高介電常數復合彈性體的制備及其在柔性傳感器領域的應用.pdf

1、隨著機器人產業(yè)的快速發(fā)展和對護理機器人的深入研究，驅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、超快響應速度、高機電轉化效率、良好的負載匹配性、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，還可以作為力學傳感器應用于包括機器人觸覺皮膚在內的眾多新興研究領域，已成為國內外學者關注的熱點之一。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構的物質、碳納米管和聚苯胺等導電材料作為高效填料，制備了一系列的介電彈性體復合材料，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系，進一步拓展了介電彈性體的應用領域。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，所得的復合材料具有高介電常數、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/硅橡膠復合材料的介電常數分別提升至4.37和4.18。而復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-殼結構的鈦酸鈣銅@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，所得復合材料具有高的介電常數、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)復合材料表現出更大的電致形變，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用。
　　(3)通過聚丙二醇(PPG)和醋酸酐的

6、酯化反應，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復合材料。該復合材料在低電場中具有較高的介電常數(k)和電致形變效果。PPGDA分子結構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復合材料介電常數的大幅度增加可以明顯提高其機電

7、耦合系數(β)。當PPGDA的分子量為4000時，所得的PPGDA/PDMS復合材料的電致形變量最大。在10.5V/μm的低電場中，純PPGDA的驅動應變?yōu)?.94％，而PPGDA/PDMS復合材料的驅動應變?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）復合材料。由于三聚茚具有規(guī)則的剛性結構，特殊的π-共軛結構和單分散性質，所制備的三聚

8、茚/PDMS復合材料具有高的介電常數(k)，其可以在驅動電場作用下，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，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合材料(

9、PCP/PDMS)。所制備的PCP/PDMS復合材料具有高的介電常數(k)，低介電損耗和在低電場下具有更好的電致形變量。PCP/PDMS復合材料的高介電常數和低彈性模量增加了其機電耦合系數(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提升至4.38。由于碳納米管添加量較少，對復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)學領域得到實際應用。
　　(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