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、隨著機器人產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和對護理機器人的深入研究，驅(qū)動器和觸覺傳感器在機器人器件中的作用得到了研究者們的廣泛關(guān)注，并有望進一步拓寬機器人的感知能力和運動能力。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、高機電轉(zhuǎn)化效率、良好的負(fù)載匹配性、超強的環(huán)境適用性、高疲勞壽命以及優(yōu)異的仿生性能等特點，同時，還可以作為力學(xué)傳感器應(yīng)用于包括機器人觸覺皮膚在內(nèi)的眾多新興研究領(lǐng)域，已成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點之一。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)的無機顆粒、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，進一步拓展了介電彈性體的應(yīng)用領(lǐng)域。本論文主要開展的工作有以下七個方面:
　　(1)通過直接熱處理法和熔鹽法，設(shè)計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。相對于純硅橡膠彈性體的介電常數(shù)為2.15，在50Hz的電場頻率下，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5 V/μm作用下，相比純有機硅彈性體的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下具有更好的電致形變效果。同時，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％。這項研究提供了一個簡單而有效的介電彈性體制備方法，即通過添加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極化離域，進而改善了介電彈性體在低電場下的電致形變效果，擴大了介電材料的廣泛應(yīng)用。
　　(3)通過聚丙二醇(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（簡稱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（簡稱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電

7、耦合系數(shù)(β)。當(dāng)PPGDA的分子量為4000時，所得的PPGDA/PDMS復(fù)合材料的電致形變量最大。在10.5V/μm的低電場中，純PPGDA的驅(qū)動應(yīng)變?yōu)?.94％，而PPGDA/PDMS復(fù)合材料的驅(qū)動應(yīng)變?yōu)?7.31％，提高約1.91倍。
　　(4)通過簡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硅介電彈性體（簡稱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)動電場作用下，形成大量并聯(lián)的微電容器。此外，三聚茚/PDMS復(fù)合材料的彈性模量僅稍微增加，保持著良好的柔性。在5.5 V/μm的低電場下，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熱處理所得的PCP/PDMS復(fù)合材料在50Hz電場頻率下其β增加2.81倍，在低電場（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

10、納米分散機多次循環(huán)剪切，制備了長徑比更小的碳納米管。在50 Hz電場頻率下，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，對復(fù)合彈性體的模量影響不大。在低電場（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)域得到實際應(yīng)用。
　　(7)以十二烷基苯磺酸為摻雜有機酸和乳化劑，甲苯為溶劑，通過乳液氧化