrylate dielectric elastomer for non-magnetic motor”为题发表在Nature Communications期刊（Nature communications 12, 4517(2021)）。论文的第一作者为清华大学电机系博士生尹丽娟，通讯作者为党智敏教授，共同通讯作者为清华大学机械系赵慧婵老师。

原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-24851-w

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