高介電常數(shù)復(fù)合彈性體的制備及其在柔性傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用.pdf

1、隨著機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和對(duì)護(hù)理機(jī)器人的深入研究，驅(qū)動(dòng)器和觸覺(jué)傳感器在機(jī)器人器件中的作用得到了研究者們的廣泛關(guān)注，并有望進(jìn)一步拓寬機(jī)器人的感知能力和運(yùn)動(dòng)能力。其核心部件為高性能的介電彈性體，它不僅具有超大變形量、超快響應(yīng)速度、高機(jī)電轉(zhuǎn)化效率、良好的負(fù)載匹配性、超強(qiáng)的環(huán)境適用性、高疲勞壽命以及優(yōu)異的仿生性能等特點(diǎn)，同時(shí)，還可以作為力學(xué)傳感器應(yīng)用于包括機(jī)器人觸覺(jué)皮膚在內(nèi)的眾多新興研究領(lǐng)域，已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)之一。本文采用鈦酸銅鈣、聚

2、苯胺包裹鈦酸銅鈣等高介電常數(shù)的無(wú)機(jī)顆粒、高極性的聚丙二醇二乙酯柔性聚合物、三聚茚和聚乙炔等具有共軛結(jié)構(gòu)的物質(zhì)、碳納米管和聚苯胺等導(dǎo)電材料作為高效填料，制備了一系列的介電彈性體復(fù)合材料，具有良好的電致形變效果，并制備了伸縮型電容傳感器，研究了拉伸與電容輸出的關(guān)系，進(jìn)一步拓展了介電彈性體的應(yīng)用領(lǐng)域。本論文主要開(kāi)展的工作有以下七個(gè)方面:
　　(1)通過(guò)直接熱處理法和熔鹽法，設(shè)計(jì)并制備了具有不同形貌的亞微米和微米鈦酸銅鈣(CCTO)顆粒。

3、然后，將自制的CCTO顆粒填充至硅橡膠彈性體中，所得的復(fù)合材料具有高介電常數(shù)、低介電損耗和高電致形變效果。相對(duì)于純硅橡膠彈性體的介電常數(shù)為2.15，在50Hz的電場(chǎng)頻率下，亞微米和微米鈦酸銅鈣/硅橡膠復(fù)合材料的介電常數(shù)分別提升至4.37和4.18。而復(fù)合材料的介電損耗依然保持在低值（小于0.06）。亞微米和微米鈦酸銅鈣/硅橡膠復(fù)合材料的彈性模量略有增加，仍保持良好的柔韌性。在低電場(chǎng)5 V/μm作用下，相比純有機(jī)硅彈性體的2.25％形變量

4、，亞微米和微米鈦酸銅鈣/硅橡膠復(fù)合材料的電致形變量分別為7.69％和9.83％。
　　(2)在鹽酸溶液中，使用簡(jiǎn)單的苯胺原位聚合法合成了核-殼結(jié)構(gòu)的鈦酸鈣銅@聚苯胺(CCTO@PANI)顆粒。然后，將自制CCTO@PANI顆粒填充至硅橡膠彈性體中，所得復(fù)合材料具有高的介電常數(shù)、低介電損耗和在低電場(chǎng)下具有更好的電致形變效果。同時(shí)，CCTO@PANI/PDMS復(fù)合材料的彈性模量略微增加，依然保持良好的柔韌性。在低電場(chǎng)10V/μm作用下

5、，與純硅彈性體(8.94％)相比，CCTO/PDMS和CCTO@PANI/PDMS(CCTO和苯胺的重量比為10)復(fù)合材料表現(xiàn)出更大的電致形變，分別為10.95％和13.24％。這項(xiàng)研究提供了一個(gè)簡(jiǎn)單而有效的介電彈性體制備方法，即通過(guò)添加CCTO@PANI顆粒制備復(fù)合彈性體，由于高性能填料具有超電子極化和強(qiáng)極化離域，進(jìn)而改善了介電彈性體在低電場(chǎng)下的電致形變效果，擴(kuò)大了介電材料的廣泛應(yīng)用。
　　(3)通過(guò)聚丙二醇(PPG)和醋酸酐的

6、酯化反應(yīng)，制備了不同分子量的聚丙二醇二乙酯（簡(jiǎn)稱(chēng)PPGDA）。它能夠有效減少原料PPG中的殘留水分和降低其親水性。然后，在聚二甲基硅氧烷硅橡膠（簡(jiǎn)稱(chēng)PDMS）中加入5％的不同分子量的PPGDA，制備了PPGDA/PDMS復(fù)合材料。該復(fù)合材料在低電場(chǎng)中具有較高的介電常數(shù)(k)和電致形變效果。PPGDA分子結(jié)構(gòu)中由于具有較多的極性氧原子，可以提高分子的極性并且形成較多的酯鍵。PPGDA/PDMS復(fù)合材料介電常數(shù)的大幅度增加可以明顯提高其機(jī)電

7、耦合系數(shù)(β)。當(dāng)PPGDA的分子量為4000時(shí)，所得的PPGDA/PDMS復(fù)合材料的電致形變量最大。在10.5V/μm的低電場(chǎng)中，純PPGDA的驅(qū)動(dòng)應(yīng)變?yōu)?.94％，而PPGDA/PDMS復(fù)合材料的驅(qū)動(dòng)應(yīng)變?yōu)?7.31％，提高約1.91倍。
　　(4)通過(guò)簡(jiǎn)單共溶法制備了僅含有0.5 wt％的π-共軛三聚茚小分子的有機(jī)硅介電彈性體（簡(jiǎn)稱(chēng)PDMS）復(fù)合材料。由于三聚茚具有規(guī)則的剛性結(jié)構(gòu)，特殊的π-共軛結(jié)構(gòu)和單分散性質(zhì)，所制備的三聚

8、茚/PDMS復(fù)合材料具有高的介電常數(shù)(k)，其可以在驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)作用下，形成大量并聯(lián)的微電容器。此外，三聚茚/PDMS復(fù)合材料的彈性模量?jī)H稍微增加，保持著良好的柔性。在5.5 V/μm的低電場(chǎng)下，純PDMS的電致形變量為4.52％，三聚茚/PDMS復(fù)合材料的電致形變量是11.56％，約提升了2.56倍。
　　(5)通過(guò)PVC(聚氯乙烯/PDMS的原位脫氯化氫反應(yīng)，在較高溫度(180℃)下，獲得部分共軛聚合物/硅橡膠介電彈性體復(fù)合材料(

9、PCP/PDMS)。所制備的PCP/PDMS復(fù)合材料具有高的介電常數(shù)(k)，低介電損耗和在低電場(chǎng)下具有更好的電致形變量。PCP/PDMS復(fù)合材料的高介電常數(shù)和低彈性模量增加了其機(jī)電耦合系數(shù)(β)。因此，與純硅橡膠彈性體相比，僅填充1 wt％PVC的硅橡膠彈性體通過(guò)熱處理所得的PCP/PDMS復(fù)合材料在50Hz電場(chǎng)頻率下其β增加2.81倍，在低電場(chǎng)（10 V/μm）作用下，其電致形變量增加了1.96倍。
　　(6)將多壁碳納米管經(jīng)過(guò)

10、納米分散機(jī)多次循環(huán)剪切，制備了長(zhǎng)徑比更小的碳納米管。在50 Hz電場(chǎng)頻率下，純硅橡膠彈性體的介電常數(shù)為2.15，僅填充0.0125 wt％的剪切后碳納米管的改性硅橡膠彈性體的介電常數(shù)提升至4.38。由于碳納米管添加量較少，對(duì)復(fù)合彈性體的模量影響不大。在低電場(chǎng)（9 V/μm）作用下，其電致形變量為17.61％，增加了2.07倍，有望在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到實(shí)際應(yīng)用。
　　(7)以十二烷基苯磺酸為摻雜有機(jī)酸和乳化劑，甲苯為溶劑，通過(guò)乳液氧化